KR101816058B1

KR101816058B1 - 매스 회전식 또는 왕복식 장치에 의한 에너지 세이브 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101816058B1
Application number: KR1020127009172A
Authority: KR
Inventors: 존 엘. 룸스덴; 파울 에이치. 켈레이; 바산 벤카타라만
Original assignee: 더 파워와이즈 그룹, 인코포레이티드
Priority date: 2009-09-08
Filing date: 2010-09-01
Publication date: 2018-01-08
Also published as: JP2013504012A; CN102498294A; BR112012005097A2; MX2012003008A; US8823314B2; EP2475888B1; US9628015B2; EA021950B1; JP5824453B2; US20100320956A1; EP2475888A4; MX342012B; CA2771121A1; HK1170787A1; CA2771121C; MX361682B; WO2011031603A1; US20150056083A1; KR20120065390A; EA201270388A1

Abstract

시스템 및 방법은 개루프 모드에서 모터가 에너지를 생성 중일 때, 모터에 공급되는 전압을 감소시킴으로써 펌프 잭의 모터가 소비하는 에너지를 감소시키도록 구성된다. 실질적으로 에너지 소비 모드를 제거함으로써, 그렇지 않았다면 발생하지 않았을 모터 및 시스템의 가속력을 제한하는 유틸리티 그리드의 브레이크 작용이 실질적으로 제거된다. 사이클 운동의 자연 운동 에너지를 펌핑 작용의 일부로 실시함으로써 모터 및 시스템의 속도는 증가할 것이다. 모터와 전기적으로 연결된 폐루프 제어기는 모터에 공급되는 전압과 전류 사이에서 관측되는 위상각으로부터 필요한 정보를 연산한다. 모터에 공급되는 전압을 감소시킴으로써 관측된 위상각을 목표 위상각 수치로 감소시킬 수 있다.

Description

매스 회전식 또는 왕복식 장치에 의한 에너지 세이브 시스템 및 방법 {ENERGY SAVING SYSTEM AND METHOD FOR DEVICES WITH ROTATING OR RECIPROCATING MASSES}

본 출원은 2009년 9월 8일 출원된 일련 번호가 61/240,399인 미국 가출원의 우선권 이익을 주장하고, 이에 의하여 상기 미국 가출원은 모든 목적을 위하여 전체로서 인용에 의해 병합된다. 본 출원은 또한 동시 계류중인 2008년 9월 10일 출원된 미국 가출원 일련 번호 12/207,913의 일부 계속 출원이며, 상기 2008년 9월 10일 출원된 일련 번호 12/207,913인 미국 가출원은 2008년 7월 21일 출원된 미국 가출원 일련 번호 61/135,402 및 2007년 9월 14일에 출원된 미국 가출원 일련 번호 60/993,706의 가출원의 우선권 이익을 주장하고, 이에 의하여 상기 모든 미국 가출원은 모든 목적을 위하여 전체로서 인용에 의해 병합된다.

본 발명은 매스 회전식 또는 왕복식 펌프 잭(pump jack) 및 다른 장치에 사용되는 전기 모터에 관한 것이다.

펌프 잭은 유정(oil well)의 하향공(downhole)에 설치된 왕복 피스톤 펌프용 지상 구동 장치이다. 유체가 스스로 표면으로 유동할 수 있을 만큼 충분한 갱저압(bottom hole pressure)이 존재하지 않을 때, 펌프 잭은 유정 외부로 유체를 기계적으로 상승시킨다. 펌프 잭은 종종 전기 모터에서 동력을 공급받으며, 상기 전기 모터는 전기적 유틸리티 그리드(utility grid)로부터 전력을 공급받는다. 펌프 잭은 하향공 펌프를 구동하기 위해 모터의 회전 구조를 수직 왕복 운동으로 변환시킨다. 기존의 Lufkin MarkΠ설계, 빔 평형식(beam-balanced) 설계, 공기 평형식(air-balanced) 설계, 슬랜트 홀(slant hole) 그리고 기존의 이동식 설계을 포함하는 펌프 잭의 많은 다른 설계들이 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 펌프 잭은 텍사스 러프킨의 Lufkin Industries, inc. 및 캔사스 코페이빌의 Texas and Cook Pump Company를 포함하는 다수의 다른 공급자로부터 입수가능하다.

펌프 잭의 전기 모터는 보통 기어 시스템 또는 트랜스미션(transmission)에서 한 세트의 풀리(pulley)를 회전시키고, 그 다음에 상기 풀리 세트는 한 쌍의 크랭크(crank) 또는 크랭크 암(crank arm)을 구동시킨다. 통상적인 기존의 펌프 잭 설계에서, 크랭크는 상승하고 “작동 빔”으로 알려진 레버(lever) 또는 빔의 하부 단부는 샘프손 포스트(sampson post) 또는 A-프레임을 축으로 회전된다. "호스 헤드"(horse head)로 알려진 곡선형태의 금속 박스는 크랭크 암이 빔과 연결된 지점으로부터 작동 빔의 다른쪽 단부 상에 있다. 평형추 또는 왕복 매스는 통상적으로 크랭크의 한 쪽 단부에 부착된다. 피트먼 암(pitman arm)은 보통 평형추와 호스 헤드에 대향하는 작동 빔의 단부 사이에 걸쳐진다(span). 케이블은 하향공 펌프를 실행시키는 배관형 수직 스트링(string) 또는 흡입 로드(rod)에 연결된 수직으로 폴리쉬(polished)된 로드를 호스 헤드에 연결시킨다.

평형추는 흡입관 로드 및 배관형 스트링의 승강시 모터를 보조한다. 모터가 평형추를 위로 승강시켰을 때, 흡입관 로드 또는 배관형 스트링을 아래쪽으로 밀면서 호스 헤드는 아래쪽으로 이동한다. 평형추가 그 회전의 정점에 도달한 후에, 평형추는 회전하고, 그리고 평형추의 모멘텀 및 매스(운동 에너지)를 사용하여 반대 방향으로 모터에 의한 작동 빔의 회전을 보조한다. 평형추가 가장 높은 지점에서 아래쪽으로 자유낙하 하였을 때, 흡입관 로드의 스트링을 위쪽으로 승강시키면서 호스 헤드는 위쪽으로 이동한다. 특허 번호가 4,051,736인 미국 특허는 유전 펌프를 왕복시키기 위한 개선된 펌프 잭을 제시한다.

비록 다른 하향공 펌프의 설계가 존재하지만, 하향공 펌프는 관습적으로 제조 배관(tubing)의 단부 또는 그 근처에 위치한 펌프 배럴(barrel) 내에서 왕복하는 피스톤 또는 플런저(plunger)를 포함한다. 두 개의 독립한 밸브가 통상적으로 펌핑 작용을 수행한다. 고정된 체크(standing check) 밸브는 피스톤 밑의 펌프 배럴 내에 고정될 수 있고, 피스톤은 이송 체크 밸브를 포함할 수 있다. 피스톤의 상향 스트로크는 고정 밸브를 개방시키고, 이송 밸브는 폐쇄되어 있는 채로 유체를 펌프 배럴 내부로 인입시킨다. 피스톤의 하향 스트로크는 이송 밸브를 개방시키고, 고정 배럴은 폐쇄되어 있는 채로 펌프 배럴로부터 위쪽으로 유체에 압력을 가한다. 특허번호가 3,578,886; 4,173,451; 그리고 6.904,973인 미국 특허가 하향공 펌프를 제시한다.

전기 모터가 작동 중에 에너지 생성 모드로 진입할 수 있음은 잘 알려져 있다. 펌프 잭과 함께 사용되는 전기 모터에서, 에너지 생성 모드는 평형추가 회전하는 동안, 평형추와 배관형 스트링 또는 로드 스트링 사이의 평형 조건에 따라, 임의의 시간에 발생할 수 있다. 각 스트로크에서 로드 스트링이 승강시키는 유량 및 유체의 구성에 따라, 펌핑 스트로크에서 스트로크까지 평형 조건이 변동한다. 폴리쉬(polish)된 로드 및 부착된 흡입기 또는 배관형 스트링은 에너지 생성 모드에서 상향 또는 하향으로 이동할 수 있다.

유정 소유자는 펌프 잭이 소모하는 전력량에 기초하여 전기료를 지불해야 한다. 에너지 소비량은 에너지 계량기로 계측된다. 과거에 전력 소비량은 아날로그 전기 계량기로 계측되었다. 현재에는 많은 디지털 전기 계량기가 사용된다. 아날로그 설계인지 디지털 설계인지에 관계없이, 소비자가 최초에 전력 그리드에 공급된 생성 에너지를 신용 할 수 있는지 여부에 의한 유틸리티 기업의 판단에 의해 에너지 계량기는 구성될 수 있다. 펌프 잭 시스템은 임의의 생성을 발생시키기 위해 필요한 에너지 소비량이 생성 에너지를 상당히 초과하는 매우 비효율적인 생성장치이다. 그러므로 유틸리티 기업이 생성 에너지를 신용하는지 여부와 관계없이, 에너지 생성을 방지하는 것이 소비자에게는 언제나 이익이다.

생성 단계 동안에, 모터는 유틸리티의 간선 전압(line voltage)을 초과하는 전압의 달성을 시도할 것이며, 이는 전류가 반대방향으로 흐르는 원인이 된다. 모터의 가속력 제한이 발생하지 않았었다면, 유틸리티 그리드에 의해 제공된 부하(load)는 브레이크로서 기능한다. 모터의 이러한 브레이크 작용은 펌프 잭의 중량 감소에 의한 펌핑 작용을 보조할 수 있는 부가적인 운동 에너지의 발전을 방해한다. 이러한 변환된 운동 에너지는 유틸리티 그리드로부터 전기 에너지에 대한 대안으로 공급될 수 있다.

생성 단계를 포함할 수 있는 펌프 잭 사이클 중 일부에서 펌프 잭 전기 모터를 턴 오프(turn off)시켜 상당한 양의 에너지를 세이브(save)하고자 하는 과거에 기술자들의 시도는 실패했었다. 이것은 다양한 기계적 교환 및 연계로 시도되었다. 그러나 하향공 펌프의 파라미터(parameter) 및 유정은 시간이 지남에 따라 변화하는바, 이러한 기계적 해결방안은 작동하지 못하였다.

