KR101835479B1 - 회전 또는 왕복운동 질량체들을 갖는 디바이스들에 대한 에너지를 세이브하기 위한 향상된 방법 - Google Patents
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Abstract
에너지를 세이브하기 위한 미리 결정된 시간 기간들 동안 펌프 잭 전기 모터에 대한 전압을 턴 오프시키기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 방법에서, 폐루프 제어에 대한 모터의 응답이 수 개의 펌프 스트로크들에 걸쳐 평가될 수 있다. 모터를 턴 오프시키는 것이 가능할 때의 펌프 스트로크의 기간들이 식별될 수 있다. 수 개의 스트로크들에 걸친 측정들의 일관성이 평가될 수 있다. 모터는 각각의 펌프 스트로크가 폐루프 제어 프로세스 동안 예측된 것과 충분히 유사한 동작을 보일 때, 후속 펌프 스트로크들 상의 미리 결정된 기간들 동안 턴 오프될 수 있다. 시스템은 시스템의 임의의 변화들을 조정하기 위하여 미리 결정된 시간 기간 이후에 폐루프 제어 프로세스로 리턴될 수 있다.
Description
이 출원은 2009년 9월 8일자로 출원된 미국 가출원 번호 제61/240,399호를 우선권으로 주장하는, 2010년 9월 1일자로 출원된 공동 계류중인 미국 출원 번호 제12/873,510호의 부분 연속 출원이며, 상기 출원들의 전체 내용은 모든 목적들로 인용에 의해 본원에 포함된다.
이 발명은 펌프 잭들, 및 회전(rotating) 또는 왕복운동(reciprocating) 질량체(mass)들을 갖는 다른 디바이스들을 작동시키는데 사용되는 전기 모터들에 관한 것이다.
펌프 잭은 오일 웰(oil well)에서 다운홀 식으로(downhole) 설치된 왕복운동 피스톤 펌프에 대한 지상 구동 디바이스(above ground driving device)이다. 펌프 잭은 액체가 표면으로 스스로 흐르기에 충분한 바닥 홀 압력이 존재하지 않을 때, 액체를 웰(well) 바깥으로 기계적으로 끌어올린다(lift). 펌프 잭은 종종 전기 급전망(electric utility grid)로부터 전력을 수신하는 전기 모터에 의하여 전력 공급된다. 펌프 잭은 다운홀 펌프(downhole pump)를 구동시키기 위하여 모터의 회전 메커니즘을 수직 왕복운동 동작으로 변환한다. 종래의 러프킨 마크(Lufkin Mark) II, 빔-밸런스드(beam-balanced), 에어-밸런스드(air-balanced), 경사 홀(slant hole) 및 종래의 휴대용품을 포함하는(그러나 이에 제한되는 것은 아님), 펌프 잭들의 다수의 상이한 설계들이 존재한다. 펌프 잭들은 텍사스 러프킨의 러프킨 인더스트리사(Lufkin Industries, Inc), 켄사스 커피빌의 쿡 펌프 컴퍼니(Cook Pump Company)를 포함하는, 다수의 상이한 공급회사들로부터 이용가능하다.
펌프 잭 전기 모터는 대개 송신 또는 기어 시스템에 대해 도르래들의 세트를 회전시키고, 이는 결국 한 쌍의 크랭크(crank)들 또는 크랭크 아암(crank arm)들을 구동시킨다. 통상적인 종래의 펌프 잭 설계에 대해, 크랭크들은 삼손 포스트(sampson post) 또는 A-프레임 상에서 피봇팅되는, "워킹 빔(walking beam)"으로서 공지된 빔 또는 레버의 단부를 승강시키고 하강시킨다. "호스 헤드(horse head)"로서 공지된 곡선형 금속 박스는 워킹 빔의 다른 단부 상에 있으며, 그로부터 크랭크 아암들이 빔과 연결된다. 카운터웨이트 또는 왕복운동 질량은 통상적으로 크랭크들의 한 단부에 부착된다. 피트먼 아암(pitman arm)은 대개 호스 헤드에 대향되는 워킹 빔의 단부와 카운터웨이트 사이에서 확장된다. 케이블은 호스 헤드를 수직 연마된 로드(rod)에 연결하며, 수직 연마된 로드는 서커(sucker) 로드들 또는 관상(tubular)의 수직 스트링에 연결되어, 다운홀 펌프로 이어진다.
카운터웨이트는 관상 스트링 또는 서커 로드들의 스트링을 승강시키는 것에 있어 모터를 돕는다. 모터가 카운터웨이트를 상향으로 승강시킬 때, 호스 헤드는 하향으로 이동하여, 서커 로드들 또는 관상 스트링을 아래로 민다(push). 카운터웨이트가 그것의 회전의 상단에 도달한 이후, 이것은 주위를 빙 돌며(swing around) 모터가 카운터 웨이트의 모멘텀 및 질량(운동 에너지)을 사용하여 대향 방향으로 워킹 빔을 회전시키기 위하여 돕는다. 카운터웨이트가 그것의 최상부 위치로부터 아래로 자유 낙하할 때, 호스 헤드는 상향으로 이동하여, 서커 로드들의 스트링을 상향으로 승강시킨다. 미국 특허 번호 4,051,736는 왕복운동 오일 웰 펌프에 대한 향상된 펌프 잭을 제안한다.
상이한 다운홀 펌프 설계들이 존재함에도 불구하고, 다운홀 펌프들은 인습적으로 프로덕션 튜빙(production tubing)의 단부에 또는 상기 단부 근처에 위치된 펌프 배럴(pump barrel) 내에서 왕복운동하는 피스톤 또는 플런저(plunger)를 포함하였다. 2개의 독립적 밸브들은 통상적으로 펌핑 동작을 달성한다. 고정식(standing) 체크 밸브는 피스톤 아래의 펌프 배럴에 고정(secure)될 수 있고, 피스톤은 이동식(traveling) 체크 밸브를 포함할 수 있다. 피스톤의 상승 운동(upstroke)은 고정식 밸브를 개방시키고, 이동식 밸브가 폐쇄된 채로 남겨짐에 따라 유체를 펌프 배럴로 들여보낸다. 피스톤의 하강 운동(downstroke)은 이동식 밸브를 개방시키고, 고정식 배럴이 폐쇄된 채로 남겨짐에 따라 유체를 펌프 배럴로부터 상향으로 밀어낸다(force). 미국 특허 번호 3,578,886; 4,173,451; 및 6,904,973는 다운홀 펌프들을 제안한다.
전기 모터들이 동작의 에너지 생성 모드에 진입할 수 있다는 것이 잘 알려진다. 펌프 잭과 함께 사용되는 전기 모터에 대해, 에너지 생성 모드는 관상 또는 로드 스트링과 카운터웨이트 사이에 밸런스의 컨디션에 따라, 카운터웨이트의 회전 동안의 임의의 시간에 발생할 수 있다. 밸런스의 컨디션은 각각의 스트로크에서 로드 스트링에 의하여 끌어올려지는 유체의 조성 및 양에 따라, 펌핑 스트로크로부터 스트로크로 변동(fluctuate)할 수 있다. 연마된 로드 및 부착된 서커 로드 또는 관상 스트링은 에너지 생성 모드에서 상향으로 또는 하향으로 이동할 수 있다.
웰 소유자는 펌프 잭 모터가 소모하는 전력의 양에 기반하여 자신의 전기료를 지불해야 한다. 소모되는 에너지의 양은 적산 전력계(energy meter)에 의하여 측정된다. 과거에, 소모된 전력의 양은 아날로그 전시계(electricity meter)에 의하여 측정되었다. 이제 다수의 디지털 전시계들이 사용된다. 아날로그 설계 또는 디지털 설계이든 간에, 적산 전력계는, 공익 기업의 재량으로, 전력망으로 다시 공급되는 생성된 에너지에 대한 고객의 신용 거래를 허용하거나 방지하도록 구성될 수 있다. 펌프 잭 시스템은 어떠한 생성을 만들어내기 위해 요구되는 소모된 에너지의 양이 생성된 에너지를 크게 초과하는 비효율적인 발전기이다. 그러므로 공익 기업이 생성된 에너지를 신용 거래하는지 여부와 무관하게, 에너지 생성을 피하는 것이 고객에게 항상 유리하다.
생성 기간들 동안, 모터는 공익 사업의 라인 전압을 초과하는 전압을 획득하도록 시도할 것이고, 그에 의해 반대 방향으로 전류가 흐르게 된다. 급전망에 의하여 제공되는 로드는, 그렇지 않으면 발생하였을 모터의 가속을 제한하는 브레이크(brake)의 역할을 한다. 모터의 이 브레이킹 동작은 펌프 잭의 낙하하는 중량체들(falling weights)이 펌핑 동작을 보조했을 수 있는 부가적인 운동 에너지를 전개시키는 것을 방지한다. 이 변환된 운동 에너지는 급전망으로부터의 전기 에너지에 대한 대안으로서의 역할을 할 수 있다.
과거에, 엔지니어들은 생성 기간을 포함하였을 수 있는 펌프 잭 사이클의 일부분 동안에 펌프 잭 전기 모터를 턴 오프시킴으로써 상당한 양의 에너지를 세이브하도록 시도하였으나 실패하였다. 이것은 다양한 기계적 스위치들 및 계전기(relay)들을 이용하여 시도되었다. 그러나 웰들 및 다운홀 펌프들의 파라미터들은 시간에 따라 변화하고, 따라서 이들 기계적 해법들은 작용하지 않았다.
웰에서의 유체 흐름은 웰이 채워짐에 따라 변화할 수 있고, 그 후 "펌프 오프"될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 펌핑된 유체의 체적은 하나의 스트로크로부터 다음 스트로크로 변화할 수 있다. 가스, 오일, 물 및 슬러리와 같은 펌핑된 유체들 및/또는 물질들의 변화하는 체적들, 밀도들, 점도들, 무게들 및 다른 특성들은 유체의 열(column) 및 로드 스트링의 조합된 무게를 크게 변경시킬 수 있고, 그에 의해 시스템의 밸런스 및 모터에 대한 요구사항에 영향을 미칠 수 있다. 몇몇 웰들에서, 관상 스트링들은 길이가 수천 피트일 수 있다. 시간에 다른 웰로의 상이한 유체들의 유입은 모터의 동작에 상당히 영향을 줄 것이다.
마이크로프로세서의 도입으로, 전류 및 전압을 관찰함으로써 전기 모터를 턴 오프시키는 것이 가능해졌다. 그러나 문제는 전기 모터를 다시 턴 온시킬 때를 아는 데 있다. 다양한 개-루프 고정 시간 지연들이 과거에 시도되었으나, 이들 시도들은 웰들 및 다운홀 펌프들의 파라미터들이 시간에 따라 변화하기 때문에 실패하였다. 적절한 시간에 다시 모터를 턴 온시키는 것의 실패는 감소된 에너지 세이빙들 및/또는 다른 바람직하지 않은 효과들을 야기할 수 있다.
AC 유도 모터가 가볍게 로딩될 때, 공급된 전압을 감소시키는 것은 더 효율적으로 모터가 작동하게 할 것이고, 그에 의해 에너지를 세이브할 것이다. 이것은 단일-위상 모터들의 경우에 특히 명백하며, 그리고 보다 덜하게, 3-위상 모터들에 명백하다. 큰 3-위상 모터는 대개 모터의 정격(rated) 로드의 대략 1/3보다 더 큰 임의의 로드에서 자연적으로 효율적이다.
모터에 인가된 전압과 그것이 이끌어낸 전류 사이의 위상각(phase angle)의 변화는 모터에 의해 얻어진 전력에 대한 역관계(inverse relationship)를 갖는다. 높은 위상각은 가볍게 로딩된 모터를 표시하며, 낮은 위상각은 무겁게 로딩된 모터를 표시한다.
펌프 잭들의 다수는 5 마력(HP)만큼 작은, 그러나 통상적으로는 20 HP보다 큰 3-상 모터들을 사용한다. 이들 모터들은 통상적으로 5초 내지 12초 범위인 기간들을 갖는, 주기적으로 변화하는 로드로 처리될 수 있다. 통상적인 펌핑 스트로크 동안에, 모터는 무거운 로드를 한번 또는 두번 경험하고, 가벼운 로드를 한번 또는 두번 경험한다. 펌프 잭의 밸런싱 및 기하학적 구조에 따라, 낙하하는 중량체들(카운터웨이트들 또는 로드 스트링 중 어느 하나)은 그것의 동기 속도를 넘어서도록 모터를 강제시키고(force), 그에 의해 이것이 발전기로서 작동하게 한다. 그러한 시간 동안, 위상각은 90도를 초과한다.
미국 특허 번호 6,489,742는 디지털 신호 프로세서를 갖는 유도 모터에 대한 전력 수송을 포함하는 모터 제어기를 제안하며, 여기서 디지털 신호 프로세서는 제어 엘리먼트를 통해 주 전압 및 전력 공급부로부터 현존하는 모터 로딩을 위한 전류의 공급을 계산하고 최적화한다. 미국 출원 공개 공보 번호 2010/0117588는 매(every) 로드마다 AC 유도 모터에서 에너지를 세이브하기 위한 방법 및 모터 제어기를 제안하며, 여기서 모터는 둘 또는 그 초과의 로드 포인트들에서 교정되어, 제어 라인을 규정하고, 이는 그 후 모터 제어기의 비휘발성 메모리 안에 프로그래밍된다.
미국 출원 공개 공보 번호 2009/0046490는 IGBT/FET-기반 에너지 세이빙 디바이스, 시스템 및 방법을 제안하며, 여기서 공칭 라인 전압 미만의 및또는 공칭 기기 전압(nominal appliance voltage) 미만의 미리 결정된 양의 전압이 세이브된다. 미국 출원 공개 공보 번호 2009/0051344는 TRIAC/SCR-기반 에너지 세이빙 디바이스, 시스템 및 방법을 제안하며, 여기서 공칭 라인 전압 미만의 및/또는 공칭 기기 전압 미만의 미리 결정된 양의 전압이 세이브된다. 미국 출원 공개 공보 번호 2009/0200981은 AC 전력 애플리케이션들에서 일정한 로딩을 제공하기 위한 시스템 및 방법을 제안하며, 여기서 변조 사인파의 적어도 하나의 하프 사이클(half cycle)의 적어도 하나의 턴-온 포인트가 결정되고, 변조 사인파의 적어도 하나의 하프 사이클의 적어도 하나의 턴-오프 포인트가 결정되며, 적어도 하나의 턴-온 포인트와 적어도 하나의 턴-오프 포인트 사이에 위치되는 적어도 하나의 슬라이스가 제거된다. 미국 출원 공개 공보 번호 2010/0033155는 각각의 IGBT/FET 드라이버에 대해 분리된, 절연된 전력을 제공하는 IGBT/FET 드라이버들에 대한 전력 공급을 제안한다.
비례-적분-미분(PID) 제어는 제어 알고리즘들 및 피드백 메커니즘들에 적용되는 광범위하게 사용되는 기법이다. 그것이 일반적으로 지칭되는 바와 같이, PID 제어기는 "에러"에 기반하여 값을 계산한다. 통상적으로 "에러는 측정된 프로세스 변수와 원하는 세트 포인트 또는 타겟 값 간의 차로서 계산된다. PID 제어기는 프로세스 제어 변수들을 조정함으로써 에러를 최소화하도록 시도한다. 본질적으로, PID 제어기는 비례, 적분 및 미분 파라미터들을 갖는 디지털 필터이다. 비례 값은 전류 에러에 대한 반응을 결정하고, 적분 값은 최근 에러들의 합에 기반하여 반응을 결정하며, 미분 값은 에러가 변화하고 있는 레이트에 기반하여 반응을 결정한다.
상기 논의된 미국 특허 번호들 3,578,886; 4,051,736; 4,173,451; 6,489,742; 및 6,904,973; 그리고 미국 출원 공개 공보 번호들 2009/0046490; 2009/0051344; 2009/0200981; 2010/0033155; 및 2010/0117588의 전체 내용은 모든 목적들을 위해 참조에 의해 본원에 포함된다.
특히 에너지 생성 모드 동안에, 펌프 잭 전기 모터의 에너지 사용량을 효율적으로 관리하기 위한 필요성이 존재한다. 가능하다면 에너지 생성 모드를 실질적으로 제거하는 것이 바람직할 것이다.
펌프 잭 전기 모터에는 완전한 변형되지 않은 라인 전압이 공급될 수 있으며, 모터 제어기는 위상각을 모니터링할 수 있다. 위상각이 미리 결정된 임계치 위상각을 초과하는 것으로 관찰될 때, 모터는 극도로 가볍게 로딩되고 막 에너지 생성 모드에 진입하려는 것으로 간주될 수 있다. 이것은 잠재적 턴-오프 시간으로 간주된다. 임계치 위상각을 교차할 때, 폐루프 모터 제어기 시스템은 펌프 잭 전기 모터에 대한 공급 전압을 제어하기 위하여 활성화될 수 있다. 모터에 대한 공급 전압을 제어함으로써, 관찰된 위상각은 타겟 위상각보다 크지 않은 값에서 유지될 수 있다.
주로 반응적 성질의 약간의 전류 흐름을 허용함으로써, 폐루프 제어기 시스템은 인에이블된 채로 유지되고, 관찰가능한 피드백 파라미터는 모터 로드 컨디션의 표시로서 사용될 수 있으며, 모터 제어기는 모터 로드 컨디션에 반응할 수 있어, 로드의 증가가 공급 전압의 증가를 필요로 할 때 전력이 공급되도록 허용한다. 증가된 모터 로드 컨디션의 표시는 모터 제어기의 스위칭 디바이스들을 제어하는데 사용되는 점호각(firing angle)의 미리 결정된 임계치 미만의 감소로부터 검출될 수 있다. 이것은 잠재적 턴 온 시간으로 간주된다. 상기 프로세스는 일관성을 보장하기 위하여 수 개의 펌핑 사이클들에 걸쳐 반복될 수 있다. 밀접한 상관관계가 관찰된다면, 그 후 시스템은 개루프 온-오프 상태에 진입할 수 있다.
온-오프 상태에서, 위상각은 그것이 폐루프 제어 동안 예측된 시간에 규정된 턴-오프 임계치에 교차함을 보장하기 위하여 매(every) 펌핑 스트로크 동안 모니터링될 수 있다. 위상각이 기대 타이밍을 충족시키지 않는다면, 시스템은 측정들을 반복하기 위하여 폐루프 제어로 리턴될 수 있다. 기대 타이밍이 충족된다면, 모터에 공급되는 전압은 폐루프 제어로부터 규정된 턴 오프 시간에 완벽하게 턴 오프될 수 있다. 규정된 턴 온 시간에 다시 턴온된 직후에, 관찰된 위상각은 평가되고, 미리 결정된 이상적 위상각 값과 비교될 수 있다. 관찰된 위상각이 이상적 값을 초과한다면, 이것은 전압이 더 길게 오프 상태로 유지되었다는 표시이다. 관찰된 위상각이 이상적 값 미만이라면, 전압은 더 금방 턴 온되어야 한다. 후속 스트로크들에 대한 작용을 최적화하기 위하여 오프 지속기간에 대해 조정들이 이루어질 수 있다. 다음 예측된 턴 오프 시간까지 모터에 대한 전압은 완전히 온 상태로 유지될 수 있다.
시스템은 타이밍을 재평가하기 위하여 다시 폐루프 제어로 주기적으로 강제될 수 있다. 타이밍에서 관찰되는 변화가 없거나 또는 적다면, 조정이 이루어지지 않거나 적게 이루어질 수 있고, 시스템은 개루프 온-오프 컨디션으로 리턴될 수 있다. 폐루프 제어 타이밍에서 실질적인 변화가 발견되면, 시스템은 일관적인 또는 반복적인 타이밍 패턴이 관찰될 때까지 폐루프 제어에서 유지될 수 있고, 그 포인트에서, 시스템은 새로운 턴 오프 및 턴 온 시간들을 갖는 개루프 온-오프 상태로 리턴될 수 있다.
시스템 및 방법은 펌프 잭 애플리케이션에서 모터 상의 로드의 고도로 주기적인 변화의 장점을 취한다. 시스템 및 방법은 모터에 대한 전력이 완벽하게 턴 오프될 수 있을 때 펌핑 스트로크 동안의 그들 시간들뿐 아니라 전력이 재인가되어야 하는 적절한 시간을 정확하게 예측한다. 모터에 대한 전력을 완벽하게 턴 오프시키는 것은 우수한 에너지 세이빙들을 초래한다.
시스템 및 방법은 인가된 전압과 소모된 전류 사이에 관찰된 위상각에 기반하여, 펌프 잭 모터 상의 로드의 주기적 변화를 모니터링하고 특징화하는 수단을 제공한다. 로드가 특징화되면, 각각의 스트로크의 부분들 동안에 모터를 턴 오프시킴으로써 에너지를 세이브하기 위한 기회가 존재하는지 여부에 대한 결정이 이루어진다. 시스템 및 방법은 이 기회가 후속 펌핑 스트로크들에서 발생해야 하는 때를 예측하고, 모터를 턴 오프시키고 그것을 다시 턴 온시키기 위한 컨디션들로서 후속 펌핑 스트로크들에서 충족될 기준들을 규정한다. 펌프 잭의 작용의 점진적 변화들을 적절히 조정하는 알고리즘이 구현될 수 있고, 보호 장치들은 이 작용에 있어서의 갑작스런 큰 변화들을 인식하고 반응하도록 구현될 수 있다.
도면들에 개시된 다양한 실시예들에 대한 하기의 상세한 설명들로 본 발명의 더 나은 그리고 추가적인 이해가 획득될 수 있으며, 도면들의 동일한 부분들에는 동일한 참조 번호들이 주어진다.
도 1은 하드웨어 입력들 및 출력들을 갖는 디지털 신호 프로세서(DSP)의 블록도이다.
도 2는 DSP-기반 모터 제어기의 블록도이다.
도 3은 위상 회전 검출 방법을 보여주는 블록도이다.
도 4는 위상 회전 검출 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 5는 양의 위상 회전을 위한 전력 제어 디바이스 출력들을 보여주는 그래프이다.
도 6은 음의 위상 회전을 위한 전력 제어 디바이스 출력들을 보여주는 그래프이다.
도 7은 윈도우 비교기의 블록도이다.
도 8은 윈도우 비교기의 개략도이다.
도 9는 전류 파형 및 제로-크로스 신호들의 그래프이다.
도 10은 가상 중성 회로의 개략도이다.
도 11은 단일 위상 애플리케이션들을 위한 전력 제어 디바이스 출력들을 보여주는 그래프이다.
도 12는 3-차원 제어 라인을 보여주는 3-차원 그래프이다.
도 13은 하나의 평면 위에 프로젝팅된(projected) 제어 라인을 보여주는 3-차원 그래프이다.
도 14는 2-차원적 좌표로 플롯팅된(plotted) 제어 라인을 보여주는 그래프이다.
도 15는 반자동 교정에서 스위핑 점호각/듀티 사이클을 보여주는 그래프이다.
도 16은 점호각/듀티 사이클의 지시된(directed) 스윕을 보여주는 그래프이다.
도 17은 플롯팅된 반자동 교정 데이터를 보여주는 그래프이다.
도 18은 플롯팅된 반자동 교정 데이터를 보여주는 그래프이다.
도 19는 플롯팅된 반자동 교정 데이터를 보여주는 그래프이다.
도 20은 반자동 고레벨 교정의 흐름도이다.
도 21은 반자동 고레벨 교정의 흐름도이다.
도 22는 수동(manual) 교정의 흐름도이다.
도 23은 고정된 전압 클램프의 흐름도이다.
도 24는 RMS 모터 전압 클램프를 보여주는 그래프이다.
도 25는 RMS 모터 전압 클램프를 보여주는 그래프이다.
도 26은 스톨(stall) 완화 기법의 흐름도이다.
도 27은 스톨 완화 기법을 보여주는 그래프이다.
도 28은 웰에 관상 스트링과 위치설정되는 펌프 잭의 일 실시예의 상승된 뷰(elevational view)이다.
도 29는 개루프 모드에서 펌프 잭 모터에 대한 관찰된 위상각 대 시간의 플롯이다.
도 30은 모터에 연결된 시스템 블록도이다.
도 31은 하나의 완전한 펌핑 사이클 내에 타겟 위상각을 달성하기 위해 모터 전압의 감소와 함께 폐루프 제어 모드에서 펌프 잭 모터에 대해 관찰된 위상각 대 시간의 플롯이다.
도 32는 유입(incoming) 라인 전압의 단일 위상 파형 플롯이다.
도 32a는 펄스 폭 변조(PWM) 기법들의 적용 이후에 모터에 공급된 전압의 고도로 초핑된(heavily chopped) 단일 위상 파형 플롯이다.
도 32b는 PWM 기법들의 적용 이후에 모터에 공급된 전압의 약하게(lightly) 초핑된 단일 위상 파형 플롯이다.
도 32c는 PWM 기법들의 적용 이후에 모터에 공급된 전압의 가변적으로 초핑된 단일 위상 파형 플롯이다.
도 32d는 고도의 초핑, 약한 초핑, 비-초핑이 발생할 수 있을 때의 기간들을 예시하는 도 31의 플롯이다.
도 33은 현존하는 제어 평면과 펌프 잭 전기 모터 사이에 배치된 모터 제어기의 블록도이다.
도 34a는 위상각의 예시적인 변화들을 보여주는 수 개의 펌핑 사이클들에 걸친 개루프 모드에서의 예시적 펌프 잭 모터에 대한 관찰된 위상각 대 시간의 플롯이다.
도 34b는 도 34a의 펌프 잭 모터에 대한, 그러나 타겟 위상각을 달성하기 위한 모터 전압의 감소들과 함께 수 개의 펌핑 사이클들에 걸쳐 폐루프 제어 모드에 있는 관찰된 위상각 대 시간의 플롯이다.
도 34c는 미리 결정된 기간들 동안에 턴 오프된 모터와 함께 개루프 모드에서 도 34b의 펌프 잭 모터에 대한 관찰된 위상각 대 시간의 플롯이다.
도 35는 미리 결정된 기간들 동안 펌프 잭 전기 모터를 턴 오프시키기 위한 방법의 요약의 흐름도이다.
도 2는 DSP-기반 모터 제어기의 블록도이다.
도 3은 위상 회전 검출 방법을 보여주는 블록도이다.
도 4는 위상 회전 검출 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 5는 양의 위상 회전을 위한 전력 제어 디바이스 출력들을 보여주는 그래프이다.
도 6은 음의 위상 회전을 위한 전력 제어 디바이스 출력들을 보여주는 그래프이다.
도 7은 윈도우 비교기의 블록도이다.
도 8은 윈도우 비교기의 개략도이다.
도 9는 전류 파형 및 제로-크로스 신호들의 그래프이다.
도 10은 가상 중성 회로의 개략도이다.
도 11은 단일 위상 애플리케이션들을 위한 전력 제어 디바이스 출력들을 보여주는 그래프이다.
도 12는 3-차원 제어 라인을 보여주는 3-차원 그래프이다.
도 13은 하나의 평면 위에 프로젝팅된(projected) 제어 라인을 보여주는 3-차원 그래프이다.