유정에서 유체 유동은 유정 양 및 “펌프 오프”(pump off)만큼 변화할 수 있다. 몇몇 경우에 있어서, 펌핑된 유량은 하나의 스트로크에서 다음 스트로크까지 변화할 수 있다. 변화하는 부피, 밀도, 점성, 중량 그리고 가스, 기름, 물 및 슬러리(slurry)와 같은 펌핑된 물질 및/또는 유체의 다른 특성은 로드 스트링 및 유체 컬럼(column)의 결합된 중량을 상당히 변화시킬 수 있으며, 이는 시스템 평형 및 모터에 대한 필요 조건에 영향을 미친다. 몇몇 유정에서, 배관형 스트링의 깊이는 수 천 피트일 수 있다. 시간이 지남에 따라, 유정 내부에 유입된 다른 유체는 모터의 작동에 상당한 영향을 미칠 것이다.

마이크로 프로세서의 도입으로, 전류 및 전압을 관측하여 전기 모터를 턴 오프시키는 것이 가능하게 되었다. 그러나 문제는 다시 전기 모터가 턴 온(turn on)될 때를 인지하는 것이었다. 과거의 다양한 개루프(loop)의 시간 지연 시도는 실패했었다. 하향공 펌프 및 유정의 파라미터 모두 시간이 지남에 따라 변화하기 때문에 마이크로 프로세서에 의한 해결방안 또한 실패하였다.

특허 번호가 6,489,742인 미국 특허는 제어 인자를 통해 주 전압 및 전력 공급에 의해 부하를 거는 실제 모터의 전류 공급을 연산하고 최적화 하는 디지털 신호 프로세서를 구비한, 인덕션 모터(induction motor)로의 전력 전송을 포함하는 모터 제어기를 제시한다.

미국 공개 공보 번호 2009/0046490은 IGBT/FET를 기반으로 하는 에너지 세이브 장치, 시스템 및 방법을 제시하며, 표준 간선 전압 및/또는 명목상 적용 전압보다 낮은 전압의 예측양이 세이브된다. 미국 공개 공보 번호 2009/0051344은 TRIAC/SCR을 기반으로 하는 에너지 세이브 장치, 시스템 및 방법을 제시하며, 표준 간선 전압 및/또는 명목상 적용 전압보다 낮은 전압의 예측양이 세이브된다. 미국 공개 공보 번호 2009/0200981은 AC 전력 적용시 균등한 부하를 제공하기 위한 시스템 및 방법을 제시하며, 변조한(modulating) 사인 곡선의 하나 이상의 하프 사이클(half cycle)에서 하나 이상의 턴 온 지점이 결정되고, 변조한 사인 곡선의 하나 이상의 하프 사이클에서 하나 이상의 턴 오프 지점이 결정되며, 하나 이상의 턴 온 지점 및 하나 이상의 턴 오프 지점 사이에 위치한 하나 이상의 슬라이스(slice)는 제거된다. 미국 공개 공보 번호 2010/0033155는 IGBT/FET 구동장치 각각에 분리되고 절연된 전력을 제공하는 IGBT/FET 구동장치에 대한 전력 공급을 제시한다.

널리 사용되는 기술인 비례 적분 미분(PID)제어는 알고리즘 및 피드백 구조 제어를 적용한다. 일반적으로 언급되는 바와 같이 PID 제어기는 “에러”(error)를 기반으로 한 수치를 연산한다. 통상적으로, 계측된 프로세스 수치 및 바람직한 포인트 설정 또는 목표 수치와의 차이에 의해 “에러”가 연산된다. PID 제어기는 프로세스 제어 수치를 조정함으로써, 에러 최소화를 시도했다. 본질적으로, PID 제어기는 비례, 적분 및 미분 파라미터를 가지고 있는 디지털 필터(filter)이다. 비례 수치는 현재 에러에 대한 반응(reaction)을 결정하고, 적분 수치는 근래의 에러 총합을 기본으로 하는 반응을 결정하고, 미분 수치는 에러가 변화해온 비율을 기본으로 하는 반응을 결정한다.

상기 논의된 특허 번호가 3,578,886; 4,051,736; 4,173,451; 6,489,742; 그리고 6,904,973;인 미국 특허 그리고 공개 공보 번호가 2009/0046490; 2009/0051344; 2009/0200981; 그리고 2010/0033155인 미국 공개 공보는 모든 목적을 위하여 전체로서 인용에 의해 병합된다.

특히 에너지 생성 모드 중에, 펌프 잭의 전기 모터의 에너지 사용을 효율적으로 처리할 필요성이 존재 한다.

폐루프의 모터 제어 시스템은 개루프 모드에서 모터가 에너지를 생성하고 있으며 전압과 전류의 위상각이 90도보다 클 때 펌프 잭의 전기 모터에 전압 공급을 감소시킨다. 모터에 공급되는 전압을 감소시킴으로써, 전압과 전류 사이에서 관측된 위상각은 90도 보다 낮은 수치로 감소될 수 있다. 이러한 조건 하에서, 모터는 여전히 에너지를 소비하지 않는다. 펄스폭 변조 기술을 통해 전력의 유효 성분은 실질적으로 0으로 감소될 수 있고, 무효 성분은 0보다 크게 남는다. 몇몇 전류 흐름을 허용함으로써, 모터에 대한 부하 상태를 표시하는 최초의 반응 특성인 관측할 수 있는 피드백(feedback) 파라미터가 폐루프 제어 시스템에 사용되어 필요할 때 전력을 공급할 수 있도록 모터 제어기가 작동할 수 있다. 유사하게, 모터가 약간 부하를 받아 에너지를 소비할 때, 폐루프의 모터 제어 시스템이 부가적으로 에너지를 세이브 할 수 있도록 전압 공급이 감소된다. 시스템에 의해 소비되지 않는다면 에너지를 최소화하거나 제거함으로써, 모터에 공급되는 전압의 감소 그리고 모터의 유틸리티 그리드에 의한 브레이크 작용의 최소화 또는 제거 모두에 의해 에너지는 세이브될 수 있다. 주기적인 운동의 자연 발생적인 운동 에너지가 펌핑 작용의 일부를 실시할 수 있기 때문에, 모터 및 시스템의 속도는 증가할 것이다.

목표 위상각은 모든 모터에 대한 부하에 대하여 상수로 또는 임의의 순간에 모터에 대한 부하의 가변 함수로 제공될 수 있다. 90도보다 큰 목표 위상각 또한 고려될 수 있지만, 목표 위상각은 90도보다 작거나 90도와 동일할 수 있다. 모터가 에너지를 생산 또는 소비하는 중이고, 개루프 모드에서 관측된 위상각이 목표 위상각보다 클 때, 시스템은 관측된 위상각이 목표 위상각과 사실상 같아질 때 까지 전압 공급을 감소시킬 수 있다. 목표 위상각보다 낮게 관측된 위상각에서 관측된 위상각의 임의의 부가적인 감소는, 목표 위상각에 일단 다시 도달할 때까지 시스템이 전압 공급을 증가시키도록 응답할 수 있는 에너지 소비 모드와 같이 모터에 대한 부하가 증가한 것으로 해석될 수 있다. 필요한 정보는 모터에 의해 소비된 전압 및 전류 사이에서 관측된 위상각으로부터 연산될 수 있다.

본 발명의 더 우수하고 부가적인 이해는 해당 부분이 해당 도면 기호로 표시되는 도면의 다양하게 개시된 실시예에 대한 다음 상세한 설명에 의해 달성될 수 있다;
도 1은 입력 및 출력 하드웨어를 구비한 디지털 신호 프로세서(DSP)의 블록 다이어그램(block diagram)을 도시한다.
도 2는 모터 제어기를 기반으로 하는 DSP의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 3은 위상 회전 탐지 방법을 도시한 다이어그램을 도시한다.
도 4는 위상 회전 탐지 방법을 도시한 순서도를 도시한다.
도 5는 포지티브(positive) 위상 회전에 대한 전력 제어 장치의 출력을 도시한 그래프이다.
도 6은 네거티브(negative) 위상 회전에 대한 전력 제어 장치의 출력을 도시한 그래프이다.
도 7은 윈도우 비교기(window comparator)의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 8은 윈도우 비교기의 개략도를 도시한다.
도 9는 전류 파형 및 제로 크로싱(zero crossing) 신호의 그래프를 도시한다.
도 10은 실제 중립(neutral) 회로의 개략도를 도시한다.
도 11은 단상(single phase) 적용에 대한 전력 제어 장치의 출력을 도시한 그래프이다.
도 12는 3차원 제어 라인을 도시한 3차원 그래프이다.
도 13은 하나의 평면상에 투영된 제어 라인을 도시한 3차원 그래프이다.
도 14는 2차원으로 구성된 제어 라인을 도시한 그래프이다.
도 15는 반자동 조정(calibration)의 스위핑(sweeping) 점호각(firing angle)/듀티 사이클(duty cycle)을 도시하는 그래프이다.
도 16은 점호각/듀티 사이클의 지향된 스윕을 도시한 그래프이다.
도 17은 반자동 조정 데이터로 구성된 그래프를 도시한다.
도 18은 반자동 조정 데이터로 구성된 그래프를 도시한다.
도 19는 반자동 조정 데이터로 구성된 그래프를 도시한다.
도 20은 반자동의 높은 레벨 조정의 순서도를 도시한다.
도 21은 반자동의 높은 레벨 조정의 순서도를 도시한다.
도 22는 매뉴얼(manual) 조정의 순서도를 도시한다.
도 23은 고정된 전압 클램프의 순서도를 도시한다.
도 24는 모터의 실효 전압 클램프를 도시한 그래프이다.
도 25는 모터의 실효 전압 클램프를 도시한 그래프이다.
도 26은 멈춤(stall) 완화 기술의 순서도를 도시한다.
도 27은 멈춤 완화 기술을 도시한 그래프이다.
도 28은 유정 내에 배관형 스트링과 함께 위치한 펌프 잭의 일실시 예의 입면도이다.
도 29는 개루프 모드에서 펌프 잭 모터의 시간 대비 관측된 위상각의 플롯(plot)을 도시한다.
도 30은 모터에 연결된 시스템 블록 다이어그램을 도시한다.
도 31은 하나의 완성된 펌핑 사이클 내에서 목표 위상각을 달성하기 위해 모터의 전압이 감소하는 폐루프 제어 모드에서, 펌프 잭 모터의 시간 대비 관측된 위상각의 플롯을 도시한다.
도 32는 유입되는 간선 전압의 단상의 파형을 도시한다.
도 32a는 펄스폭 변조(PWM)기술의 적용 이후, 모터에 공급된 대량 절단된 전압의 단일 위상의 파형 플롯을 도시한다.
도 32b는 펄스폭 변조 기술의 적용 이후, 모터에 공급된 약간 절단된 전압의 단일 위상의 파형 플롯을 도시한다.
도 32c는 펄스폭 변조 기술의 적용 이후, 모터에 공급된 다양하게 절단된 전압의 단일 위상의 파형 플롯을 도시한다.
도 32d는 대량 절단될 수 있을 때, 약간 절단될 수 있을 때, 전혀 절단이 일어날 수 없는 때의 단계를 나타내는 도 31의 플롯을 도시한다.