도 14는 2-차원적 좌표로 플롯팅된(plotted) 제어 라인을 보여주는 그래프이다.
도 15는 반자동 교정에서 스위핑 점호각/듀티 사이클을 보여주는 그래프이다.
도 16은 점호각/듀티 사이클의 지시된(directed) 스윕을 보여주는 그래프이다.
도 17은 플롯팅된 반자동 교정 데이터를 보여주는 그래프이다.
도 18은 플롯팅된 반자동 교정 데이터를 보여주는 그래프이다.
도 19는 플롯팅된 반자동 교정 데이터를 보여주는 그래프이다.
도 20은 반자동 고레벨 교정의 흐름도이다.
도 21은 반자동 고레벨 교정의 흐름도이다.
도 22는 수동(manual) 교정의 흐름도이다.
도 23은 고정된 전압 클램프의 흐름도이다.
도 24는 RMS 모터 전압 클램프를 보여주는 그래프이다.
도 25는 RMS 모터 전압 클램프를 보여주는 그래프이다.
도 26은 스톨(stall) 완화 기법의 흐름도이다.
도 27은 스톨 완화 기법을 보여주는 그래프이다.
도 28은 웰에 관상 스트링과 위치설정되는 펌프 잭의 일 실시예의 상승된 뷰(elevational view)이다.
도 29는 개루프 모드에서 펌프 잭 모터에 대한 관찰된 위상각 대 시간의 플롯이다.
도 30은 모터에 연결된 시스템 블록도이다.
도 31은 하나의 완전한 펌핑 사이클 내에 타겟 위상각을 달성하기 위해 모터 전압의 감소와 함께 폐루프 제어 모드에서 펌프 잭 모터에 대해 관찰된 위상각 대 시간의 플롯이다.
도 32는 유입(incoming) 라인 전압의 단일 위상 파형 플롯이다.
도 32a는 펄스 폭 변조(PWM) 기법들의 적용 이후에 모터에 공급된 전압의 고도로 초핑된(heavily chopped) 단일 위상 파형 플롯이다.
도 32b는 PWM 기법들의 적용 이후에 모터에 공급된 전압의 약하게(lightly) 초핑된 단일 위상 파형 플롯이다.
도 32c는 PWM 기법들의 적용 이후에 모터에 공급된 전압의 가변적으로 초핑된 단일 위상 파형 플롯이다.
도 32d는 고도의 초핑, 약한 초핑, 비-초핑이 발생할 수 있을 때의 기간들을 예시하는 도 31의 플롯이다.
도 33은 현존하는 제어 평면과 펌프 잭 전기 모터 사이에 배치된 모터 제어기의 블록도이다.
도 34a는 위상각의 예시적인 변화들을 보여주는 수 개의 펌핑 사이클들에 걸친 개루프 모드에서의 예시적 펌프 잭 모터에 대한 관찰된 위상각 대 시간의 플롯이다.
도 34b는 도 34a의 펌프 잭 모터에 대한, 그러나 타겟 위상각을 달성하기 위한 모터 전압의 감소들과 함께 수 개의 펌핑 사이클들에 걸쳐 폐루프 제어 모드에 있는 관찰된 위상각 대 시간의 플롯이다.
도 34c는 미리 결정된 기간들 동안에 턴 오프된 모터와 함께 개루프 모드에서 도 34b의 펌프 잭 모터에 대한 관찰된 위상각 대 시간의 플롯이다.
도 35는 미리 결정된 기간들 동안 펌프 잭 전기 모터를 턴 오프시키기 위한 방법의 요약의 흐름도이다.
도 1을 참고하여, 디지털 신호 프로세서(DSP)(1) 및 하드웨어 입력들 및 출력들의 블록도가 도시된다. DSP(1)는 모터의 작동 특징들을 관찰하고, 폐루프 제어 하에서 구동하는 모터에 대한 실효치(RMS: root mean square) 전압에 대해 보정들을 수행할 수 있다. 하드웨어 입력들(2)은 위상 제로 크로싱 입력들(36), 위상 라인 전압(37), 위상 모터 전압(38) 및 전류(9)를 캡쳐하고, 프로세싱을 위해 DSP(1)를 통과하고, 그 후 전력 제어 디바이스 출력들(14)을 통과하여 전력 제어 디바이스들로 전달된다.
이제 도 2를 참고하여, DSP-기반 모터 제어기(4)의 방법 및 시스템의 블록도가 도시된다. 먼저, 모터 제어기(4)는 각각의 위상 A, B 및 C의 전압들(37) 및 전류(9)를 판독하여, 제로 크로싱 입력들(36)을 캡쳐한다. 이 포인트 전압(13) 및 전류(9)는 변환기들(62)을 사용하여 아날로그에서 디지털로 변환될 수 있다. 다음으로, 각각의 위상에 대한 모터 위상각의 계산들(63)이 관찰된 위상각(5)을 산출하기 위하여 계산된다. 다음으로, 사전프로그래밍된 제어 라인(6)으로부터 도출된 타겟 위상각(10)이 관찰된 위상각(5)과 비교된다. 타겟 위상각(10)과 관찰된 위상각(5) 간의 차는 결과적인 위상 에러 신호(11, 28)를 산출해내고, 이러한 위상 에러 신호는 비례, 적분 및 미분 컴포넌트들을 갖는 PID 제어기(12)에 의하여 프로세싱된다. PID 제어기(12)로부터의 출력은 모터(3)에 대한 새로운 제어 전압(13, 29)이고, 이는 최대 에너지 세이빙들을 위한 각각의 위상에 대해 라인 전압들(50)이 공급된 RMS 모터 전압(13)의 전력 제어 디바이스 출력들(14)을 산출해내기 위하여, TRIAC들, SCR들, IGBT들 또는 MOSFET들과 같은 전력 제어 디바이스들(33)의 사용을 통해 획득될 수 있다.
이 폐루프 시스템에서, 모터(3)의 각각의 위상의 전압(13) 및 전류는 계속해서 모니터링된다. 모터 제어기(4)는 관찰된 위상각(5)을 모터 상에 있는 로드에 대응하는 교정된 제어 라인(6) 상의 포인트로 몰아갈(drive to) 것이다. 이때, 최대 에너지 세이빙들이 실현될 것인데, 이는 제어 라인(6)이 모터(3)로부터 알려진 교정 데이터에 기반하기 때문이다. 모터 제어기(4)는 정확히 기술자가 손으로 전압(13)을 설정하는 것처럼 모터(3)를 제어할 수 있다. 차이는 DSP(1)가 실시간으로 로드의 변화들에 동적으로 응답하고, 사이클 단위로(on a cycle by cycle basis) 이들 조정들을 수행할 수 있다는 점이다.
이제 도 3을 참고하여, 3-위상 시스템에서, 모터 제어기(4)는 위상 회전을 자동적으로 결정하는데 사용된다. 라인 전압들 상의 제로-크로싱 검출기들은 위상 A 라인 전압 제로 크로싱들(15)과 위상 B 라인 전압 제로 크로싱들(16) 사이의 각도의 정확한 측정을 제공한다. 양의 위상 회전(18)에 대해, 각도는 공칭적으로 120°이고, 음의 위상 회전(19)에 대해, 각도는 공칭적으로 60°이다.
도 4를 참고하여, 위상 회전 검출을 위한 흐름도가 도시된다. 파워-온-리셋(POR)(20) 이후에, 모터 제어기(4)가 양의 위상 회전(18) 및 음의 위상 회전(19)을 결정하는 것이 용이하다. 먼저, 위상 A 라인 전압 제로 크로싱들로부터 위상 B 라인 전압 제로 크로싱들까지 시간이 측정된다(39). 다음으로, 시간이 90도를 초과하는지 또는 90도 미만인지가 결정된다(40). 만약 90도를 초과한다면, 이것은 ACB 회전이다(42). 만약 시간이 90도 미만이라면, 이것은 ABC 회전이다(41). 모터 제어기(4)는 동일한 기본 소프트웨어 및 하드웨어 아키텍쳐로 3-위상 또는 단일-위상 모터들을 제어할 수 있다. 3-위상 경우에 대해, 위상 회전에 따라, 모터 제어기(4)는 전력 제어 디바이스 출력들(14)을 구동시킬 수 있다.
이제, 양의 구동 회전에 대한 전력 제어 디바이스 출력들을 보여주는 도 5를 참고하여, 모터 제어기는 타원형(22a)에 의하여 표시되는 바와 같이, 위상 A 라인 전압 제로 크로싱들(15) 턴-온 시간 동안에 위상 A 전력 제어 디바이스 출력들(14) 및 위상 B 전력 제어 디바이스 출력들(14)을 함께 구동시킨다. 유사하게, 모터 제어기는 타원형(22b)에 의하여 표시되는 바와 같이, 위상 B 턴-온 시간 동안에 위상 B(16) 및 위상 C 전력 제어 디바이스 출력들(14)을 함께 구동시키는 전력 제어 디바이스들을 구동시킨다. 마지막으로, 모터 제어기(4)는 타원형(22c)에 의하여 표시되는 바와 같이, 위상 C 전력 제어 디바이스 출력들(14) 턴-온 시간 동안에 위상 C(17) 및 위상 A 전력 제어 디바이스 출력들(14)을 함께 구동시킨다. 도 5 및 6에 도시된 예는 90°의 점호각/듀티 사이클(23)을 도시한다는 것을 유념한다.
이제, 음의 위상 회전에 대한 TRIAC 구동 출력들을 도시하는 도 6을 참고하여, 모터 제어기(4)는 타원형(22c)에 의하여 표시되는 바와 같이, 위상 A 라인 전압 제로 크로싱들(15) 턴-온 시간 동안에 위상 A 전력 제어 디바이스 출력들(14) 및 위상 C 전력 제어 디바이스 출력들(14)을 함께 구동시킨다. 유사하게, 모터 제어기(4)는 타원형(22a)에 의하여 표시되는 바와 같이, 위상 B 라인 전압 제로 크로싱들(16) 턴-온 시간 동안에 위상 B(16) 및 위상 A 전력 제어 디바이스 출력들(14)을 함께 구동시킨다. 마지막으로, 모터 제어기는 타원형(22b)에 의하여 표시되는 바와 같이, 위상 C 라인 전압 제로 크로싱들(17) 턴-온 시간 동안에 위상 C 전력 제어 디바이스 출력들(14) 및 위상 B 전력 제어 디바이스 출력들(14)을 함께 구동시킨다.
이제 도 7을 참고하여, 윈도우 비교기의 블록도가 도시된다. DSP 기반 모터 제어기는 전류 파형의 양의 절반부 및 음의 절반부 양자 모두의 제로 크로싱들을 검출하기 위하여 윈도우 비교기(88)를 사용한다. RMS 모터 전압이 모터 제어기에 의하여 감소될 때, 전류 파형의 제로 크로싱들을 검출하는 것은 어려운데, 이는 전류가 하프 사이클들 양자 모두의 상당 부분에 대해 제로이기 때문이다. 먼저, 모터 전류가 제공되고(89), 양의 전압이 양의 하프 사이클에 대한 기준으로서 제공되며(90), 음의 전압이 기준으로서 제공된다(91). 다음으로, 전류, 양의 전압 및 음의 전압이 2개의 비교기들(92)로 제시되고, 그 후 복합 제로-크로스 디지털 신호(94)를 생성하기 위하여 연산(OR) 게이트(93)를 통과한다.
도 8에 추가로 예시된 바와 같이, 윈도우 비교기(88)의 개략도가 도시된다. 모터 전류가 제공되고(89), 양의 하프 사이클에 대한 기준으로서 양의 전압이 제공되며(90), 기준으로서 음의 전압이 제공된다(91). 다음으로, 양의 전압 및 음의 전압으로서 제시되는 전류는 2개의 비교기들(92)에 의하여 프로세싱되고, 그 후 복합 제로-크로스 디지털 신호(94)를 생성하기 위하여 OR 게이트(93)로 전달된다.
추가로, 도 9는 전류 파형(95), 양의 전압 하프 사이클(96), 음의 전압 하프 사이클(97) 및 OR 함수(98)의 그래프들을 도시한다.
이제 도 10을 참고하여, 가상 중성 회로의 개략도가 도시된다. 가상 중성 회로는, 3 위상 전력이 단지 델타 모드에서만 이용가능하고 기준으로서 사용하기 위하여 중성이 존재하지 않는 상황들에서, 기준으로서 사용될 수 있다. 가상 중성 회로는 3개의 차동-대-단일-단(differential-to-single-ended) 증폭기들(77)을 포함한다. 위상 대 위상 전압들이 하이(high)이기 때문에, 입력 저항기들(78)은 피드백 저항기들(80) 및 접지 기준 저항기들(81)과 함께 적절한 감쇠기(79)를 형성하는데 사용된다. 위상의 손실의 위험이 존재하기 때문에, 보호 다이오드들(82)은 차동-대-단일-단 증폭기들(77)을 보호하는데 사용된다. 차동-대-단일-단 증폭기들(77)은 피드백 저항기(80)와 함께 합산 저항기들(85) 및 DC 블록킹 캐패시터들(84)을 통해 합산 증폭기(83)에 결합된다. 합산 증폭기(83)의 출력은 증폭기(27)에 의하여 부스팅되고, 그에 의하여 중성 전위에 있는 낮은 임피던스 출력을 제공한다. 부가적인 저항기들은 공급 레일을 분할하고, 그에 의해 합산 증폭기(83)가 교번하는(alternating) 양의 신호 및 음의 신호를 다루도록 허용한다. 택일 접속(alternate connection)은 중성(86)이 택일 중성 접속(87)에 대해 점퍼 블록(jumper block)과 함께 이용가능한 경우에 이용가능하다.
이제, 단일-위상 애플리케이션을 위한 전력 제어 디바이스 출력(14)을 보여주는 도 11을 참고하여, 위상 A에 대한 출력(14)은 전압 제로-크로싱 입력(15)으로부터 도출된 전력 제어 디바이스 출력(14)에 기반하여 각각의 하프-사이클마다 턴 온된다. 위상 B 라인 전압 제로 크로싱들 및 위상 C 라인 전압 제로 크로싱들에 대한 전력 제어 디바이스 출력(14)은 DSP(1)에서 디스에이블되고, 하드웨어는 존재하지 않을 수 있다. 전력 제어 디바이스 출력들(14)은 그들이 3-위상 경우에 있던 것처럼 쌍이 이루어지지 않는다.
이제, 모터에 대한 3-차원 제어 라인을 예시하는 도 12를 참고하여, 모터의 표시 공간(operating space)이 y-축 상의 관찰된 위상각(5)에 의하여 경계 지어졌다. 전압의 감소를 보여주는 제어된 점호각/듀티 사이클(23)이 x-축 상에 도시되고, 모터 상의 퍼센트 로드(24)가 z-축 상에 도시된다.
모든 모터는 그것의 표시 공간 내에 파라미터 제어 라인(25)을 따라 작동한다. 예를 들어, 주어진 모터가 50% 로딩되고, 점호각/듀티 사이클(23)은 100°로 설정될 때, 대략 55°의 위상각(5)이 관찰된다.
도 12에 도시된 파라미터 제어 라인(25)은 좌측 상단 코너의 로딩된 경우(44)로부터 우측 하단 코너의 로딩해제된(unloaded) 경우(45)까지의 범위인 5개의 파라미터 동작점들(26)에 의하여 규정된다. 더욱이, 파라미터 제어 라인(25)은 특별한 의미를 갖는데, 이는 그것이 모터가 가능한 최소의 에너지를 사용하는 라인이기 때문이다. 점호각/듀티 사이클(23)이 증가되고 모터 전압(13)이 감소된다면, 모터는 느려지고, 아마도 멈출 것이다. 모터(3) 상의 로드가 증가된다면, 유사한 결과들이 보여질 것이다.
도 13에 예시된 바와 같이, 파라미터 제어 라인(25)은 파라미터화되고, 수직 방향의 위상각(5) 및 수평 방향의 점호각/듀티 사이클(23)에 의하여 설명되는 하나의 평면 위에 프로젝팅될 수 있다.
추가로, 도 14에 도시되는 바와 같이, 파라미터 제어 라인(25)은 2-차원 그래프 상에 디스플레이될 수 있다. x-축 상에서, 점호각/듀티 사이클(23)을 증가시키는 것은 모터 전압을 감소시키는 것과 동일시될 수 있다. 이것은 작은 점호각/듀티 사이클들이 높은 전압을 초래하고, 큰 점호각/듀티 사이클들이 낮은 전압을 초래하기 때문이다. 모터 제어기는 관찰된 위상각(5)을 모터 상의 현재 로드에 대응하는 제어 라인(25) 상의 포인트로 몰아갈 것이다. 이를 달성하기 위하여, DSP는 전압과 전류 사이에 위상각(5)을 계산한다.
도 2의 블록도를 다시 참고하여, DSP(1)는 그 후, RMS 전압(13)의 현재 값 또는 동등하게 점호각/듀티 사이클의 현재 값에 기반하여, 다음 타겟 위상각(5)을 계산한다. 관찰된 위상각과 타겟 위상각(10) 간의 차는 위상각 에러를 초래하며, 이는 새로운 제어 타겟을 생성하기 위하여 PID 제어기(12) 또는 유사한 디바이스를 통해 프로세싱된다. 이 제어 타겟은 위상각 에러를 최소화시키는 방식으로 전압을 변화시킨다. 타겟 위상각(10)은 동적이며, 그것은 점호각/듀티 사이클의 함수로서 변화한다.
상기 진술된 바와 같이, 모터 제어기(4)는 관찰된 위상각(5)을 모터(3) 상의 현재 로드에 대응하는 제어 라인(25) 상의 포인트로 몰아갈 것이다. 이 동작점(26)은 가능한 최대 에너지 세이빙들을 제공하는데, 이는 제어 라인(25)이 제어되고 있는 모터(3)로부터 직접 교정되기 때문이다.
교정을 위한 이 방법은 반자동 교정으로 불린다. 반자동 교정은 모터의 제어 공간을 스위핑하는 DSP(1)에 기반한다. 도 15에 도시된 바와 같이, 제어 공간을 스위핑하는 것은 DSP가 점호각/듀티 사이클(23)을 증가시키고, 전류(9) 및 진로를 따르는 이산 포인트들에서의 각각의 위상의 점호각/듀티 사이클(23)을 레코딩한다는 것을 의미한다. 따라서, 이 방식으로 모터의 스톨(stall) 포인트(21)의 시작을 보는 것이 가능하다. 제어 라인(6) 상의 포인트들을 결정하는데 사용되는, 제어 공간(7)을 스위핑하는 것으로부터 획득된 관찰된 교정 데이터 곡선의 잘 규정된 선형적 부분은, 더 낮은 점호각/듀티 사이클들(23)에서 일정한 음의 경사를 갖는다. 그 후, 점호각/듀티 사이클(23)이 계속해서 증가함에 따라, 전류(9)는 차츰 평평해지기 시작하며, 모터(3)가 미끌어지기 시작하고 "굴곡부(knee)"로 불리는 스톨(stall)을 시작함에 따라, 실제로 증가하기 시작한다.
도 16에 도시된 바와 같이, 후속 스윕들은 굴곡부 상에서 "줌 인(zoom in)"하도록 모터 전압들의 더 작은 범위들에서 지시될 수 있다. 모터 제어기(4)는 통계적으로 정확한 데이터를 얻기 위하여 다수의 스윕들을 필요로 한다. 제어 라인(25)을 교정하는데 요구되는 시간과 스윕들의 수 사이에 트레이드오프(tradeoff)가 존재한다. 교정의 품질의 측정은 잘 알려진 통계적 프로세스들을 사용하여 DSP(1)에 의해 유지될 수 있고, 필요하다면 부가적인 스윕들이 이루어질 수 있다. 이것은 DSP(1)가 제1 스윕으로부터 굴곡부(31)의 대략적 위치를 학습하였기 때문에, 참이다.
셋업의 제어된 환경으로 인해 반자동 스윕 동안에 멈춤의 위험성이 적게 존재한다. 기술자 또는 작동자는 반자동 교정이 진행중인 동안에 테스트 중인 모터(3)에 갑작스런 로드들이 인가되지 않도록 보장하는 것을 돕는다.
제어 공간을 스위핑하는 프로세스는 임의의 고정된 로드로 수행될 수 있다. 예를 들어, 이것은 한번은 완전히 로딩된 모터(3)로 그리고 한번은 로딩해제된 모터(3)로 수행될 수 있다. 이들 2개 포인트들은 제어 라인(25)을 규정하는 2개의 포인트들이 된다. 정확히 이들 2개 포인트들에서 교정을 수행하는 것이 필수적인 것은 아니다. DSP(1)는 요구된다면, 이들 2개 포인트들 모두 너머로 제어 라인(25)을 연장시킬 것이다.
전류 모터 전압(23)의 플롯에서, 스톨 포인트(21)를 발견하기 위하여 인가될 수 있는 많은 수치적(numerical) 방법들이 존재한다. 도 17에 도시된 바와 같이, 방법은 첫번째 5개 모터 전압들(23)로부터 표로 만들어진 누적된 데이터에 가장 적합한 직선을 계산하기 위하여 "최소 제곱" 방법을 사용하는 것이다.
이 방법에 연속하는 것이 도 18에 도시된다. 이전의 데이터 포인트들을 사용하여 전류(9)의 값이 예측될 수 있다. 그래픽적으로, DSP(1)는 예측된 직선으로부터 양의 방향으로 벗어난 하나 또는 그 초과의 포인트들을 체크한다.
도 19에 도시된 바와 같이, DSP(1)는 곡선의 굴곡부의 시작부를 찾는다. 예측된 제어 라인으로부터 벗어난 제1 포인트는 굴곡부(31)의 시작부일 수 있거나 시작부가 아닐 수 있다. 양의 에러를 갖는 제1 포인트는 단순히 잡음 데이터 포인트일 수 있다. 제어 공간(7)을 스위핑하는 것으로부터 획득되는 관찰된 교정 데이터 곡선을 터닝하는 것을 검증하기 위한 유일한 방법은 부가적인 스윕들로부터 획득되는 데이터를 관찰하는 것이다.
반자동 교정이 실제로 수행될 수 있다. 이제 도 20을 참고하여, 반자동 교정이 수행되는 방법을 보여주는 흐름도가 도시된다. 첫번째로 모터(3)가 무겁게 로딩된 구성(44)으로 배치된다. 이상적으로 이 구성은 완전한 정격 로드의 50%를 초과한다. 다음으로, 완전히-로딩된 측정을 수행하도록 DSP(1)에 지시하기 위하여 모터 제어기(4) 상의 교정 버튼(32)이 눌려진다. DSP(1)는 완전히-로딩된 포인트를 결정하기 위하여 모터(3)의 표시 공간을 탐사하기 위한 수 초를 요구하는 교정(46)을 실행시킨다. 모터 제어기(4)는 LED를 턴 온시킴으로써 그것이 이 단계를 끝냈음을 표시한다.
다음으로, 모터(3)가 로딩해제된 구성으로 배치된다(45). 이상적으로 이 구성은 정격 로드의 25% 미만이다. 그 후 로딩 해제된 측정을 수행하도록 DSP(1)에 지시하기 위하여 모터 제어기(4) 상의 교정 버튼(32)이 눌린다(47). DSP(1)는 로딩해제된 포인트를 결정하기 위하여 교정을 실행시킨다(46). 모터 제어기(4)는 그것이 발광 다이오드(LED)를 턴 온시킴으로써 제어 라인(25)의 양쪽 단부들(47) 모두를 교정하는 것을 끝냈음을 표시한다. DSP(1)는 그 후 2개의 측정들을 사용하여 제어 라인을 결정하고(48), 그것이 모터(3)를 관리할 때 이 제어 라인을 인가한다. 제어 라인(25)의 값들은 비휘발성 메모리에 저장된다(49).
도 21은 반자동 교정의 더욱 상세한 흐름도를 도시한다. 먼저, 제1 교정 스윕은, 이것이 제1 스윕인지 또는 이전의 스윕들이 실행되었는지에 따라(106), 특정 도(degree)로 설정된 모터 전압을 이용하여(51) 실행되고(46), 모터 제어기가 굴곡부를 검출할 때까지(53), 모터 제어기는 모터(52)를 측정한다. 굴곡부가 검출되면(53), 점호각/듀티 사이클은 2도만큼 감소되고(54), 위상각 및 모터 전압이 메모리에 레코딩된다(55). 이 프로세스는, 점호각/듀티 사이클 및 위상각의 계산된 평균 값(57)을 얻기 위하여 적어도 4번의 스윕들을 획득하기 위go(56) 반복된다. 교정 스윕을 따르는 임의의 단계 동안 굴곡부가 검출되지 않는다면, 점호각/듀티 사이클은 적어도 1도만큼 증가되고(58), 한 세트의 단계가 측정된다(59).
교정을 위한 대안적인 방법은 수동 교정으로 불린다. 도 22는 수동 교정의 흐름도를 도시한다. 먼저, 모터가 검력계(dynamometer)(70) 상에 배치된다. 다음으로, 모터는 수동 제어(71)를 위한 컴퓨터에 연결되고, 이러한 컴퓨터는 모터가 개루프 모드에서 실행되고 AC 유도 모터의 점호각/듀티 사이클이 임의의 동작점으로 수동으로 설정되도록 허용한다. 그 후 모터는 완전히 로딩 해제된 구성으로 배치된다(45). 다음으로 점호각/듀티 사이클은 증가되고, RMS 모터 전압은 모터가 이제 막 멈추려고 할 때까지 감소된다(72). 점호각/듀티 사이클 및 위상각이 레코딩되고, 이는 레코딩되는 교정된 포인트가 된다(73). 그 후 완전히 온 상태인 구동 엘리먼트들로 모터가 시작된다(74). 그 후 모터는 완전히 로딩된 구성으로 배치된다(44). 다음으로, 점호각/듀티 사이클은, 모터가 막 멈추려고 할 때까지 모터 제어기에 의하여 RMS 모터 전압이 초핑될 때까지 증가되거나 또는 감소된다(75). 점호각/듀티 사이클은 레코딩되고, 이것은 레코딩되는 다른 교정된 포인트가 된다(73). 마지막으로 2개의 교정된 포인트들이 제어 라인을 형성하기 위하여 사용된다(76).
RMS 라인 전압이 프로그래밍된 고정-전압을 초과할 때, DSP 제어기는 그 고정 전압에 RMS 모터 전압을 클램핑하여, 에너지 세이빙들이 전체 로드에서조차 가능하다. 예를 들어, 주전압이 단일 위상 모터의 경우의 115V의 모터 명판(nameplate) 전압보다 크다면, 모터 전압은 115V에서 클램핑된다. 모터 전압을 클램핑하는 이 동작은 모터가 단일-위상 또는 3-위상 애플리케이션들에서 완전히 로딩될 때조차, 모터 제어기가 에너지를 세이브하도록 허용한다.