도 1을 참조하면, 디지털 신호 프로세서(DSP; 1)의 블록 다이어그램 그리고 하드웨어의 입력 및 출력이 도시된다. DSP(1)는 모터의 작동 특성을 관측할 수 있으며 폐루프 제어 하에서 실행중인 모터의 실효(RMS) 전압을 수정 할 수 있다. 하드웨어 입력(2)은 제로 크로싱 입력의 위상(36), 간선 전압의 위상(37), 모터 전압의 위상(38) 그리고 전류(9)를 캡쳐(capture)하고, 그리고 하드웨어 입력은 프로세스를 위하여 DSP(1)를 통과하고 이어서 전력 제어 장치의 출력(14)을 통하여 전력 제어 장치로 입력된다.

지금부터 도 2를 참조하여 모터 제어기(4)를 기반으로 하는 DSP 시스템 및 방법의 블록 다이어그램을 도시한다. 먼저, 모터 제어기(4)는 제로 크로싱 입력(36)을 캡쳐하기 위해 각 상(A, B 및 C)의 전압(37) 및 전류(9)를 판독할 수 있다. 이러한 포인트에서, 변환기(62)를 사용하여 전압(13) 및 전류(9)를 아날로그에서 디지털로 변환시킬 수 있다. 다음으로, 각 위상의 모터에 대한 위상각의 계산(63)은 관측된 위상각(5)을 산출하여 연산될 수 있다. 그 다음으로, 미리 프로그램된 제어 라인(6)으로부터 확보된 목표 위상각(10)을 관측된 위상각(5)과 비교한다. 목표 위상각(10)과 관측된 위상각(5)의 차이는, 비례요소, 적분요소 및 미분 요소를 가지고 있는 PID 제어기(12)로 프로세스되는, 위상 에러 신호(11, 28)의 결과를 산출한다. PID 제어기(12)에서의 출력은, 각 위상에 대한 최대 에너지 세이브를 위해 간선 전압(50)에 공급되는 모터의 실효 전압(13)에 대한 전력 제어 장치의 출력(14)을 산출하는 TRIACs, SCRs, IGBTs 또는 MOSFETs와 같은 전력 제어 장치(33)의 사용을 통해 확보될 수 있는, 모터(3)에 대한 새로운 제어 전압(13, 29)이다.

이러한 폐루프 시스템에서, 모터(3)의 각 위상에 대한 전압(13) 및 전류는 지속적으로 모니터된다. 모터 제어기(4)는 모터의 부하에 상응하도록 조정된 제어 라인(6)의 포인트에서 관측된 위상각(5)을 구동시킬 것이다. 제어 라인(6)은 모터(3)에 의해 이미 알려진 조정 데이터를 기반으로 하기 때문에, 이 지점에서 최대 에너지 세이브가 실현될 것이다. 모터 제어기(4)는 마치 기술자가 수작업으로 전압(13)을 설정하는 것처럼 모터(3)를 제어할 수 있다. 차이점은 DSP(1)는 실시간으로 부하의 변화에 동적인 응답이 가능하고, 사이클을 기초로 사이클 상에서 이러한 조정이 이루어진다는 것이다.

도 3을 참조하면, 3상 시스템에서 위상 회전은 모터 제어기(4)를 사용하여 자동적으로 결정된다. 간선 전압의 제로 크로싱 탐지기는 위상 A의 간선 전압 제로 크로싱(15)과 위상 B의 간선 전압 제로 크로싱(16)사이에서 정확한 측정각을 제공한다. 포지티브 위상 회전(18)에 대한 각은 보통 120도이며, 네거티브 위상 회전(19)에 대한 각은 보통 60도이다.

도 4를 참조하여, 위상 회전의 탐지에 대한 순서도를 도시한다. 파워 온 리셋(POR)후에, 모터 제어기(4)로 포지티브 위상 회전(18) 및 네거티브 위상 회전(19)을 결정 하는 것은 용이하다. 먼저, 위상 A의 간선 전압 제로 크로싱에서 위상 B의 간선 전압 제로 크로싱(39)까지의 시간이 측정된다. 다음으로 상기 시간이 90도보다 크거나 작은가가 결정된다(40). 만약 상기 시간이 90도보다 크다면, 그 다음으로 ACB회전이 있다(42). 만약 상기 시간이 90도보타 작다면, 그 다음으로 ABC회전이 있다(41). 모터 제어기(4)는 동일한 기본 소프트웨어 및 하드웨어 체계의 3상 또는 단상 모터를 제어할 수 있다. 3상 모터의 경우, 모터 제어기(4)는 위상 회전에 의하여 전력 제어 장치의 출력(14)을 구동시킬 수 있다.

포지티브 회전의 구동에 대한 전력 제어 장치의 출력을 도시한 도 5를 참조하면, 모터 제어기는 타원형(22a)으로 표시된 것처럼 위상 A의 간선 전압 제로 크로싱(15)의 턴 온(turn on)시간동안 위상 A의 전력 제어 장치의 출력(14) 및 위상 B의 전력 제어 장치의 출력(14) 모두를 구동시킨다. 유사하게 모터 제어기는 타원형(22b)으로 표시된 것처럼 위상 B의 턴 온 시간동안 위상 B(16) 및 위상 C의 전력 제어 장치의 출력(14) 모두를 구동시킨다. 마지막으로, 모터 제어기(4)는 타원형(22c)으로 표시된 것처럼 위상 C의 전력 제어 장치 출력(14)의 턴 온 시간동안 위상 C(17) 및 위상 A의 전력 제어 장치의 출력(14) 모두를 구동시킨다. 도 5 및 도 6에서 도시하는 예시는 90도의 점호각/듀티 사이클(23)을 서술하고 있음에 주목한다.

네거티브 위상 회전에 대한 출력을 구동시키는 TRIAC를 도시한 도 6을 참조하면, 모터 제어기(4)는 타원형(22c)으로 표시된 것처럼 위상 A의 간선 전압 제로 크로싱(15)의 턴 온 시간 동안 위상 A의 전력 제어 장치의 출력(14) 및 위상 C의 전력 제어 장치의 출력(14) 모두를 구동시킨다. 유사하게 모터 제어기(4)는 타원형(22a)으로 표시된 것처럼 위상 B의 간선 전압 제로 크로싱(16) 턴 온 시간동안 위상 B(16) 및 위상 A의 전력 제어 장치의 출력(14) 모두를 구동시킨다. 마지막으로, 모터 제어기는 타원형(22b)으로 표시된 것처럼 위상 C의 간선 전압 제어 크로싱(17)의 턴 온 시간동안 위상 C의 전력 제어 장치의 출력(14) 및 위상 B의 전력 제어 장치의 출력(14) 모두를 구동시킨다.

지금부터 도 7을 참조하여, 윈도우 비교기의 블록 다이어그램을 도시한다. 모터 제어기를 기반으로 하는 DSP는 모든 포지티브 및 네거티브 전류 파형 절반에서 제로 크로싱을 탐지하기 위해 윈도우 비교기(88)를 사용한다. 모터의 실효 전압이 모터 제어기에 의해 감소되었을 때, 모든 하프 사이클(half cycle)의 의미 있는 영역에서 전류는 0이기 때문에 전류 파형의 제로 크로싱을 탐지하는 것은 어렵다. 먼저 모터의 전류(89)가 제공되고, 포지티브 하프 사이클에 대하여 포지티브 전압(90)이 기준으로 제공되고, 네거티브 전압(91)이 기준으로 제공된다. 다음으로 전류, 포지티브 전압 및 네거티브 전압이 두 개의 비교기(92)에 존재하게 되고 이어서 복합 제로 크로스 디지털 신호(94)를 형성하기 위해 OR 게이트(OR; 93)를 통과한다.

도 8에서 부가적으로 설명하는 것처럼, 윈도우 비교기(88)의 개략도가 도시된다. 모터의 전류(89)가 제공되고, 포지티브 하프 사이클에 대하여 포지티브 전압(90)이 기준으로 제공되고, 네거티브 전압(91)이 기준으로 제공된다. 다음으로 포지티브 전압 및 네거티브 전압으로서 설명되는 전류가 두 개의 비교기(92)에 의해 프로세스 되고, 이어서 복합 제로 크로스 디지털 신호(94)를 형성하기 위해 OR 게이트(93)를 통과한다.

부가적으로 도 9는 전류 파형(95), 포지티브 전압 하프 사이클(96), 네거티브 전압 하프 사이클(97) 및 OR함수(98)의 그래프를 도시한다.

지금부터 도 10을 참조하여 실제 중립 회로의 개략도를 도시한다. 실제 중립 회로는 위상 전력이 오직 델타 모드로 이용되고 기준으로 사용하기 위한 중립이 현재 존재하지 않는 상황에서 기준으로 사용할 수 있다. 실제 중립 회로는 세 개의 차동 단일단(differential-to-single-ended) 증폭기(77)를 포함한다. 위상간(phase to phase) 전압이 높기 때문에, 입력 저항기(78)는 피드백(feedback) 저항기(80) 및 기준 접지 저항기(81) 모두와 함께 적합한 어테뉴에이터(attenuator; 79)를 형성하기 위해 사용된다. 위상 손실의 위험이 존재하기 때문에, 차동 단일단 증폭기(77)를 보호하기 위해 보호 다이오드(82)가 사용된다. 차동 단일단 증폭기(77)는 피드백 저항기(80)와 함께 가산 저항기(85) 및 DC블록 콘덴서(84)를 통해 가산 증폭기(83)로 결합된다. 증폭기(27)는 가산 증폭기(83)의 출력을 증대시키고, 그로 인해 중립 전위인 낮은 임피던스(impedance) 출력을 제공한다. 부가적인 저항기는 공급 레일(rail)을 나누며, 그로 인해 가산 증폭기(83)는 양자택일적으로 포지티브 및 네거티브 신호를 처리할 수 있다. 점퍼 블록(jumper block)과 함께 양자택일의 중립 연결(87)을 따라 중립(86)을 이용할 수 있기 때문에, 양자택일적 연결이 이용가능하다.

지금부터 단상(single-phase) 적용에 의한 전력 제어 장치의 출력(14)을 도시하는 도 11을 참조하면, 제로 크로싱 입력(15)으로부터 유도된 전력 제어 장치의 출력(14)을 기반으로 하는 각각의 하프 사이클에 대하여 위상 A의 출력(14)이 회전한다. 위상 B의 간선 전압 제로 크로싱 및 위상 C의 간선 전압 제로 클로싱에 대한 전력 제어 장치의 출력(14)은 DSP(1)에서 사용될 수 없고, 하드웨어가 현존할 수 없다. 전력 제어 장치의 출력(14)은 그들이 3상인 경우 쌍으로 이루어질 수 없다.

지금부터 모터에 대한 3차원의 제어 라인을 도시한 도 12를 참조하면, 모터의 작동 공간은 y축 상에서 관측된 위상각(5)에 의해 제한된다. 전압의 감소를 도시하는 점호각/듀티 사이클(23)을 x축 상에 도시하고 모터의 퍼센트(percent) 부하(24)를 z축 상에 도시한다.

모든 모터는 모터의 작동 공간 내에서 파라미터에 의한 제어 라인(25)을 따라 작동한다. 예를 들어 주어진 모터에 50%의 부하가 걸리고 점호각/듀티 사이클(23)이 100도로 설정되었을 때, 대략 55도의 위상각이 관측된다.

도 12에 도시된 파라미터에 의한 제어 라인(25)은 상부 좌측 코너에서 부하가 걸린 경우(44)에서 하단 우측 코너의 부하가 걸리지 않은 경우(45)까지의 범위에서 5개의 파라미터에 의한 작동 포인트(26)로 형성된다. 부가적으로, 파라미터에 의한 제어 라인(25)은 모터에 의한 가장 적은 에너지가 사용된 라인이기 때문에 특별한 의미를 가지고 있다. 점호각/듀티 사이클(23)이 증가하고 모터 전압(13)이 감소한다면, 이어서 모터는 감속하고 가능하다면 멈출 것이다. 모터(3)에 대한 부하가 증가한다면 유사한 결과가 확인될 것이다.

도 13에서 설명하고 있는 바와 같이, 파라미터에 의한 제어 라인(25)은 파라미터로 표시될 수 있으며, 종방향이 위상각(5)이고 횡방향이 점호각/듀티 사이클(23)로 설명되는 하나의 평면위에 투영될 수 있다.

부가적으로 도 14에 도시한 것처럼, 파라미터에 의한 제어 라인(25)은 2차원 그래프로 나타날 수 있다. x축에서, 점호각/듀티 사이클(23)의 증가는 모터 전압의 감소와 동일시된다. 이것은 작은 점호각/듀티 사이클이 높은 전압을 초래하고 큰 점호각/듀티 사이클이 낮은 전압을 초래하기 때문이다. 모터 제어기는 현재 모터에 걸리는 부하와 상응하는, 제어 라인(25) 포인트 상에서 관측된 위상각(5)을 구동시킬 것이다. 이를 수행하기 위해, DSP는 전압 및 전류 사이의 위상각(5)을 연산한다.

도 2의 블록 다이어그램으로 다시 돌아가 참조하여 보면, DSP(1)는 현재 실효 전압(13)수치를 기반으로 하는 다음 목표 위상각(5)을 이어서 연산하거나, 점호각/듀티 사이클의 현재 수치를 기반으로 하는 다음 목표 위상각을 대등하게 연산한다. 새로운 제어 목표를 생성하기 위해, 관측된 위상각과 목표 위상각(10)의 차이는 PID 제어기(12) 또는 유사한 장치를 통해 프로세스되는 위상각 에러를 야기 시킨다. 이러한 제어 목표는 상기와 같은 방식으로 전압을 변화시킴으로써 위상각 에러를 최소화하는 것이다. 목표 위상각(10)은 동적이며, 목표 위상각은 점호각/듀티 사이클의 함수에 의해 변화한다.

앞서 서술한 바와 같이, 모터 제어기(4)는 현재 모터(3)에 걸리는 부하와 상응하는, 제어 라인(25)의 포인트 상에서 관측된 위상각(5)을 구동시킬 것이다. 이러한 작동 포인트(26)는 제어 중인 모터(3)에 의해 제어 라인(25)이 직접 조정되기 때문에 최대의 에너지 세이브를 제공한다.

이와 같은 조정 방법은 반자동(semi-automatic) 조정으로 지칭된다. 반자동 조정은 모터의 제어 공간을 스윕(sweep)하는 DSP(1)를 기반으로 한다. 도 15에 도시된 것처럼, 제어 공간의 스윕은 점호각/듀티 사이클(23)이 증가하는 경로를 따르는 별개 포인트의 각각의 위상에 대한 전류(9) 및 점호각/듀티 사이클(23)에 대한 DSP의 기록을 의미한다. 그러므로 이와 같은 방식에 의해 모터의 멈춤(stall)이 시작되는 포인트(21)를 확인할 수 있다. 제어 공간의 스윕은 제어 라인(6)의 포인트를 결정하기 위해 사용되며, 하부 점호각/듀티 사이클(23)에서 제어 공간(7)의 스윕에 의해 확보된 관측된 조정 데이터 곡선의 명확한 선형 부분은 일정한 음의 기울기를 가지고 있다. 이어서 점호각/듀티 사이클(23)이 계속 증가함에 따라, 전류(9)는 편평해지기 시작하고 실제적으로 모터(3)가 “니”(knee; 31)로 지칭되는 미끄러짐 및 멈춤을 시작할 때 증가하기 시작한다.

도 16에 도시된 것처럼, 다음 스윕은 니 상의 “줌인”(zoom in)에서 모터 전압의 더욱 작은 범위로 지향될 수 있다. 모터 제어기(4)는 통계적으로 정확한 데이터를 얻기 위해 복합 스윕을 필요로 한다. 제어 라인(25)을 조정하기 위해 필요한 시간과 스윕의 개수 사이에는 균형이 있다. 조정 퀄리티(quality)의 측정은 종래의 통계 프로세스를 사용하는 DSP(1)에 의해 유지될 수 있으며 필요하다면 부가적인 스윕도 만들어 질 수 있다. DSP(1)는 제1 스윕에 의해 니(31)의 대략적인 위치를 인식하기 때문에 이것은 사실이다.

설정 환경이 제어되기 때문에, 반자동 스윕 도중의 멈춤에는 약간의 위험이 존재한다. 테스트 하에서 기술자 또는 작동자는 반자동 조정의 진행 도중에 모터(3)에 갑작스러운 부하가 적용되지 않도록 확실히 보조한다.

제어 공간을 스윕하는 프로세스는 임의의 고정된 부하에서 실시될 수 있다. 예를 들어, 일단 완벽히 부하가 걸린 모터(3)와 부하가 걸리지 않은 모터(3)가 실시될 수 있다. 이러한 두 개의 포인트는 제어 라인(25)을 형성하는 두 개의 포인트가 된다. 이러한 두 포인트에서 조정이 정확하게 실시될 필요는 없다. 필요하다면 DSP(1)는 이러한 두 포인트 모두를 넘어서서 제어 라인(25)을 연장할 것이다.

전류 모터의 전압(23) 플롯(plot)에서 멈춤 포인트(21)를 발견하기 위해 적용할 수 있는 많은 수치적인 방법이 존재한다. 도 17에 도시된 것과 같은 방법은, 표로 만들어진 제1의 다섯 개 모터 전압(23)에 의해 축적된 데이터에 가장 알맞은 직선 라인을 연산하기 위해 “최소 제곱” 법을 사용한다.

이와 같은 방법의 연속이 도 18에 도시된다. 이전 데이터의 사용에 의해 전류(9)의 수치를 예상할 수 있음이 시사된다. 그래픽적으로 DSP(1)는 예상된 직선 라인으로부터 양의 방향으로 편향된 하나 이상의 포인트에 대해 조사하는 중이다.

도 19에 도시된 것처럼, DSP(1)는 곡선에서 니의 시작을 찾는 중이다. 예상된 제어 라인으로부터 편향된 제1 포인트는 니(31)의 시작일 수도 아닐 수도 있다. 포지티브 에러를 가지고 있는 제1 포인트는 단순히 노이지(noisy)한 데이터 포인트일 수 있다. 제어 공간(7)을 스윕함으로써 확보된 관측된 제어 데이터 곡선이 회전 중임을 확인하는 유일한 방법은 부가적인 스윕으로부터 확보된 데이터를 관측하는 것이다.

반자동 조정이 필드(field)에서 실시될 수 있다. 지금부터 도 20을 참조하여 반자동 조정이 실시되는 방법을 보여주는 순서도를 도시한다. 먼저 모터(3)가 대량의 부하가 걸린 구성(44)에 위치한다. 이러한 구성은 완벽히 평가된 부하의 50%보다 큰 것이 이상적이다. 다음으로 모터 제어기(4)의 조정 버튼(32)은 DSP(1)에 대해 완벽히 부하가 걸린 치수(measurement)의 실시를 명령하기 위해 눌린다. DSP(1)는 완벽히 부하가 걸린 포인트를 결정하기 위해 수 초(second)간의 모터(3) 작동 공간의 조사를 필요로 하는 조정(46)을 실행한다. 모터 제어기(4)는 LED를 작동시킴으로써 이러한 단계가 끝났음을 표시한다.

다음으로 모터(3)는 부하가 걸리지 않은 구성(45)에 위치한다. 이러한 구성은 평가된 부하의 25%보다 적은 것이 이상적이다. 그러면, 모터 제어기(4)의 조정 버튼은 DSP(1)에 대해 부하가 걸리지 않은 치수의 실시(47)를 명령하기 위해 눌린다(32). DSP(1)는 부하가 걸리지 않은 포인트를 결정하기 위해 조정(46)을 실행한다. 모터 제어기(4)는 발광 다이오드(LED)를 작동시킴으로써 제어 라인(25)의 양 단부(47)의 조정이 마무리되었음을 나타낸다. 이어서 DSP가 모터(3)를 조종할 때, DSP(1)는 두 개의 치수를 사용하는 제어 라인(48)을 결정한다. 제어 라인(25)의 수치는 비휘발성 메모리(49)에 저장된다.

도 21은 반자동 조정의 보다 구체적인 순서도를 도시한다. 먼저 모터 제어기가 니(53)를 탐지할 때까지, 모터 제어기가 모터(52)를 측정하는 이전의 스윕이 실행(106)되었었는지 또는 제1 스윕인지에 따라, 임의의 차수(degree; 51)에서 설정된 모터 전압을 갖는 제1 조정 스윕이 실행(46)된다. 만약 니(53)가 탐지된다면, 점호각/듀티 사이클은 두 개의 차수(54)에 의해 감소되고 위상각 및 모터 전압은 메모리(55)에 기록된다. 이러한 과정은 연산된 위상각의 평균 수치(57) 및 점호각/듀티 사이클을 얻기 위해 네 개 이상의 스윕(56)을 확보할 때까지 반복된다. 조정 스윕을 따르는 임의의 단계 도중에 니가 탐지되지 않는다면, 이어서 하나 이상의 차수(58)에 의해 점호각/듀티 사이클이 증가되고 네스트(nest) 단계(59)가 측정된다.