도 23은 고정 전압 클램프의 흐름도를 도시한다. 먼저, 위상 에러가 계산된다(64). 다음으로, 전압 에러가 계산된다(65). 그 후 AC 유도 모터의 RMS 모터 전압이 결정되고, 고정 전압 임계치와 비교된다(66). RMS 모터 전압이 고정 전압 임계치보다 크다면, 제어 타겟이 양인지 여부가 결정된다(67). 제어 타겟이 양이라면, 전압 제어 루프가 실행된다(68). AC 유도 모터의 RMS 모터 전압이 고정-전압 임계치 미만이라면, 제어 라인 폐루프가 실행되고(69), 전체 프로세스가 반복된다. 제어 타겟이 양이 아닌 것으로 결정되면, 제어 라인 루프가 실행되고(69), 전체 프로세스는 다시 반복된다.
몇몇 경우들에 있어, 교정 프로세스 동안에 모터(3)를 완전히 로딩하는 것이 가능하지 않을 수 있다. 모터가 실제로 설치되는 동안 달성될 수 있는 가장 큰 로드는 아마도 50%이다. 역으로, 모터를 완전히 로딩 해제시키는 것은 가능하지 않을 수 있다; 달성될 수 있는 가장 가벼운 로드는 단 40%일 수 있다.
도 24는 동작 범위의 중간 근처에 있는 로드 포인트들 모두의 일 예를 도시한다. 제어 라인(25)의 우측에 로딩 해제된 단부(45) 상에서, DSP(1)는 전압의 고정 전압 클램프(60)를 최소 전압(35)에 설정할 것이다. 모터 상의 로드가 증가할 때, DSP(10)는 제어 세그먼트(61) 좌측 및 위로 이동하는 제어 라인을 따를 것이다. 이 구현예는 보수적인 접근법이며, 비-교정된 공간에서 실행되는 것으로부터 모터(3)를 보호한다.
도 25에 추가로 도시된 바와 같이, 좌측의 완전히 로딩된 단부(44) 상에서, DSP(1)는 큰 음의 경사와 제어 세그먼트(61)를 합성할 것이다. 이 구현예는 보수적인 접근법이며, 전압을 완전한-온(full-on)으로 몰아간다.
이제 도 26을 참고하여, DSP-기반 모터 제어기는 멈추는 것으로부터 모터를 보호하기 위하여 특별한 기법을 사용한다. 먼저, DSP는 모터 상의 로드가 증가되었음을 표시하는 전류의 상당한 증가를 능동적으로 모니터링한다(99). 다음으로, 상당한 증가가 관찰되면(100), DSP는 모터 전압을 완전히 턴 온시킨다(101). 다음, DSP는 제어로 리턴시키기 위하여 모터 전압을 감소시키도록 시도할 것이고(102), DSP는 전류의 상당한 증가를 능동적으로 모니터링하는 것(99)으로 리턴된다. 이 기법은 그때에 알려지지 않은 전력 요건들을 추적하도록 시도하는 DSP에 대한 보수적이고 안전한 대안이다.
도 27에 스톨 완화 기법의 그래프가 추가로 도시된 바와 같이, 모터 상의 로드는 x-축 상에 표현되고, 시간은 y-축 상에 표현된다. 하단 라인은 모터 상의 로드(103)를 나타내고, 상단 라인은 DSP에 의하여 모터에 인가된 전력(104)을 나타낸다. 포인트 a(105) 이전에, DSP는 고정된 로드에서 모터를 동적으로 제어한다. 포인트 a(105)와 포인트 b(30) 사이에서, 모터 상의 로드는 갑자기 증가되고, DSP는 모터 전압을 완전히 턴 온시킨다. 포인트 c(34)에서, DSP는 모터 전압을 포인트 d(43)로 감소시킨다.
도 28에서, 펌프 잭(30')이 웰(W) 근처의 지상에 위치설정된다. 견인차 또는 모터(6')는 구동 벨트(18')를 갖는 기어 시스템 또는 변속기(8')를 구동시킨다. 모터(6')는 전력의 공급을 위해 전기 급전망(electric utility grid)과 연결될 수 있다. 카운터웨이트 아암 또는 크랭크 아암(10')의 한 단부는 기어 시스템(8')과 함께 배치되고, 카운터웨이트 아암(10')의 다른 단부는 카운터웨이트 또는 회전 질량체(12')와 함께 배치된다. 바람직하게 2개의 카운터웨이트 아암들(10')이 존재하며, 그들 사이에 카운터웨이트(12')가 배치된다. 레버 또는 워킹 빔(walking beam)(2')이 삼손 포스트(sampson post) 또는 A-프레임(14') 상에서 피봇팅한다(pivot). 피트먼 아암 또는 빔 아암(16')의 한 단부에는 빔(2')의 한 단부가 회전가능하게 부착되고, 빔 아암(16')의 다른 단부에는 회전 질량체(12') 및 카운터웨이트 아암(10')의 한 단부가 회전가능하게 부착된다. 빔 돌출부 또는 헤드(4')는 웰(W)에 인접한 빔(2')의 단부 상에 배치된다. 지금 이해될 수 있는 바와 같이, 펌프 잭(30')은 종래의 설계를 갖는다.
케이블(20')의 한 단부에는 빔 헤드(4')가 부착되고, 케이블(20')의 다른 단부에는 연마된 로드 또는 로드(22')가 부착된다. 로드(22')에는, 웰(W)에서 프로덕션 튜빙(production tubing)을 통해 다운홀 펌프(28')로 연장되는 실질적으로 수직인 관상 스트링 또는 서커 로드들(26')이 배치된다. 관상 스트링은 서커 로드들, 파이프, 관상체(tubular)들, 또는 펌프 잭과 함께 사용되는 다른 컴포넌트들, 또는 웰로부터 유체들을 펌핑하거나 끌어올리는 것을 돕기 위한 다른 유사한 디바이스를 포함할 수 있다. 모터(6')는 카운터웨이트 아암(10')의 단부를 수평 축 주위로 회전시킴으로써 펌프 잭(30')을 구동시킬 수 있다. 카운터웨이트(12')가 상향으로 이동함에 따라, 빔(2')은 A-프레임(14') 상에서 수평 축 주위로 피봇팅하고, 빔 헤드(4')를 하향으로 이동시킨다. 카운터웨이트(12')가 그것의 최상부 위치를 지나 이동함에 따라, 이것은 중력 및 그것의 모멘텀으로 인하여 아래로 자유 낙하하며, 빔(2')은 A-프레임(14') 주위에서 피봇팅하고, 빔 헤드(4')를 상향으로 이동시킨다. 빔 헤드(4')에 의하여 관상체들의 스트링(26')을 밀어내고 잡아당기는 것은 다운홀 펌프(28')에서 피스톤을 작동시킨다. 관상 스트링(26')은 웰(W)에서 실질적으로 수직으로 이동하고, 왕복운동한다.
모터(6')는 보통 에너지 소비 모드에 있다. 그러나 모터(6')는, 낙하하는 질량체(falling mass)들(카운터웨이트(12') 또는 로드 또는 관상 스트링(26') 중 하나)이 자유 낙하하고, 그에 의하여 그것의 동기 속도를 넘어서게 모터(6')를 가속시킬 때(여기서 속도는 생성된 전류에 의하여 제한됨), 에너지 생성 모드에 있을 수 있다. 예시적인 종래의 펌프 잭(30')이 도 28에 도시되나, 상이한 종래의 설계들, 러프킨 마크(Lufkin Mark) II 설계, 빔-밸런싱된 설계, 및 종래의 휴대가능 설계를 포함하는(그러나 이에 제한되는 것은 아님) 모든 펌프 잭 설계들이 발명의 실시예들과 함께 사용될 수 있는 것으로 고려된다. 실시예들이 펌프 잭들과 함께 도시되나, 모든 실시예들이 회전 또는 왕복운동 질량체를 갖는 임의의 디바이스와 함께 사용될 수 있는 것으로 또한 고려된다.
도 29로 돌아가, 개루프 모드에서 도 28의 모터(6') 및 펌프 잭(30')과 같은 펌프 잭에 부착된 전기 모터에 대한, 수직 축(32') 상의 관찰된 위상각 및 수평 축(34') 상의 시간을 갖는 플롯(36')이 도시된다. 도 30-32d과 함께 하기에 설명된 발명의 실시예들은 전기 모터에 부착되지 않았다; 그러므로, 모터는 개루프 모드에 있다. 제2 수평 라인(40')은 수직 축(32') 상에 90도의 관찰된 위상각으로 도시된다. 플롯(36')이 90도의 관찰된 위상각을 초과할 때(이것은 제2 수평 라인(40') 위의 플롯 제1 세그먼트(42')에서도 그러함), 모터는 에너지 생성 모드에 있다. 모터가 에너지를 소모하기보다 생성 중일 때마다, 전류는 90도 초과의 위상각만큼 전압을 뒤떨어지게 한다(lag). 생성 동안 위상각이 더 커질수록, 생성되는 전력도 더 크다. 모터는 제1 수평 라인(38') 아래에 플롯 제2 세그먼트(44')에서 대량 에너지 소비 모드에 있다. 제1 수평 라인(38')은 수직 축(32') 상의 90도 미만의 타겟 위상각에서 도시된다. 타겟 위상각은 도 30 및 31과 함께 하기에 상세히 논의된다.
도 30에서, 도 28의 모터(6')와 같은 전기 모터(62')에 연결되는 폐루프 모터 제어기(50')가 개략적으로 도시되며, 상기 전기 모터(62')는 도 28의 펌프 잭(30')과 같은 펌프 잭과 연결될 수 있다. 도 30과 함께 사용하기 위하여 다른 펌프 잭 설계들이 또한 고려된다. 모터 제어기(50')는 PID 제어기일 수 있다. 그러나 다른 폐루프 모터 제어기들이 또한 고려된다. 다른 타입들의 DSP 기반 모터 제어기들이 또한 고려되나, 도 1 및 2의 DSP 기반 모터 제어기와 같은 디지털 신호 프로세서(DSP) 기반 모터 제어기가 고려된다. 폐루프 모터 제어기(50')는 도 1 및 2에 도시된 바와 동일한 방식으로 모터(6', 62')와 연결될 수 있다. 마이크로프로세서 기반 제어기가 또한 고려된다. 일 실시예에서, 폐루프 제어기 시스템은 컴포넌트로서 PID 제어기를 가질 수 있다. 폐루프 제어 시스템 또는 서보 시스템(48')에서, 제어기(50')는 모터(62')에 공급되는 전류 및 전압으로부터 관찰된 위상각들을 계산할 수 있다(52').
유리하게, 센서들이 모터(6', 62'), 펌프 잭(30') 또는 다운홀 펌프(28')와 위치설정될 필요는 없다. 더 나아가, 폐루프 시스템(48')은 각각의 개별적인 다운홀 펌프(28')에 대해, 그리고 가스, 오일, 물 및 슬러리와 같은 펌핑된 유체들 및/또는 물질들의 변화하는 체적들, 밀도들, 점도들, 무게들 및 다른 특성들을 포함하는(그러나 이에 제한되는 것은 아님), 시간에 따른 웰(W) 및 펌프(28')의 변화하는 파라미터들 및 요건들에 대해 적응성일 수 있다. 시스템(48')에 의하여 모니터링되는 전류 및 전압은 웰 컨디션의 표시자의 역할을 하여, 시스템이 변화하는 웰 파라미터들에 대해 적응성이도록 허용한다. 실질적으로 연속적인 방식으로 전압 및 전류를 모니터링하는 것은 웰 컨디션들의 실질적으로 연속적인 판독을 허용한다. 폐루프 시스템(48')은 또한 컴포넌트들이 대체된 후 기계적 시스템이 재-밸런싱된다면, 펌프 잭 시스템의 현존하는 컴포넌트들이 상이한 특징들을 갖는 다른 컴포넌트들로 대체될 때, 예컨대, 관상 스트링을 상이한 무게를 갖는 상이한 관상 스트링로 대체할 때, 또는 카운터웨이트를 상이하게 크기 설정된 카운터웨이트로 대체할 때 적응한다. 기계적 시스템의 재-밸런싱 이후에, 발명의 실시예들은 에너지 세이빙들이 재개되도록 허용한다.
제어기(50')로의 타겟 위상각(58') 입력은 계산되는 관찰된 위상각(52'), 및 제어기(50')에 의하여 결정된 2개의 값들 간의 차 또는 에러(60')와 비교될 수 있다. 타겟 위상각(58')은 실질적으로 90도일 수 있거나, 또는 타겟 위상각(58')은 90도 초과 또는 미만일 수 있는 것으로 고려된다. 설치 시에, 사용 중인 모터에 대한 최적의 결과들을 생산하는 타겟 위상각(58')이 선택될 수 있다. 다른 일정한 타겟 위상각들(58')이 또한 고려되나, 타겟 위상각(58')은 65도와 같이 모든 모터 로드들에 대해 일정할 수 있다. 타겟 위상각(58')은 또한 임의의 순간에 모터 로드의 가변 함수일 수 있다. 타겟 위상각(58')에 대한 설정은, 모든 로드들에서 모터의 요건들을 충족시키기에 충분한 전력을 여전히 공급하면서 항상 충분히 관찰가능한 전류 흐름을 유지하는 최저의 가능한 타겟 위상각일 수 있다.
모터 제어기(50')는 에러 신호(60')에 기반하여 모터(62')에 인가되는 공급 전압(54')을 제어할 수 있다. 개루프 에너지 생성 모드의 기간 동안과 같이, 관찰된 위상각이 너무 크기 때문에 에러(60')가 상당한 경우, 제어기(50')는 관찰된 위상각(52')을 타겟 위상각(58')으로 감소시키는 것과 같이, 모터(62')로의 공급 전압을 더 낮은 값으로 감소시킬 수 있다. 대량 에너지 소비 모드 동안과 같이, 관찰된 위상각(52')이 너무 작기 때문에 에러(60')가 상당한 경우, 제어기(50')는 관찰된 위상각(52')을 타겟 위상각(58')으로 이동시키기 위하여 모터(62')로의 공급 전압(54')을 더 높은 값으로 증가시킬 수 있다. 이 폐루프 시스템(48')에서, 전압 및 전류가 모터 제어기(50')에 의하여 연속적으로 모니터링되고 제어될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, TRIAC들, SCR들, IGBT들, 또는 MOSFET들과 같은 전력 제어 디바이스들의 사용을 통해 공급 전압(54')이 제어될 수 있는 것으로 또한 고려된다. 또한, 제어기(50')는 도 32-32d과 함께 하기에 상세히 논의되는, 공급 전압을 제어하기 위한 펄스 폭 변조(PWM) 기법들 및 타이머들을 사용한다. 다른 기법들도 또한 고려된다.
도 30으로 돌아가, 제어기(50')는 제로-크로싱 포인트들을 캡쳐하기 위하여 모터(62')의 전류 및 각각의 위상의 전압들을 판독한다. 미국 출원 공개 공보 번호 2009/0046490의 도 5 및 6은 고려되는 볼트 제로 크로싱 포인트 결정 수단의 오실로그램 및 회로도를 각각 제안한다. 다른 타입들의 볼트 제로 크로싱 포인트 결정 수단이 또한 고려된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전압 및 전류는 모니터링 및/또는 제어의 목적으로 하나 또는 그 초과의 아날로그 대 디지털 변환기들을 사용하여 아날로그에서 디지털로 변환될 수 있다. 제어기(50')는 관찰된 위상각을 산출하기 위하여 모터 위상각의 계산들(52')을 수행할 수 있다. 제어기(50')는 관찰된 위상각(52')을 타겟 위상각(58')과 비교하고, 응답하여 모터 공급 전압(54')을 제어할 수 있다. 위상각은 하나 또는 그 초과의 위상들에서 모니터링될 수 있다. 제어기(50')는 자동적으로 위상 회전을 결정하는데 사용될 수 있다. 고려되는 위상 지원 수단 및 위상 회전 결정 수단의 회로도가 미국 출원 공개 공보 번호 2009/0046490호의 도 7에 제안되며, 여기서 다수의 위상 동작들이 이용된다.
더 나아가, 전압들이 위상-대-위상으로부터 또는 위상-대-중성으로부터 모니터링될 수 있는 것으로 고려된다. 고려된 가상 중성 회로의 개략도가 도 10에 있다. 다른 가상 중성 회로들이 또한 고려된다. 가상 중성 회로는 3 위상 전력이 단지 델타 모드에서만 이용가능한 상황들에서 참조로서 사용될 수 있으며, 참조로서 사용하기 위하여 중성이 존재하지 않는다. 윈도우 비교기가 전류 파형의 양의 절반부 및 음의 절반부 양자 모두의 제로 크로싱들을 검출하는데 사용될 수 있다는 것이 또한 고려된다. 윈도우 비교기가 도 7 및 8에 있다. 다른 윈도우 비교기들이 또한 고려된다. 미국 출원 공개 공보 번호 2009/0046490호의 도 8, 9 및 10은 고려되는 하프사이클 식별 수단의 회로도 및 오실로그램을 각각 제안한다.
도 31로 돌아가, 폐루프 모드에서, 도 28의 모터(6') 및 펌프 잭(30')과 같은, 펌프 잭이 부착된 전기 모터에 대하여, 수직 축(32') 상에 관찰된 위상각을 그리고 수평 축(34') 상에 시간을 갖는 플롯(64')이 도시된다. 도 29에서와 같이, 제1 수평 라인(38')에서 90도 미만의 타겟 위상각이 존재한다. 도 29에서와 달리, 도 31에 표현되는 전기 모터 출력은 도 30에 도시된 바와 같은 모터가 배치된 폐루프 시스템(48')으로부터의 것이다. 도 31의 플롯 제1 세그먼트(70')는 개루프 모드에서 관찰된 위상각이 타겟 위상각을 초과할 경우이다. 그러나 폐루프 모드에서, 플롯 제1 세그먼트(70')에서 에러 신호(60')는 제어기(50')에 의하여 제어 에포트(control effort)를 생성하여, 타겟 위상각(38')을 유지시키기 위해 모터로의 공급 전압(54')을 감소시킨다. 관찰된 위상각이 개루프 모드에서 90도를 초과할 때, 관찰된 위상각의 큰 값들은 도 30의 에러 신호(60')의 큰 값들을 생성한다.
플롯 제1 세그먼트(70') 동안, 모터는 PWM 기법들을 사용하여 그러나 실제로 모터에 대한 전력을 삭감하지 않고, 효율적으로 턴 오프된다. 이 시간 동안 모터에서 여전히 전류의 흐름이 존재하며, 이는 제어기(50')가 에너지 소비 모드 동안에 필요한 모터로의 공급 전압을 증가시킬 때를 알도록 허용한다. 전류의 실수 성분(real component)은 사실상 제로로 감소될 수 있어, 무효 성분(reactive component)을 제로보다 크게 만든다. 그것이 주로 무효 성질의 전압을 감소시킬 때 약간의 전류 흐름을 허용함으로써, 로드 컨디션의 표시로서 폐루프 제어 시스템(48')에서 사용되는 관찰가능한 피드백 파라미터가 제공되고, 제어기(50')가 그에 반응할 수 있어, 에너지 소비 위상에서 필요할 때 전력을 공급한다.
상기 전류가 무효 성질이기 때문에, 나머지 전력만이 식별가능한(apparent) 성질이다. 전류 흐름은 제어기가 전류와 전압 사이의 위상각을 계속해서 관찰하도록 허용한다. 도 29에 도시된 바와 같이 개루프 모드에서 관찰된 위상각이 달리 90도를 초과하는 그것의 최대 값에 있을 때, 최대 모터 전압 감소가 대략 도 31의 플롯 제1 위치(66')에서 발생한다.
관찰된 위상각이 폐루프 모드에서 타겟 위상각을 초과할 때, 공급 전압은 관찰된 위상각이 타겟 위상각에 도달할 때까지 PWM 기법들을 이용하여 감소될 수 있다. 도 31의 플롯 제1 세그먼트(70')의 시작 시, 모터 제어기(50')는 개루프 모드로부터 관찰된 위상각을 타겟 위상각에 이르기까지 감소시킨다. 그 후에 제어기(50')는 실질적으로 타겟 위상각에서 관찰된 위상각을 유지시킨다. 타겟 위상각 미만으로의 관찰된 위상각의 임의의 추가적 감소는 로드의 증가로서 해석될 수 있으며, 제어기(50')는 타겟 위상각에 다시 한번 도달될 때까지 공급 전압(54')을 증가시킴으로써 이에 응답할 수 있다. 관찰된 위상각이 타겟 위상각 미만으로 강하할 때, 모터로의 공급 전압의 최대 증가가 플롯 제2 위치(68')에서 발생한다. 카운터웨이트 또는 왕복운동 질량체가 모터에 의하여 구동될 때, 관찰된 위상각의 값들은 통상적으로 타겟 위상각 미만일 것이며, 이는 모터로의 공급 전압을 증가시키기 위하여 제어기(50')에 의해 제어 에포트를 생성하는 에러 신호를 생성할 것이다. 모터는 제1 수평 라인(38') 아래에 플롯 제2 세그먼트(44')에서 대량 에너지 소비 모드에 있다.
도 32로 돌아가, 3-위상 전압이 또한 고려되나, 유입 라인 전압의 파형 플롯(200)은 단일 위상에서 예시된다. 도 32a에서, PWM 기법들은 전압 파형 플롯 세그먼트들(202)을 남겨두면서 전압 파형 플롯 세그먼트들(204)을 초핑해내거나(chop out) 또는 감소시키는데 사용되었다. 도 32a는 전압 파형의 큰 세그먼트들이 초핑되는 공급 전압의 고도의 초핑을 예시한다. 도 32b는 PWM 기법들을 이용한 전압 파형의 약한 초핑을 예시하며, 여기서 초핑된 전압 파형 플롯 세그먼트들(206)은 도 32a에 도시된 초핑된 세그먼트들(204)보다 작다. 도 32b에서, 남겨진 파형 플롯 세그먼트들(208)은 도 32a에 남겨진 파형 플롯 세그먼트들(202)보다 크다.
도 32a의 고도의 초핑은 개루프 에너지 생성 모드가 플롯 제1 위치(66')에서 도 31에서와 같이 발생할 기간 동안 발생한다. 도 32d에서, 고도의 초핑 기간(210A)이 플롯 세그먼트(210)에 예시된다. 도 32a에 도시된 전압의 감소는 전류의 실수 성분을 가상으로 제로로 감소시키는 한편, 무효 성분은 제로보다 크게 남겨둔다. 이것은 모터가 효율적으로 턴 오프되는 한편 위상각을 관찰하기에 충분한 전류를 여전히 남겨두는 기간이다.
플롯 제2 세그먼트(44')에서 도 31에서 발생하는 것과 같이, 모터가 대량 에너지 소비 모드에 있을 때, 실질적으로 전압 파형 세그먼트들은 제거되지 않으며, 모터 공급 전압은 실질적으로 도 32에 도시된 바와 같다. 도 32d에서, 플롯 세그먼트(212)에서 실질적으로 비-초핑의 기간(212A)이 발생한다.
도 32d에서, DSP 제어기는 플롯 위치들(226 및 228)에서 제어 모드에 있다. 그들 기간들 동안에, 모터는 대량 에너지 소비 모드에 있지 않으며, 개루프 에너지 생성 모드가 발생할 때의 기간에 있지 않다. 제어 모드에서, 도 32b에 도시된 바와 같은 약한 초핑(226A)이 발생할 수 있거나 또는 도 32c에 도시된 바와 같은 가변 초핑이 발생할 수 있어, 모터 전압을 제어한다. 이것은 모터가 가볍게 로딩될 때 일어날 수 있어, 모터가 여전히 에너지를 소모하는 동안 에너지를 세이브한다. 도 32c의 가변 초핑은 모터 전압을 제어하기 위하여 가변 사이즈들의 파형 플롯 세그먼트들(214, 216, 218, 220, 222, 224)을 초핑하는데 PWM을 사용한다. 도 32c에서 초핑된 전압 파형 플롯 세그먼트들(214, 216, 218, 220, 222, 224)의 사이즈는 전부 상이할 수 있어, 또한 전부 상이한 사이즈들인 전압 파형 플롯 세그먼트들을 남겨둔다.
모터 제어기는 약한 초핑, 고도의 초핑, 가변 초핑 또는 비-초핑의 임의의 조합 또는 치환(permutation)을 사용하여, 타겟 위상각에 대해 모터 공급 전압의 관찰된 위상각을 제어할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 디지털 신호 프로세서(DSP) 또는 모터 제어기는 실질적으로 일정한 관찰된 위상각을 유지시키도록 시도하며, 그렇게 하기 위하여 요구되는 양을 초핑할 것이다. DSP는 위상각의 관찰에 기반하여 모터 전압을 제어한다. 공급 전압의 초핑의 양은 변화할 수 있다.
개루프를 실행하는 전기 모터가 에너지 생성 모드에 있을 대, 급전망에 의하여 제시되는 로드는 효율적으로 모터 상의 브레이크의 역할을 하고, 그에 의하여 모터의 속도를 제한한다. 이는 공익 사업에 의하여 제시되는 전압을 초과하도록 시도하는 생성된 전압으로 인하여 발생하고, 그에 의해 제시된 전류가 반대 방향으로 흐르게 한다. 폐루프 제어기 시스템 및 방법이 도 30-32d에 도시된 바와 같이 적용될 때, 이 브레이킹 동작은 효율적으로 최소화되거나 감소될 수 있고, 모터 및 시스템은 통상적으로 이 시간 동안 속도를 낼 것이다. 시스템에 저장되는 이 부가적인 운동 에너지는 모터의 에너지를 소모하지 않고 펌핑 동작의 일부를 수행하는데 사용될 것이다. 에너지 생성을 최소화시키거나 실질적으로 방지하는 것은 펌핑 사이클의 다른 부분들에서 에너지를 소모할 필요성을 제거하고, 그에 의해 에너지를 세이브한다.
지금 이해될 수 있는 바와 같이, 모터에 공급되는 전력은 관찰된 위상각이 줄어들 때 전기 모터를 다시 턴 온시킬 때를 결정하기 위하여 전류 및 전압의 피드백 신호들을 유지시키면서, 개루프에서 발생할 에너지 생성 모드 동안에 "효율적으로" 턴 오프된다. 이 시스템 및 방법은 웰의 변화하는 파라미터들에 계속해서 적응할 것이며, 과거에는 그럴 수 없었다. 일 예로서, 모터 및 시스템은 상이한 밀도들 또는 무게들을 갖는 상이한 시간들에서의 둘 또는 그 초과의 유체들을 펌핑하는 것에 대해 적응성이다. 시스템에 의하여 모니터링되는 전압 및 전류는 웰 컨디션의 표시자의 역할을 하여, 시스템이 변화하는 웰 파라미터들에 대해 적응성이도록 허용한다. 에너지 생성 모드에 진입하지 않음으로써, 개루프 에너지 생성 모드에 의하여 생성되는 브레이킹 동작은 감소되거나 제거될 수 있어, 시스템의 속도를 높이는 이점이 획득된다. 시스템에 의하여 달리 소모될 에너지를 최소화시키거나 제거함으로써, 에너지 세이빙들은 모터로의 공급 전압의 감소로부터 그리고 생성 모드에 있을 때 모터의 브레이킹 동작의 최소화 또는 제거로부터 모두 초래될 수 있다.