조정을 위한 대안적인 방법이 매뉴얼 조정으로 지칭된다. 도 22는 매뉴얼 조정의 순서도를 도시한다. 먼저 모터가 동력계(70)상에 위치한다. 다음으로 개방 루트 모드 및 임의의 작동 포인트에서 매뉴얼에 의해 설정되는 AC 인덕션 모터의 점호각/듀티 사이클에서 실행될 수 있는 매뉴얼 제어(71)를 위해, 모터가 컴퓨터에 연결된다. 그 다음으로 모터는 완벽히 부하가 걸리지 않은 구성(45)에 위치한다. 그 다음으로 모터가 막 멈추려고 할 때쯤 점호각/듀티 사이클이 증가하고, 모터의 실효 전압은 감소한다(72). 점호각/듀티 사이클 및 위상각이 기록되고, 이것은 조정 포인트의 기록(73)이 된다. 그 다음으로 모터는 구동 인자를 완전히 구동시킨 상태에서 시작된다(74). 그 다음으로 모터는 완전히 부하가 걸린 구성에 위치한다(44). 그 다음으로 점호각/듀티 사이클은 모터가 막 멈추려고 할 때까지 모터의 실효 전압이 모터 제어기에 의해 절단(chop)(75)되어 점호각/듀티 사이클은 증가하거나 감소한다. 점호각/듀티 사이클은 기록되며, 이는 또 다른 조정 포인트 기록(73)이 된다. 마지막으로 두 개의 조정 포인트는 제어 라인(76)을 형성하는데 사용된다.

실효 간선 전압이 프로그램 된 고정 전압보다 더 클 때, DSP제어기는 고정 전압에 모터의 실효 전압을 고정시키며, 그에 의해 완벽히 부하가 걸린 경우에도 에너지 세이브가 가능하다. 예를 들어 단상 모터의 경우, 주(main) 전압이 115V의 모터의 표찰 전압보다 높다면, 모터 전압은 115V로 고정된다. 모터 전압을 고정시키는 이러한 작동은, 단상 또는 3상 적용에서 모터에 완벽히 부하가 걸린 때조차도 모터 제어기가 에너지를 세이브 할 수 있게 한다.

도23은 고정된 전압 클램프(clamp)의 순서도를 도시한다. 먼저 위상 에러가 연산된다(64). 다음으로 전압 에러가 연산된다(65). 그 다음에 AC 인덕션 모터의 모터 실효 전압이 결정되고 고정된 전압 스레스홀드(threshold)와 비교된다(66). 만약 모터의 실효 전압이 고정된 전압 스레스홀드 보다 더 크다면, 이어서 제어 목표가 포지티브인지 아닌지가 결정된다(67). 만약 제어 목표가 포지티브라면 이어서 전압 제어 루프는 실행된다(68). 만약 AC 인덕션 모터의 모터 실효 전압이 고정된 전압 스레스홀드 보다 작다면, 이어서 폐쇄된 제어 라인 루프는 실행되고(69), 전체 프로세스가 반복된다. 만약 제어 목표가 포지티브가 아닌 것으로 결정된다면, 이어서 제어 라인 루프가 실행되고(69) 전체 프로세스는 다시 반복된다.

몇몇 경우에 있어서, 조정 프로세스 동안 모터(3)에 완벽히 부하를 거는 것은 불가능하다. 아마도 50%가 모터가 필드 내에 설치되는 동안 성취할 수 있는 부하보다 더욱 큰 부하일 것이다. 역으로 완벽히 부하가 걸리지 않은 모터도 불가능하며 오직 40%만이 성취될 수 있는 가장 적은 부하이다.

도 24는 작동 범주의 중단(middle) 근처에 존재하는 두 개의 부하 포인트의 예시이다. 제어 라인(25)의 우측인 부하가 걸리지 않은 단부(45)에서 DSP(1)는 최저 전압(35)상에서 전압에 대한 고정 전압 클램프(60)를 설정할 것이다. 모터의 부하가 증가할 때, DSP(1)는 제어 세그먼트(61)의 좌측 상향으로 이동하는 제어라인을 따를 것이다. 이러한 실시예는 역으로 접근 가능하며, 조정되지 않은 공간에서의 실행으로부터 모터(3)를 보호한다.

부가적으로 도 25에 도시된 바와 같이, 좌측에서 완벽히 부하가 걸린 단부(44)상의 DSP(1)는 큰 음의 기울기를 가지고 제어 세그먼트(61)를 합성할 것이다. 이러한 실시예는 역으로 접근 가능하며, 최대 작동 상태의 전압을 구동시킨다.

지금부터 도 26을 참조하면, 모터 제어기를 기반으로 하는 DSP는 멈춤으로부터 모터를 보호하기 위하여 특별한 기술을 사용한다. 먼저, DSP는 모터에 증가된 부하를 표시하는 전류(99)의 의미있는 증가에 대해 적극적으로 모니터한다. 다음으로, 의미있는 증가(100)가 관측된다면 이어서 DSP는 모터 전압을 최대로 변환시킨다(101). 다음으로 DSP는 모터 전압을 감소시켜 제어로 복귀하도록(102) 시도할 것이며, DSP는 전류(99)의 의미있는 증가에 대한 적극적인 모니터링으로 복귀한다. 이러한 기술은 역으로 적용될 수 있으며, 특정 시간에 알려지지 않은 필요 전력의 추적을 시도하는 DSP에 대한 확실한 대안책이다.

멈춤 완화 기술의 그래프인 도 27에 부가적으로 도시된 것처럼, 모터의 부하는 x축상에 나타나고 시간은 y축상에 나타난다. 최하단 라인(103)은 모터의 부하를 나타내고 최상단 라인(104)은 DSP에 의해 모터에 공급되는 전력을 나타낸다. 포인트 a(105)이전에, DSP는 고정된 부하의 모터를 동적으로 제어하는 중이다. 포인트 a(105) 및 포인트 b(30) 사이에서 모터의 부하는 갑자기 증가하고 DSP는 모터 전압을 최대로 변환시킨다. DSP는 모터 전압을 포인트 c(34)에서 포인트 d(43)로 감소시킨다.

도 28에서 펌프 잭(30’)은 유정(W)에 인접한 지상에 위치한다. 원동기 또는 모터(6’)는 구동 벨트(18’)에 의해 기어 시스템 또는 트랜스미션(8’)을 구동시킨다. 모터(6’)는 전력 공급을 위해 전기적 모터 유틸리티 그리드와 연결될 수 있다. 평형추 암(arm) 및 크랭크 암(10’)의 일측 단부는 기어 시스템(8’)에 배치되고, 평형추 암(10’)의 다른측 단부는 평형추 또는 회전식 매스(12’)에 배치된다. 두 개의 평형추 암 사이에 배치된 평형추(12’)와 함께 두 개의 평형추 암(10’)이 존재함이 바람직하다. 레버 또는 작동 빔(2’)은 샘프손 포스트 또는 A-프레임(14’)을 중심으로 피봇한다. 피트맨 암(pitman arm) 또는 빔 암(16’)의 일측 단부는 빔(2’)의 일측 단부에 회전식으로 부착되고 빔 암(16’)의 다른측 단부는 회전 매스(12’) 및 평형추 암(10’)의 단부에 회전식으로 부착된다. 빔의 돌출부 또는 헤드(4’)는 유정(W)에 인접한 빔(2’)의 단부에 배치된다. 지금부터 이해할 수 있는 바와 같이, 펌프 잭(30’)은 기존의 설계를 가진다.

케이블(20’)의 일측 단부는 빔 헤드(4’)에 부착되고, 케이블(20’)의 나머지 단부는 폴리쉬(polish)된 로드 또는 로드(22’)에 부착된다. 로드(22’)는 사실상 종적으로, 하향관 펌프(28’)에 제작된 배관을 통해 유정(W)까지 이어진 배관형 스트링 또는 흡입관 로드(26’)에 배치된다. 배관형 스트링은 유정에서 유체를 승강 또는 펌핑 시키는데 보조할 수 있는 펌프 잭 또는 다른 유사 장치에 사용된 흡입관 로드, 파이프, 배관 또는 다른 구성요소를 포함한다. 모터(6’)는 수평축을 중심으로 평형추 암(10’)의 단부를 회전시킴으로써 펌프 잭(30’)을 구동시킬 수 있다. 평형추(12’)가 상향 이동함에 따라, 빔(2’)은 A-프레임(14’)에서 수평축을 중심으로 피봇하고 빔 헤드(4’)를 하향 이동시킨다. 평형추(12’)가 그것의 최고점을 지나 이동할 때, 중력 및 평형추의 모멘텀에 의해 평형추는 하향 자유낙하하게 되고, 빔(2’)은 A-프레임(14’)을 중심으로 피봇하고, 빔 헤드(4’)를 상향 이동 시킨다. 빔 헤드(4’)에 의한 배관형 스트링(26’)의 푸싱(pushing) 및 풀링(pulling)에 의해 하향공 펌프(28’)에서 피스톤이 작동한다. 배관형 스트링(26’)은 유정(W)내에서 사실상 수직으로 왕복 이동한다.

모터(6’)는 보통 에너지 소비 모드에 있다. 그러나 매스(평형추(12’) 또는 로드 또는 배관형 스트링(26’))이 자유 낙하함으로써 생성되는 전류에 의해, 속도가 제한되는 곳에서 모터의 동위(synchronous) 속도를 넘어서 모터(6’)를 가속시킴으로써, 모터(6’)는 에너지 생성 모드에 있을 수 있다. 비록 예시적이고 기존의 펌프 잭(30’)이 도 28에 도시되어 있지만, 이와 같은 설계로 제한하는 것은 아니며 Lufkin MarkΠ설계, 빔 평형식(beam-balanced) 설계, 기존의 이동식 설계를 포함하는 모든 펌프 잭 설계는 본 발명의 실시예와 함께 사용될 수 있는 것으로 예상된다. 비록 상기 실시예가 펌프 잭과 함께 도시되었지만, 회전식 또는 왕복식 매스를 가지고 있는 어떤 장치도 모든 실시예에서 사용될 수 있는 것으로 예상된다.

다시 도 29로 돌아오면, 수직축(32’)이 관측된 위상각이고 수평축(34’)이 시간인 플롯(plot; 36’)이 도 28의 모터(6’) 및 펌프 잭(30’)과 같은 펌프 잭에 부착된 개루프 모드의 전기 모터에 대해 도시한다. 앞으로 도 30 내지 도 32d에서 도시되는 본 발명의 실시예는 전기 모터에 부착되지 않았고; 그에 따라, 모터는 개루프 모드에 있게 된다. 제2 수평축(40’)은 수직축(32’)상의 90도로 관측된 위상각에 그어진다. 플롯(36’)이 90도로 관측된 위상각을 초과하였을 때, 플롯은 제2 수평선(40’)의 위쪽의 플롯의 제1 세그먼트(42’)에서 이동하며, 그렇다면 모터는 에너지 생성모드에 있게 된다. 에너지소비 모드보다 오히려 모터가 에너지를 생성하고 있는 중인 이런 순간에, 전류는 90도를 초과하는 위상각을 통해 전압을 늦춘다. 전력을 생성하는 동안 위상각이 크면 클수록, 생성되는 전력도 더욱 커진다. 모터는 제1 수평선(38’) 아래에 있는 플롯의 제2 세그먼트(44’)에서 대량의 에너지 소비모드에 있게 된다. 제1 수평선(38’)은 수직축(32’)상의 90도보다 적은 목표 위상각으로 접근한다. 목표 위상각은 앞으로 도 30 및 도 31에 의해 구체적으로 논의된다.

도 30은 도 28의 펌프 잭(30’)과 같은 펌프 잭에 연결될 수 있는 도 28의 모터(6’)와 같은 전기 모터(62’)에 연결된 폐루프 모드의 제어기(50’)를 개략적으로 도시한다. 도 30에서 다른 펌프 잭 설계 또한 사용할 수 있는 것으로 예상된다. 모터 제어기(50’)는 PID제어기일 수 있다. 그러나 다른 폐루프 모터 제어기 또한 예상 가능하다. 비록 모터 제어기를 기반으로 하는 다른 타입의 DSP도 예상될 수 있지만, 도 1 및 도 2의 모터 제어기를 기반으로 하는 디지털 신호 프로세서(DSP)도 예상된다. 폐루프 모터 제어기(50’)를 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같은 방식으로 모터(6’, 62’)에 연결할 수 있다. 제어기를 기반으로 하는 마이크로 프로세서도 예상된다. 일실시 예에서, 폐루프 제어 시스템은 구성요소로서 PID제어기를 가질 수 있다. 폐루프 제어 시스템 또는 서보(servo) 시스템(48’)의 제어기(50’)는 모터(62’)에 의해 공급된 전류 및 전압에 의해 관측된 위상각을 연산(52’)할 수 있다.

유리하게도, 모터(6’, 62’), 펌프 잭(30’) 또는 하향공 펌프(28’)에 센서가 위치할 필요는 없다. 부가적으로, 폐루프 시스템(48’)은 독립적인 하향공 펌프(28’) 각각에 적합하고, 이와 같은 사항에 제한되는 것은 아니지만 부피, 밀도, 점성, 무게 그리고 가스, 기름, 물, 및 슬러리(slurry)와 같은 재료 및/또는 펌프 물질의 다른 특성의 변화를 포함하는, 펌프(28’) 및 유정(W)의 파라미터 및 필요조건의 시간이 지남에 따르는 변화에 적합하다. 시스템(48’)을 통해 모니터한 전압 및 전류는 시스템이 유정 파라미터의 변화에 적합할 수 있도록 유정 상태의 표시기로서 기능한다. 실질적으로 지속적인 근거에 의해 전류 및 전압을 모니터함으로써 실질적으로 유정 상태의 지속적인 판독이 가능하다. 또한, 폐루프 시스템(48’)은 펌프 잭 시스템의 현재 구성요소를 다른 특성을 가지고 있는 다른 구성요소로 대체할 때 적합하며, 예를 들어 구성요소의 대체 후에 기계 시스템의 평형을 다시 맞추어야 하는 다른 매스를 가지고 있는 다른 배관형 스트링으로 기존 배관형 스트링을 대체하거나 다른 크기를 가지고 있는 평형추로 기존의 평형추를 대체할 때 폐루프 시스템이 적합하다. 기계 장치의 평형을 다시 조정한 후에, 본 발명의 실시 예는 에너지 세이브를 다시 시작할 수 있다.

제어기(50’) 내에서 목표 위상각(58’)의 입력은 연산된 관측 위상각(52’) 그리고 에러(60’) 또는 제어기(50’)에 의해 결정되는 두 수치 사이의 차이와 비교할 수 있다. 목표 위상각(58’)이 사실상 90도이거나 또는 목표 위상각(58’)이 90도보다 작을 수 있음은 예상된다. 설치시에 사용 중인 모터에 대해 최적의 결과를 발생시킬 수 있는 목표 위상각(58’)이 선택될 수 있다. 다른 일정한 목표 위상각(58’) 또한 예상될 수 있지만, 모터의 부하에 대한 모든 목표 위상각(58’)이 65도인 경우와 같이 목표 위상각은 일정할 수 있다. 또한 어떤 순간이든 목표 위상각(58’)은 모터에 대한 부하의 다양한 함수일 수 있다. 목표 위상각(58’)의 설정은 모든 부하에 대한 모터의 필요조건을 지속적으로 충족시킬 수 있는 충분한 전력이 공급되는 동안에, 관측을 위한 충분한 전류 흐름을 언제나 유지시킬 수 있는 가장 낮은 목표 위상각일 수 있다.

모터 제어기(50’)는 에러 신호(60’)를 기반으로 하여 모터(62’)에 공급되는 공급 전압(54’)을 제어 할 수 있다. 개루프의 에너지 생성 모드 단계와 같이 관측된 위상각이 너무 커서 에러(60’)가 의미 있을 때, 관측된 위상각(52’)을 목표 위상각(58’)으로 감소시키는 것과 같이 제어기(50’)는 모터(62’)에 공급하는 전압을 낮은 수치로 감소시킬 수 있다. 대량의 에너지 소비 모드 중인 경우와 같이, 관측된 위상각(52’)이 너무 작아서 에러(60’)가 의미 있을 때, 제어기(50’)는 관측된 위상각(52’)을 목표 위상각(58’)으로 이동시키고자 모터(62’)에 높은 수치로 공급 전압(54’)을 증가시킬 수 있다. 이러한 폐루프 시스템(48’)에서, 전압 및 전류를 계속적으로 모니터 할 수 있으며, 모터 제어기(50’)로 제어할 수 있다. 또한 공급 전압(54’)은 도 2에 도시된 TRIACs, SCRs, IGBTs 또는 MOSFETs와 같은 전력 제어 장치의 사용에 의해 제어할 수 있음이 예상된다. 또한 제어기(50’)는 앞으로 도 32 내지 도 32d에서 상세히 논의하게 될 공급 전압을 제어하기 위한 타이머 및 펄스폭 변조 기술(PWM)을 사용한다. 다른 기술 또한 예상된다.

도 30으로 다시 돌아오면, 제어기(50’)는 모터(62’)의 제로 크로싱 포인트를 캡쳐하기 위해 각 위상의 전압 및 전류를 판독한다. 미국 공개 공보 번호가 2009/0046490인 미국 공개 공보의 도 5 및 도 6은 예상된 수단을 결정하도록 볼츠(volts) 제로 크로싱 포인트 각각의 오실로그램(oscillogram) 및 전기 회로 다이어그램을 제시한다. 수단을 결정하는 볼츠 제로 크로싱 포인트의 다른 타입 또한 예상된다. 도 2에 도시된 것처럼, 모니터링 및/또는 제어 목적을 위해 전압 및 전류는 하나 이상의 디지털 변환기를 사용하여 아날로그에서 디지털로 변환될 수 있다. 제어기(50’)는 관측된 위상각을 산출하기 위해 모터의 위상각 연산(52’)을 실시할 수 있다. 제어기(50’)는 관측된 위상각(52’)을 목표 위상각(58’)과 비교할 수 있으며 그에 대한 응답으로 모터의 공급 전압(54’)을 제어할 수 있다. 하나 이상의 위상에서 위상각을 모니터 할 수 있다. 제어기(50’)는 자동 위상 회전의 결정을 위해 사용될 수 있다. 예상되는 위상의 지지 수단 및 위상 회전의 결정 수단의 전기 회로 다이어그램은 복합된 위상의 작동이 사용되는 곳인 미국 공개 공보 번호가 2009/0046490인 미국 공개 공보의 도 7에 제시된다.

더하여 위상에서 위상까지 또는 위상에서 중립까지 전압을 모니터 할 수 있음을 예상할 수 있다. 예상되는 실질적인 중립 회로의 개략도가 도 10이다. 다른 실질적인 중립 회로 또한 예상된다. 3상 전력이 오직 델타 모드에서 이용 가능하고, 기준으로 사용하기 위한 중립이 현재 존재하지 않는 상황에서 실질적인 중립 전기 회로가 기준으로 사용될 수 있다. 윈도우 비교기도 각각 포지티브 및 네거티브인 절반의 전류 파형에서 모두 제로 크로싱을 탐지하기 위해 사용될 수 있다. 윈도우 비교기는 도 7 및 도 8에 있다. 다른 윈도우 비교기 또한 예상된다. 미국 공개 공보 번호가 2009/0046490인 미국 공개 공보의 도 8, 도 9 및 도 10은 예상되는 수단을 확인하기 위해 전기 회로 다이어그램 및 오실로그램 각각의 하프 사이클을 제시한다.

다시 도 31로 돌아오면, 폐루프 모드의 도 28의 모터(6’) 및 펌프 잭(30’)과 같은 펌프 잭에 부착된 전기 모터에서 수직축(32’)이 관측된 위상각이고 수평축(34’)이 시간인 플롯(64’)을 도시한다. 도 29에서와 같이, 수평축(38’)에는 90도보다 작은 목표 위상각이 존재한다. 도 29와는 달리, 도 30에서 도시한 바와 같이 모터에 배치된 폐루프 시스템(48’)에 의해 도 31에 도시되는 전기 모터의 출력이 존재한다. 도 31에서, 플롯의 제1 세그먼트(70’)는 개루프 모드의 관측된 위상각이 목표 위상각을 초과하는 곳이다. 그러나 폐루프 모드에서 플롯의 제1 세그먼트(70’)의 에러 신호(60’)는 목표 위상각(38’)을 유지시키기 위해 제어기(50’)에 의해 모터에 대한 공급 전압(54’)을 감소시키도록 제어 작용력을 발생시킨다. 도 30의 개루프 모드에서 관측된 위상각이 90도를 초과할 때, 관측된 위상각의 큰 수치는 에러 신호(60’)의 큰 수치를 발생시킨다.