AC 유도 모터들 및 AC 동기 모터들을 포함하는(그러나 이에 제한되는 것은 아님) 전기 모터들의 모든 타입들 및 설계들은 상기 설명된 발명의 상이한 실시예들과 함께 사용하기 위하여 고려된다. 종래의 모든 설계들, 러프킨 마크 II 설계, 빔-밸런스드 설계 및 종래의 휴대용품 설계를 포함하는(그러나 이에 제한되는 것은 아님) 펌프 잭들의 모든 타입들 및 설계들은 상기 설명된 발명의 상이한 실시예들과 함께 사용하기 위하여 고려된다. 실시예들이 펌프 잭들과 함께 도시되었으나, 상기 설명된 모든 실시예들은 회전 또는 왕복운동 질량체를 갖는 임의의 디바이스와 함께 사용될 수 있다는 것이 또한 고려된다. 실시예들 중 몇몇은 단일 위상 전압 및 전류와 함께 도시되었으나, 발명의 모든 실시예들은 단일 또는 다수의 위상 전압 및 전류와 함께 고려된다.
도 33으로 돌아가, 턴-오프 방법을 구현하는 모터 제어기(304)의 예시적인 설치가 도시된다. 앞서 설명된 바와 같이 다른 폐루프 제어기들이 또한 고려되나, 모터 제어기(304)는 도 1 및 2에 도시되고 앞서 설명된 바와 같은 DSP 기반 PID 제어기일 수 있다. 모터 제어기(304)는 펌프 잭(308)을 구동시키는 전기 모터(306)와 현재 전기 제어 패널(302) 사이의 전기 접속부에 삽입될 수 있다. 전력 공급은 수급 계기(utility meter)(300)를 통해 제어 패널(302)로 진행될 수 있다.
도 34a는 펌프 잭을 구동하는 전기 모터로부터 측정되는 위상 각의 통상적인 시간에 따른 변화를 보여준다. 개루프 모드에서 펌프 잭을 구동시키는 전기 모터에 대하여, 수직 축(310) 상의 관찰된 위상각 및 수평 축(명료성을 위해 도시되지 않음) 상의 시간을 갖는 플롯(314)이 도시된다. 제1 수평 라인(312)은 수직 축(310) 상의 90도의 관찰된 위상각에서 도시된다. 제1 펌핑 사이클 또는 스트로크가 제1 시간 세그먼트(316) 동안 발생하고, 제2 펌핑 사이클 또는 스트로크가 제2 시간 세그먼트(318) 동안 발생하며, 제3 펌핑 사이클 또는 스트로크가 제3 시간 세그먼트(320) 동안에 발생한다.
도 34a에 예시된 바와 같이, 통상적인 펌핑 스트로크 동안에, 펌프 잭 모터는 무거운 로드를 한번 또는 두번 경험하고, 모터는 가벼운 로드를 한번 또는 두번 경험한다. 펌프 잭의 밸런싱 및 기하학적 구조에 따라, 낙하하는 중량체들(카운터웨이트들 또는 로드 스트링 중 하나)은 그것의 동기 속도를 넘어서게 모터를 강제할 수 있고, 그에 의해 이것이 발전기로서 작동하게 한다. 그러한 기간들 동안, 관찰된 위상각은 90 도를 초과한다.
온-오프 방법을 구현하는 것을 시작하기 위해, 일단 개시되면, 모터 제어기는 위상각을 모니터링하고, 3개 상태들 중 하나의 상태에서 작동할 수 있다.
방법의 상태 1
온-오프 방법의 상태 1에서, 모터가 펌프 잭에 의해 받는 로드 프로파일이 평가되어, 모터를 턴 오프시킬 기회가 존재하는지 여부를 결정하고, 만약 그렇다면, 펌핑 스트로크 동안 적절한 턴-오프 시간 및 턴-온 시간을 식별한다. 로드 프로파일은 위상각 변화들에 의하여 특징화될 수 있다. 에너지 생성 시간들 동안 모터를 턴 오프시킬 때, 모터는 가속될 것이고, 그에 의해 로드 프로파일을 변경한다. 따라서, 이 변화를 특징화하는 것이 바람직하다. 이것은 온-오프 프로세스의 효과의 밀접(close approximation)으로서 모터를 폐루프 PID 제어 프로세스 처리함으로써("고도의 초핑") 달성된다.
도 34b는 모터 및 모터의 로드 프로파일에 대한 폐루프 PID 제어 프로세스의 효과를 보여준다. 최초 플롯 세그먼트(322) 동안에, 위상각이 모니터링되는 시간 동안, 도 34a에 도시된 바와 같이 모터에는 완전한, 변형되지 않은 공급 라인 전압이 공급된다. 플롯 위치(326)에서 도시된 바와 같이, 위상각이 70도와 같은 미리 결정된 임계치를 초과하는 것으로 관찰될 때, 모터는 가볍게 로딩되고, 에너지 생성 컨디션에 진입하기 직전에 있는 것으로 고려된다. 이 순간은 미래의 펌핑 스트로크들에서 잠재적인 턴-오프 시간으로서 식별된다. 이 임계치에 교차할 때, 폐루프 PID 제어 프로세스는 활성화되고, 제2 수평 라인(313)에 도시된 바와 같이, 타겟 위상각을 달성하기 위해 모터 전압을 제어하여, 60도와 같은 일정한 타겟 위상각에서 도시된다. 다른 타겟 위상각들이 또한 고려된다. 타겟 위상각은 일정하지 않을 수 있으나, 모터 로드 컨디션에 따라 변할 수 있는 것으로 또한 고려된다.
폐루프 PID 제어 프로세스 동안에, 폐루프 제어 시스템에 대한 관찰가능한 피드백을 제공하기에 충분한 전류 흐름이 유지된다. 로드의 증가가 플롯 위치(328)에서 도시된, 특정 임계치를 초과하는 공급 전압의 증가를 필요로 할 때까지, 폐루프 PID 제어 프로세스는 인에이블된 채로 유지된다. 이것은 TRIAC들, SCR들, IGBT들 또는 MOSFET들과 같은 스위칭 디바이스들을 제어하는데 사용되는 점호각에서의 90도와 같은 미리 결정된 임계치 미만의 감소에 의해 표시될 수 있다. 이 순간은 미래의 펌핑 스트로크들에서의 잠재적인 턴-온 시간으로서 식별된다. 이 임계치 점호각 교차 시, 플롯 위치(330)에서 도시된, 가볍게 로딩된 컨디션이 다시 한번 식별될 때까지, 완전한, 변형되지 않은 공급 라인 전압이 모터로 복원될 수 있다.
상기 측정들이 일관됨을 보장하기 위하여, 상기 프로세스는 예를 들어 4개 스트로크들과 같이, 수 개의 펌핑 스트로크들에 걸쳐 반복될 수 있다. 변경된 펌핑 스트로크의 기간 및 스트로크 내의 식별된 턴-오프 시간 및 턴-온 시간은, 반복된 스트로크들 간에 비교될 수 있다. 모니터링되는 수 개의 스트로크들에 걸친 모든 측정들에서 밀접한 또는 반복적인 상호관련이 관찰된다면, 시스템은 개루프 온-오프 상태에 진입하기에 적절한 것으로 간주될 수 있다. 밀접한 상호 관련 또는 기준들은 펌핑 스트로크들의 기간들에서 200 밀리초(ms) 이하의 변화인 것으로 간주될 수 있다. 다른 상호 관련 또는 기준들은 턴-온 및 턴-오프 시간들에서 150 ms 이하의 변화일 수 있다. 다른 상호관련들 또는 기준들이 또한 고려된다. 상호 관련 요건들이 충족되지 않으면, 시스템은 상태 1에서 유지되어, 요청되는 상호 관련이 관찰될 때까지 폐루프 PID 제어 프로세스를 계속해서 이용할 수 있다.
통상적인 펌프 잭 펌핑 스트로크는 정상적으로 모터가 턴 오프될 수 있는 하나 또는 두 개의 기간들을 갖는다. 이들 두 개의 기간들은 그들의 타이밍 및 지속기간에 서로 상이한 것으로서 처리될 수 있다. 두 개의 기간들 중 하나 또는 둘 모두는 온-오프 상태에 진입하기 위한 기준들을 충족시킬 수 있다. 단일 펌핑 스트로크의 생성 모드 또는 가벼운 로딩의 둘 초과의 기간들이 존재할 수 있는 반면, 단 2개의 가장 긴 그러한 기간들만이 임의의 의미 있는 에너지 세이빙들을 제공하기 위해 고려될 수 있다. 부가적인 기간들은 보통 단지 모터가 "펌프-오프된" 컨디션에 있을 때 간단히 발생한다. 최소 오프-시간 컨디션 또는 요건이 이 타겟을 초과하는 두 개의 오프-시간들의 최대치를 지원하기 위하여 유지될 수 있다. 더 많은 오프-시간들을 지원하는 구현예가 또한 고려된다. 부가적인 생성 컨디션들이 관찰되는 이벤트에서, 시스템은 이들 시간들 동안 폐루프 PID 제어 프로세스를 이용할 수 있다.
방법의 상태 2
일단 온-오프 상태에서, 위상각은 그것이 상태 1 동안 예측된 시간에 규정된 턴-오프 임계치에 교차함을 보장하기 위하여 매(every) 펌핑 스트로크 동안 모니터링될 수 있다. 위상각이 (상기 논의된 바와 같이, 합당한 미리 결정된 마진 내의) 기대 타이밍을 충족시키는데 실패하면, 타이밍이 폐루프 PID 제어 상태 동안 규정된 이래로 로드 프로파일이 변화한 것으로 간주될 수 있다. 제어 시스템은 그것의 측정들을 반복하기 위하여 상태 1로 리턴될 수 있다.
기대 타이밍이 충족되면, 도 34c에 도시된 바와 같이, 모터에 인가된 전압은 실질적으로 즉각적으로 완벽하게 턴 오프될 수 있다. 상태 1 동안 계산된 지속기간 동안 이것은 오프 상태로 남겨질 수 있다. 플롯 위치(324)에서와 같이, 실질적으로 다시 턴 온된 직후, 관찰된 위상각이 평가되고 미리 결정된 이상적 위상각 값과 비교될 수 있다. 이상적 위상각은, 모터가 에너지를 생성하지도, 다시 턴온된 직후 초과 에너지를 소모하지도 않음을 보장한다. 다른 값들이 또한 고려되나, 이 이상적 위상각 값은 75도일 수 있다.
관찰된 값이 이 이상적 값을 초과한다면, 이것은 전압이 더 길게 오프 상태로 남겨질 수 있다는 표시로 간주될 수 있다. 관찰된 위상각 값이 이 값 미만이라면, 전압은 금방 턴 온될 수 있다. 그 후 후속 스트로크들에 대한 동작을 최적화하기 위하여 오프-지속기간에 대한 조정들이 이루어질 수 있다. 모터에 인가된 전압은 다음 예측된 턴-오프 시간까지 완전히 온 상태로 남겨질 수 있다. 관찰가능한 위상각에 의하여 표현되는 바와 같이, 온-오프 상태가 도 34c에 도시된다. 공급이 턴 오프될 때 전류 흐름이 존재하지 않음에 따라, 그들 기간들 동안 관찰가능한 위상각은 없다.
방법의 상태 3
시간에 따른 로드 프로파일의 점진적 드리프트(drift)의 가능성을 허용하기 위하여, 제어 시스템은 폐루프 PID 제어 프로세스를 재평가하기 위해 다시 상태 1로 주기적으로 이동될 수 있다. 이것은 매 2분마다 수행될 수 있다. 다른 시간 기간들이 또한 고려된다. 하나의 펌핑 스트로크 이후에, 폐루프 PID 제어 방법에서 작은 변화만이 발견되거나 또는 변화가 발견되지 않으면, 타이밍 요건들에 대해 작은 조정들이 이루어질 수 있고, 제어 시스템은 추가적 온-오프 스트로크들에 대해 상태 2로 리턴될 수 있다. 타이밍에서 실질적 변화가 발견되면, 상기 설명된 바와 같이, 수 개의 연이은 펌핑 스트로크들에 걸쳐 일관적 타이밍 패턴이 관찰될 수 있을 때까지 시스템은 폐루프 PID 제어 상태에 남아있을 수 있다.
도 35는 공급 전압을 턴 오프시키고 그것을 미리 결정된 기간들 동안 다시 턴 온시키기 위한 방법의 단계들의 요약된 버전이다. 더 많은 단계들 또는 더 적은 단계들이 또한 고려된다. 다른 단계들도 또한 고려된다. 제1 블록(330)에서, 시스템은 펌프 잭 모터의 위상각을 모니터링하기 위하여 초기화된다. 상태 1에 대응하는 제2 블록(332)에서, 폐루프 PID 제어에 대한 모터의 응답이 수 개의 펌프 스트로크들에 걸쳐 평가된다. 모터를 턴 오프시키는 것이 가능할 때 펌프 스트로크의 기간들이 식별된다. 제3 블록(334)에서, 수 개의 스트로크들에 걸친 측정들의 일관성이 평가된다. 상태 2에 대응하는 제4 블록(336)에서, 각각의 펌프 스트로크가 상태 1의 폐루프 PID 제어 프로세스 동안 예측된 것과 충분히 유사한 동작을 보인다면, 후속 펌프 스트로크들 상의 미리 결정된 기간들 동안 모터는 턴 오프될 수 있다. 상태 3에 대응하는 제5 블록(338)에서, 시스템의 임의의 변화들을 조정하기 위한 미리 결정된 시간 기간 이후에, 시스템은 폐루프 PID 제어 프로세스에 대해 상태 1로 리턴될 수 있다.