플롯의 제1 세그먼트(70’) 중에, 모터는 PWM기술을 사용하여 실질적으로 모터에 전력을 중단시키지 않고도 효과적으로 턴 오프된다. 이와 같은 시간동안 후속하는 전류가 모터 내에서 여전히 존재하며, 이는 에너지 소비 모드 동안 모터가 필요로 하는 공급 전압을 증가시켜야 할 시기를 제어기(50’)가 인지할 수 있게 한다. 전류의 유효 성분은 실질적으로 0으로 감소할 수 있고, 0보다 큰 무효 성분을 남긴다. 전압이 감소 중인 때, 몇몇 전류의 흐름을 허용함으로써, 반응 특성, 관측 가능한 피드백 파라미터의 대부분이 제공되며, 이는 폐루프 시스템(48’)에서 제어기(50’)가 반응할 수 있는 부하 상태의 표시로서, 에너지 소비의 위상에서 전력을 필요로 할 때 공급하기 위해 사용된다.

전류는 반응 특성이기 때문에, 오직 잔류 전력만이 표면상의 특성이다. 전류 흐름에 의해 제어기는 전류와 전압 사이에서 위상각을 계속 관측할 수 있다. 도 29에서 도시한 바와 같이 개루프 모드에서 관측된 위상각이 90도보다 큰 최대 수치일 때, 도 31에서 모터 전압의 최대 감소는 대략 플롯의 제1 위치(66’)에서 발생한다.

폐루프 모드에서 관측된 위상각이 목표 위상각을 초과할 때, 관측된 위상각이 목표 위상각에 도달할 때까지, PWM기술은 전압 공급을 감소시킬 수 있다. 도 31의 플롯의 제1 세그먼트의 시작점에서, 모터 제어기(50’)는 개루프 모드에서 관측된 위상각을 목표 위상각 밑으로 감소시킨다. 그 후에 제어기(50’)는 관측된 위상각을 목표 위상각으로 실질적으로 유지시킨다. 목표 위상각 밑으로 관측된 위상각에서 임의의 부가적인 감소는 부하의 증가로 해석될 수 있으며, 이러한 증가에 대해 제어기(50’)는 목표 위상각에 일단 다시 도달할 때까지, 전압 공급(54’)을 증가시키도록 응답할 수 있다. 관측된 위상각이 목표 위상각 밑으로 떨어질 때, 플롯의 제2 위치(68’)에서 모터에 공급되는 전압의 최대 증가가 발생한다. 모터가 평형추 또는 왕복식 매스를 구동시킬 때, 모터에 공급되는 전압을 증가시키는 제어기(50’)의 제어 작용력을 발생시키기 위해 에러 신호를 발생시키는 관측된 위상각의 수치는 목표 위상각보다 통상적으로 작을 것이다. 제1 평행선(38’) 밑의 플롯의 제2 세그먼트(44’)에서, 모터는 대량의 에너지 소비 모드에 있다.

도 32로 돌아오면 비록 3상 전압 또한 예상할 수 있지만, 단상 유입 라인의 전압 파형 플롯(200)이 도시된다. 도 32a에서, PWM기술은 전압의 파형 플롯의 세그먼트(202)를 남기면서, 전압의 파형 플롯의 세그먼트(204)를 제거하거나 절단하기 위해 사용되었다. 도 32a는 전압 파형의 큰 세그먼트(204)가 절단된 공급 전압의 대량의 절단을 설명한다. 도 32b는 PWM기술에 의해 약간 절단된 전압의 파형을 도시하며, 절단된 전압의 파형 플롯의 세그먼트(206)는 도 32a에 도시된 절단된 세그먼트(204)보다 더 작다. 도 32b에 남겨진 파형 플롯의 세그먼트(208)는 도 32a에 남겨진 파형 플롯의 세그먼트(202)보다 더 크다.

도 32a의 개루프의 에너지 생성 모드가 발생하는 기간 동안, 도 31의 플롯의 제1 위치(66’)와 같은 곳에서 대량의 절단이 발생한다. 도 32d의 대량의 절단 단계(210A)가 플롯의 세그먼트(210)에 도시된다. 도 32a에 도시된 전압의 감소는 0보다 큰 무효 성분을 남기는 반면, 실질적으로 전류의 유효 성분을 0으로 감소시킨다. 이것은 위상각을 관측할 수 있는 충분한 전류를 여전히 남기면서 모터를 효과적으로 정지시키는 단계이다.

도 31에서 발생한 것과 같이 모터가 플롯의 제2 세그먼트(44’)에서 대량의 에너지 소비 모드에 있을 때, 실질적으로 전압 파형의 세그먼트는 제거되지 않고, 모터에 공급되는 전압은 도 32와 같이 실질적으로 존재한다. 도 32d에서 플롯 세그먼트(212)의 어느 단계에서도 절단이 발생되지 않는다(212a).

도 32d의 플롯의 위치(226, 228)에서 DSP 제어기는 제어 모드에 있다. 이와 같은 단계 중에, 모터는 대량의 에너지 소비 모드가 아니며, 개루프의 에너지 생성 모드가 발생중인 단계가 아니다. 제어 모드에서 모터 전압을 제어하기 위해, 도 32b에 도시된 것처럼 약간의 절단(226A)이 발생될 수 있으며 또는 도 32c에 도시된 것처럼 다양한 절단이 발생될 수 있다. 이러한 절단은 모터가 여전히 에너지를 소비하는 동안, 에너지를 세이브하는 약간의 부하가 모터에 걸린 때 발생할 수 있다. 도 32c에서 모터 전압을 제어하기 위한 다양한 크기의 파형 플롯의 세그먼트(214, 216, 218, 220, 222, 224)를 절단하기 위해 다양한 절단은 PWM를 사용한다. 모두 다른 크기의 전압의 파형 플롯의 세그먼트가 남겨짐에 따라, 도 32c의 절단된 전압의 파형 플롯의 세그먼트(214, 216, 218, 220, 222, 224)의 크기 또한 모두 다를 수 있다.

모터 제어기가 모터에 공급되는 전압의 관측된 위상각을 목표 위상각으로 제어하기 위해 약간의 절단, 대량의 절단, 다양한 절단 또는 절단 없는 세그먼트의 임의의 조합 또는 치환을 사용할 수 있음은 이해되어야 한다. 디지털 신호 프로세서(DSP) 또는 모터 제어기는 관측된 위상각이 실질적으로 일정하게 유지되도록 시도하며, 그와 같은 유지를 위해 필요한 양을 절단할 것이다. DSP는 관측된 위상각을 기반으로 하는 모터 전압을 제어한다. 공급된 전압의 절단양은 다양할 수 있다.

개루프를 실행시키는 전기 모터가 에너지 생성 모드에 있을 때, 유틸리티 그리드에 의해 제공되는 부하는 모터상에서 브레이크로 효율적으로 작동하며, 그에 의해 모터의 속도를 제한한다. 이것은 유틸리티에 의해 제공된 전압을 초과하도록 시도하는 전압 생성 때문에 발생하며, 생성된 전압에 의해 반대 방향으로 흐르도록 제공된 전류를 일으킨다. 폐루프 제어 시스템 및 방법이 도 30 내지 도 32d에 도시된 것처럼 적용되고, 이러한 브레이크 작용은 효과적으로 축소 또는 제거될 수 있으며, 모터 및 시스템의 속도는 이와 같은 시간 동안 통상적으로 증가한다. 시스템에 저장되는 이러한 부가적인 운동 에너지는 모터의 에너지 소비 없이 펌핑 작용의 일부를 실시하는데 사용될 것이다. 에너지 생성의 축소 또는 실질적인 방지는 펌핑 사이클의 나머지 부분의 에너지 소비의 필요성을 없앨 것이며, 이로 인해 에너지가 세이브 된다.

지금까지 이해된 바와 같이, 모터에 공급되는 전기 전력은 개루프에서 발생하는 전기 생성 모드 중에 “효율적으로” 턴 오프 되는 반면, 관측된 위상각이 감소중일 때 전기 모터를 언제 다시 턴 온 시킬지를 결정하는 전류 및 전압의 피드백 신호는 유지된다. 이와 같은 시스템 및 방법은 유정 내에서 과거에는 적합하지 않았던 변화하는 파라미터에 항상 적합할 것이다. 예를 들어, 상기 모터 및 시스템은 다른 시간에 다른 밀도 또는 무게를 가지고 있는 두 가지 이상의 유체를 펌핑에 적합할 수 있다. 시스템을 통해 모니터하는 전압 및 전류는 시스템이 유정 파라미터의 변화에 적합할 수 있도록 유정 상태의 표시기로서 기능한다. 에너지 생성 모드로 진입하지 않고도 개루프의 에너지 생성 모드에 의해 발생되는 브레이크 작용은 축소되거나 제거될 수 있으며, 따라서 본 시스템에서 속도 상승의 이점이 확보된다. 시스템에 의해 소비되지 않는다면 축소되거나 제거될 에너지에 의해, 생성 모드일 때 모터로의 전압 공급을 감소시키거나 모터의 브레이크 작용을 축소 또는 제거함으로써 에너지가 세이브될 수 있다.

전기 모터의 모든 타입 및 설계를 이와 같은 것으로 제한하는 것은 아니지만, AC 인덕션 모터 및 AC 동기식 모터를 포함하는 상기 기재된 발명의 다른 실시예에 의한 사용도 예상할 수 있다. 펌프 잭의 모든 타입 및 설계를 이와 같은 것으로 제한하는 것은 아니지만 모든 기존의 설계, Lufkin MarkΠ설계, 빔 평형식 설계, 기존의 이동식 설계를 포함하는 상기 기재된 발명의 다른 실시예에 의한 사용도 예상할 수 있다. 비록 펌프 잭에 의해 본 실시예가 도시되었지만, 상기 기재된 모든 실시예가 회전식 또는 왕복식 매스를 가지고 있는 어떤 장치와도 사용될 수 있음 또한 예상할 수 있다. 비록 단상 전압 및 전류에 의해 본 실시예 중 몇몇이 도시되었지만, 본 발명의 모든 실시예는 단상 또는 복합적인 위상의 전압 및 전류에 대해서도 예상할 수 있다.

본 발명에 대하여 전술한 개시 및 서술은 본 발명의 설명 및 예시에 지나지 않으며, 서술된 장치 및 시스템의 세부사항에 있어서 다양한 변화 그리고 작동 구성 및 방법은 본 발명의 범주 내에 있다.

Claims

전기 모터를 위한 에너지를 세이브하는(saving) 방법으로서:
상기 전기 모터에 전압 및 전류를 공급하는 단계;
상기 전기 모터에 공급되는 전압과 전류 사이의 위상각을 관측하는(observing) 단계;
상기 전기 모터 상에 위치된 부하 상태들에 상응하는 복수의 목표 위상각을 가진 제어 라인을 확보하는(obtaining) 단계;
상기 관측된 위상각을 상기 제어 라인으로부터 확보된 상응하는 목표 위상각과 비교하는 단계;
상기 관측된 위상각이 상기 목표 위상각보다 클 때, 상기 전기 모터에 공급되는 전압을 감소시키는 단계;
제1 시점에 제1 유체를 펌핑하는 것과 연관된 제1 부하 상태 하에서 상기 전기 모터의 작동을 탐지하는 단계; 및
상기 제1 부하 상태 하에서 작동하는 때에 상기 관측된 위상각이 상기 상응하는 목표 위상각보다 큰 경우 상기 전기 모터에 공급되는 전압을 감소시키는 단계;를 포함하는,
전기 모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법.
제1 항에 있어서,
상기 전류는 유효 성분(real component) 및 무효 성분(reactive component)을 포함하며,
상기 전기 모터에 공급되는 전압을 감소시키는 단계는, 상기 전류의 무효 성분이 0보다 큰 동안 상기 전류의 유효 성분을 실질적으로 0으로 감소시키는 것을 포함하는,
전기 모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법.
제2 항에 있어서,
상기 전류의 무효 성분은 상기 위상각을 관측하기 위하여 0보다 큰,
전기 모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법.
제1 항에 있어서,
상기 전기 모터에 의해 펌프 잭의 평형추를 회전시키는 단계; 및
상기 회전하는 펌프 잭의 평형추에 결합된 상기 전기 모터의 브레이크 작용을 감소시키기 위하여 에너지 생성 모드 동안 상기 전기 모터에 공급되는 전압을 턴 오프시키는 단계를 더 포함하는,
전기 모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법.
제4 항에 있어서,
상기 펌프 잭에 연결된 배관형 스트링을 실질적으로 수직 방향으로 이동시키도록 하는 단계 및 상기 배관형 스트링을 왕복시키는 동안 상기 전기 모터 상에서의 브레이크 작용을 감소시키기 위하여 상기 에너지 생성 모드 동안 상기 전기 모터에 공급되는 전압을 턴 오프시키는 단계를 더 포함하는,
전기 모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법.
제1 항에 있어서,
상기 전기 모터 상에서의 브레이크 작용을 감소시키기 위하여 에너지 생성 모드 동안 상기 전기 모터에 공급되는 전압을 턴 오프시키는 단계를 더 포함하는,
전기 모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법.
제1 항에 있어서,
제2 시점에 제2 유체를 펌핑하는 것과 연관된 제2 부하 상태 하에서 상기 전기 모터의 작동을 탐지하는 단계; 및
상기 제2 부하 상태 하에서 작동하는 때에 상기 관측된 위상각이 상기 상응하는 목표 위상각보다 큰 경우 상기 전기 모터에 공급되는 전압을 감소시키는 단계;를 더 포함하는,
전기 모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법.
제1 항에 있어서,
상기 관측된 위상각을 상기 상응하는 목표 위상각으로 실질적으로 유지시키는 단계를 더 포함하는,
전기 모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법.
제8 항에 있어서,
상기 관측된 위상각이 상기 상응하는 목표 위상각보다 작을 때 상기 전기 모터에 공급되는 전압을 증가시키는 단계를 더 포함하는,
전기 모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법.
제1 항에 있어서,
상기 목표 위상각이 상기 전기 모터에 가해지는 모든 부하에 대해 일정하게 유지되는,
전기 모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법.
제1 항에 있어서,
상기 목표 위상각은 부하의 가변 함수에 따라 조정되고, 상기 목표 위상각이 임의의 순간에 상기 전기 모터에 공급되는,
전기 모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법.
제1 항에 있어서,
상기 비교하는 단계가, 상기 전기 모터와 전기적으로 연결되는 폐루프의 모터 제어기에 의해 실시되는,
전기 모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법.
전기 모터에 공급되는 에너지를 세이브하는 시스템으로서,
상기 전기 모터와 전기적으로 연결된 폐루프 제어기를 포함하고,
상기 폐루프 제어기는,
상기 전기 모터에 공급되는 전압과 전류 사이의 위상각을 관측하고;
상기 전기 모터 상에 위치된 부하 상태들에 상응하는 복수의 목표 위상각을 가진 제어 라인을 확보하며;
상기 관측된 위상각을 상기 제어 라인으로부터 확보된 상응하는 목표 위상각과 비교하고;
상기 관측된 위상각이 상기 목표 위상각보다 클 때, 상기 전기 모터에 공급되는 전압을 감소시키고; 그리고
상기 전기 모터 상에서의 브레이크 작용을 감소시키기 위하여 에너지 생성 모드 동안 상기 전기 모터에 공급되는 전압을 턴 오프시키도록,
실행가능한 명령들을 가진 프로세서를 구비한,
전기 모터에 공급되는 에너지를 세이브하는 시스템.
모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법으로서,
상기 모터에 전압 및 전류를 공급하는 단계로서, 상기 전류는 유효 성분 및 무효 성분을 갖는, 모터에 전압 및 전류를 공급하는 단계;
상기 모터에 공급되는 전압과 전류 사이의 위상각을 관측하는 단계;
상기 모터 상에 위치된 부하 상태들에 상응하는 복수의 목표 위상각을 가진 제어 라인을 확보하는 단계;
상기 관측된 위상각을 상기 제어 라인으로부터 확보된 상응하는 목표 위상각과 비교하는 단계;
상기 관측된 위상각이 상기 상응하는 목표 위상각보다 클 때 상기 모터에 공급되는 전압을 감소시키고, 상기 전류의 무효 성분을 0보다 큰 수치로 유지시키는 동안 상기 전류의 유효 성분을 실질적으로 0으로 감소시키는 단계; 및
상기 모터 상에서의 브레이크 작용을 감소시키기 위하여 에너지 생성 모드 동안 상기 모터에 공급되는 전압을 턴 오프시키는 단계;를 포함하는,
모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법.
제14 항에 있어서,
상기 전류의 무효 성분이 상기 위상각을 관측하기 위하여 0보다 큰 수치로 유지되는,
모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법.
제14 항에 있어서,
펌프 잭에 연결된 배관형 스트링을 실질적으로 수직 방향으로 이동시키도록 하는 단계 및 상기 배관형 스트링을 왕복시키는 동안 상기 모터 상에서의 브레이크 작용을 감소시키기 위하여 에너지 생성 모드 동안 상기 모터에 공급되는 전압을 턴 오프시키는 단계를 더 포함하는,
모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법.
전기 모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법으로서:
상기 전기 모터에 전압 및 전류를 공급하는 단계;
상기 모터에 공급되는 전압과 전류 사이의 위상각을 관측하는 단계;
상기 전기 모터 상에 위치된 부하 상태들에 상응하는 복수의 목표 위상각을 가진 제어 라인을 확보하는 단계;
상기 관측된 위상각을 상기 제어 라인으로부터 확보된 상응하는 목표 위상각과 비교하는 단계;
상기 관측된 위상각이 상기 목표 위상각보다 클 때, 상기 전기 모터에 공급되는 전압을 감소시키는 단계; 및
상기 전기 모터 상에서의 브레이크 작용을 감소시키기 위하여 에너지 생성 모드 동안 상기 전기 모터에 공급되는 전압을 턴 오프시키는 단계;를 포함하는,
전기 모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법.
제17 항에 있어서,
상기 전류는 유효 성분 및 무효 성분을 가지고 있으며,
상기 전기 모터에 공급되는 전압을 감소시키는 단계는, 상기 전류의 무효 성분을 0보다 크게 유지시키는 동안 상기 전류의 유효 성분을 실질적으로 0으로 감소시키는 것을 포함하는,
전기 모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법.
전기 모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법으로서,
상기 전기 모터에 전압 및 전류를 공급하는 단계;
상기 전기 모터를 폐루프 제어기로 제어하는 단계;
상기 전기 모터 상에 위치된 부하 상태들에 상응하는 복수의 목표 위상각을 가진 제어 라인을 확보하는 단계;
상기 폐루프 제어기로 상기 전기 모터에 공급되는 전압을 감소시키는 단계로서, 상기 전기 모터의 관측된 위상각을 상기 제어 라인으로부터 확보된 상응하는 목표 위상각으로 구동하도록 상기 폐루프 제어기가 상기 공급되는 전압을 감소시키는, 폐루프 제어기로 전기 모터에 공급되는 전압을 감소시키는 단계; 및
상기 전기 모터 상에서의 브레이크 작용을 감소시키기 위하여 에너지 생성 모드 동안 상기 전기 모터에 공급되는 전압을 턴 오프시키는 단계;를 포함하는,
전기 모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법.
제19 항에 있어서,
상기 전류는 유효 성분 및 무효 성분을 포함하고,
상기 폐루프 제어기는, 상기 전류의 무효 성분을 0보다 크게 유지시키는 동안 상기 전류의 유효 성분을 실질적으로 0이 되도록 제어함으로써 상기 전기 모터 상에서의 브레이크 작용을 감소시키기 위하여 상기 에너지 생성 모드 동안 상기 전기 모터에 공급되는 전압을 턴 오프시키는,
전기 모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법.
제19 항에 있어서,
상기 전류는 유효 성분 및 무효 성분을 포함하고,
상기 폐루프 제어기는 상기 전류의 무효 성분을 0보다 크게 유지시키는 동안 상기 전류의 유효 성분을 실질적으로 0으로 감소시키기 위하여 상기 에너지 생성 모드 동안 상기 전기 모터에 공급되는 전압을 턴 오프시키는,
전기 모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법.
제19 항에 있어서,
상기 전기 모터에 공급되는 전압과 전류 사이의 위상각을 관측하는 단계; 및
상기 전기 모터에 공급되는 전압과 전류 사이의 상응하는 목표 위상각을 유지시키는 단계;를 더 포함하는,
전기 모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법.
제22 항에 있어서,
상기 관측된 위상각이 상기 상응하는 목표 위상각보다 더 작을 때, 상기 전기 모터에 공급되는 전압을 증가시키는 단계를 더 포함하는,
전기 모터를 위한 에너지를 세이브하는 방법.