이제 이해될 수 있는 바와 같이, 온-오프 방법은 관찰된 위상각에 기반하여 펌프 잭 모터 상의 로드의 주기적 변화를 모니터링하고 특징화하는 수단을 제공한다. 일단 로드가 특징화되면, 방법은 각각의 스트로크의 부분들 동안 모터를 턴 오프시킴으로써 에너지를 세이브하기 위한 기회가 존재하는지 여부를 결정한다. 방법은 이 기회가 후속 펌핑 스트로크들에서 발생해야 하는 대를 예측하고, 모터를 턴 오프시키고 모터를 다시 턴 온시키기 위한 컨디션들로서 후속 펌핑 스트로크들에서 충족될 기준들을 규정한다. 시스템 및 방법은 펌프 잭의 동작에 있어서의 점진적 변화들을 적응성으로(adaptively) 조정하는 알고리즘을 구현하고, 이 동작에 있어서 갑작스런 큰 변화들을 인식하고 그에 반응하기 위한 보호 장치들을 구현한다.
시스템 및 방법은 펌프 잭 애플리케이션에서 모터 상의 로드의 고도로 주기적인 변화의 장점을 취한다. 시스템 및 방법은 전력이 재인가되어야 하는 적절한 시간뿐 아니라, 모터에 대한 전력이 완전히 턴 오프될 수 있는, 펌핑 스트로크 동안의 그들 시간들을 정확하게 예측한다. 모터에 대한 전력을 완전히 턴 오프시키는 것은 우수한 에너지 세이빙들을 초래한다.
시스템 및 방법은 인가된 전압과 소모된 전류 사이에 관찰된 위상각에 기반하여 펌프 잭 모터 상의 로드에 있어서의 주기적 변화를 모니터링하고 특징화하는 수단을 제공한다. 일단 로드가 특징화되면, 각각의 스트로크의 부분들 동안 모터를 턴 오프시킴으로써 에너지를 세이브하기 위한 기회가 존재하는지 여부에 대한 결정이 이루어질 수 있다. 시스템 및 방법은 이 기회가 후속 펌핑 스트로크들에서 발생해야하는 때를 예측하고, 모터를 턴 오프시키고 모터를 다시 턴 온시키기 위한 컨디션들로서 후속 펌핑 스트로크들에서 충족될 기준들을 규정한다. 시스템 및 방법은 펌프 잭의 동작의 점진적 변화들을 적응성으로 조정하는 알고리즘들을 구현하고, 이 동작의 급작스러운 큰 변화들을 인식하고 그에 반응하기 위한 보호 장치들을 구현한다.
발명의 전술한 개시내용 및 설명은 예시적이며, 발명의 설명에 도움이 되고, 예시된 시스템 및 동작의 방법의 세부사항들의 다양한 변화들이 발명의 진의를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.
Claims (20)
- 주기적 로드(load) 변화들을 갖는 전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법으로서,
상기 모터에 인가된 공급 전압 및 전류를 검출하는 단계;
상기 공급 전압 및 상기 전류 사이의 위상각(phase angle)을 관찰하는 단계;
상기 주기적 로드 변화들의 지속기간에 대응하는 시간 세그먼트 값을 획득하는 단계;
상기 관찰된 위상각을 임계치 위상각과 비교하는 단계;
제 1 동작 모드를 개시하는 단계; 및
상기 제 1 동작 모드를 수행한 이후 제 2 동작 모드를 개시하는 단계를 포함하고,
상기 제 1 동작 모드는:
상기 관찰된 위상각이 상기 임계치 위상각에 접근할 때, 상기 공급 전압을 조정하는 단계 ― 상기 공급 전압은 상기 공급 전압과 상기 모터를 전기적으로 연결시키는 스위칭 디바이스의 점호각(firing angle)을 변화시킴으로써 조정되고, 상기 공급 전압은 타겟 위상각에 대응하는 값에서 상기 관찰된 위상각을 유지하도록 조정됨 ―;
상기 점호각이 임계치 점호각 미만으로 떨어질 때, 상기 공급 전압을 상기 모터에 인가하는 단계;
상기 시간 세그먼트 값 동안 적어도 하나의 오프-시간 기간을 식별하는 단계 ― 상기 적어도 하나의 오프-시간 기간은 상기 조정된 공급 전압이 상기 모터에 인가되는 때와 대응함 ―를 포함하고,
상기 제 2 동작 모드는:
상기 적어도 하나의 오프-시간 기간 동안 상기 모터에 연결된 모터 제어기에 의해 상기 모터로의 상기 공급 전압을 턴 오프하는 단계; 및
상기 시간 세그먼트 값의 나머지(remainder) 동안 상기 모터 제어기에 의해 상기 모터로의 상기 공급 전압을 턴 온하는 단계 ― 상기 시간 세그먼트 값의 나머지는 적어도 하나의 턴-온 시간 기간을 포함함 ―를 포함하는,
전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 동작 모드 동안 턴-온 위상각을 관찰하는 단계를 더 포함하고,
상기 턴-온 위상각은 대응하는 턴-온 시간 기간의 시작에서 발생하는,
전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 턴-온 위상각을 이상적 위상각과 비교하는 단계를 더 포함하는,
전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 턴-온 위상각이 상기 이상적 위상각보다 크다면 상기 시간 세그먼트 값 동안 상기 적어도 하나의 턴-오프 시간 기간의 지속기간을 증가시키는 것, 또는 상기 턴-온 위상각이 상기 이상적 위상각 미만이라면 상기 적어도 하나의 턴-오프 시간 기간의 지속기간을 감소시키는 것 중 하나를 수행하는 상기 제 1 동작 모드를 개시하는 단계를 더 포함하는,
전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 임계치 위상각, 상기 타겟 위상각, 상기 임계치 점호각 및 상기 이상적 위상각 중 적어도 하나는 실시간으로 조정가능한,
전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 동작 모드 동안,
연속적인 시간 세그먼트 값들 동안 상기 적어도 하나의 오프-시간 기간을 식별하는 단계;
상기 연속적인 시간 세그먼트 값들 각각 동안 상기 관찰된 위상각이 타이밍 임계치를 충족시키는지를 결정하는 단계; 및
상기 관찰된 위상각이 상기 타이밍 임계치를 충족시키는 데 실패한 경우, 상기 관찰된 위상각이 상기 임계치 위상각에 접근할 때, 상기 공급 전압을 조정하는 단계 - 상기 공급 전압은 상기 공급 전압과 상기 모터를 전기적으로 연결시키는 상기 스위칭 디바이스의 점호각을 변화시킴으로써 조정되고, 상기 공급 전압은 타겟 위상각에 대응하는 값에서 상기 관찰된 위상각을 유지하도록 조정됨 -, 상기 점호각이 상기 임계치 점호각 미만으로 떨어질 때, 상기 공급 전압을 상기 모터에 인가하는 단계, 상기 시간 세그먼트 값 동안 적어도 하나의 변경된 오프-시간 기간을 식별하는 단계 ― 상기 적어도 하나의 변경된 오프-시간 기간은 상기 조정된 공급 전압이 상기 모터에 인가되는 때와 대응함 ― 를 반복하는 단계;
상기 제 1 동작 모드를 수행한 이후 상기 제 2 동작 모드를 개시하는 단계를 더 포함하고,
상기 제 2 동작 모드는:
상기 적어도 하나의 변경된 오프-시간 기간 동안 상기 모터로의 상기 공급 전압을 턴 오프하는 단계; 및
상기 시간 세그먼트 값의 나머지 동안 상기 모터로의 상기 공급 전압을 턴 온하는 단계를 포함하는,
전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 반복하는 단계는 미리 결정된 시간들에 수행되는,
전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 공급 전압을 인가하는 단계는 상기 관찰된 위상각이 스톨(stall) 위상각 미만으로 감소할 때 수행되는,
전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 공급 전압을 조정하는 단계는, 상기 위상각을 관찰하기 위해 상기 전류를 유지하는 단계를 포함하는,
전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
복수의 연속적인 시간 세그먼트 값들 각각 동안 상기 식별된 적어도 하나의 오프-시간 기간의 지속기간, 및 상기 복수의 연속적인 시간 세그먼트 값들 각각의 지속기간 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 더 포함하는,
전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 복수의 연속적인 시간 세그먼트들 각각의 지속기간은 200 밀리초 미만의 변화가 상기 복수의 연속적인 시간 세그먼트들 각각 사이에서 검출되는 때와 실질적으로 비슷한,
전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 식별된 적어도 하나의 오프-시간 기간의 지속기간은 150 밀리초 미만의 변화가 상기 복수의 연속적인 시간 세그먼트들에 대한 상기 식별된 적어도 하나의 오프-시간 기간 각각의 지속기간 사이에서 검출되는 때와 실질적으로 비슷한,
전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 모터로의 상기 공급 전압을 턴 오프함으로써 상기 시간 세그먼트의 지속기간을 감소시키는 단계를 더 포함하는,
전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법. - 주기적 로드 변화들을 갖는 전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법으로서,
상기 전기 모터에 인가되는 공급 전압 및 전류를 검출하는 단계;
상기 모터에 인가되는 상기 공급 전압 및 상기 전류 사이의 위상각을 관찰하는 단계;
상기 주기적 로드 변화들의 지속기간에 대응하는 시간 세그먼트 값을 획득하는 단계;
상기 관찰된 위상각을 임계치 위상각과 비교하는 단계;
제 1 동작 모드를 개시하는 단계; 및
상기 제 1 동작 모드를 수행한 이후 제 2 동작 모드를 개시하는 단계를 포함하고,
상기 제 1 동작 모드는:
상기 관찰된 위상각이 상기 임계치 위상각에 접근할 때 상기 모터로의 상기 공급 전압을 제어하는 단계 - 상기 공급 전압은 타겟 위상각에 대응하는 값에서 상기 관찰된 위상각을 유지하도록 제어됨 -;
상기 전류의 실수 성분(real component)이 실질적으로 제로이도록 그리고 상기 전류의 허수 성분(imaginary component)이 제로보다 크도록 제어하는 단계;
상기 관찰된 위상각이 임계치 위상각 미만으로 감소할 때 상기 모터에 상기 공급 전압을 인가하는 단계;
상기 시간 세그먼트 값 동안 적어도 하나의 오프-시간 기간을 식별하는 단계 - 상기 적어도 하나의 오프-시간 기간은 상기 공급 전압이 제어되는 때와 대응함 -;
상기 시간 세그먼트 값 동안 상기 적어도 하나의 턴-오프 시간 기간의 지속기간을 설정하는 단계를 포함하고,
상기 제 2 동작 모드는:
상기 적어도 하나의 턴-오프 시간 기간 동안 상기 모터에 연결된 모터 제어기에 의해 상기 모터로의 상기 공급 전압을 턴 오프하는 단계; 및
상기 시간 세그먼트 값의 나머지 동안 상기 모터 제어기에 의해 상기 모터로의 상기 공급 전압을 턴 온하는 단계를 포함하는,
전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 제 2 동작 모드 동안 턴-온 위상각을 이상적 위상각과 비교하는 단계 ― 상기 턴-온 위상각은 상기 시간 세그먼트 값의 나머지의 시작에서 발생함 ―; 및
상기 턴-온 위상각이 상기 이상적 위상각보다 크다면 상기 시간 세그먼트 값 동안 상기 적어도 하나의 턴-오프 시간 기간의 지속기간을 증가시키는 것, 또는 상기 턴-온 위상각이 상기 이상적 위상각 미만이라면 상기 적어도 하나의 턴-오프 시간 기간의 지속기간을 감소시키는 것 중 하나를 수행하는 상기 제 1 동작 모드를 개시하는 단계를 더 포함하는,
전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 공급 전압과 상기 모터를 전기적으로 연결시키는 스위칭 디바이스의 점호각을 상기 점호각이 임계치 점호각 미만으로 떨어질 때 조정하는 단계를 더 포함하는,
전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법. - 제 14 항에 있어서,
복수의 연속적인 시간 세그먼트 값들 각각 동안 상기 식별된 적어도 하나의 오프-시간 기간의 지속기간, 및 상기 복수의 연속적인 시간 세그먼트 값들 각각의 지속기간 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 더 포함하는,
전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법. - 주기적 로드 변화들을 갖는 전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법으로서,
상기 전기 모터에 인가되는 공급 전압 및 전류를 검출하는 단계;
상기 전기 모터에 인가되는 상기 공급 전압 및 상기 전류 사이의 위상각을 관찰하는 단계;
상기 주기적 로드 변화들의 지속기간에 대응하는 시간 세그먼트 값을 획득하는 단계;
상기 관찰된 위상각을 임계치 위상각과 비교하는 단계;
제 1 동작 모드를 개시하는 단계; 및
상기 제 1 동작 모드를 수행한 이후 제 2 동작 모드를 개시하는 단계를 포함하고,
상기 제 1 동작 모드는:
상기 관찰된 위상각이 상기 임계치 위상각에 접근할 때 상기 공급 전압을 조정하는 단계 ― 상기 공급 전압은 타겟 위상각에 대응하는 값에서 상기 관찰된 위상각을 유지하도록 조정됨 ―;
상기 공급 전압과 상기 모터를 전기적으로 연결시키는 스위칭 디바이스의 점호각이 임계치 점호각 미만으로 떨어질 때 상기 모터에 상기 공급 전압을 인가하는 단계;
상기 시간 세그먼트 값 동안 적어도 하나의 오프-시간 기간을 식별하는 단계 ― 상기 적어도 하나의 오프-시간 기간은 상기 조정된 공급 전압이 상기 모터에 인가되는 때에 대응함 ―를 포함하고,
상기 제 2 동작 모드는:
상기 적어도 하나의 오프-시간 기간 동안 상기 모터에 연결된 모터 제어기에 의해 상기 모터로의 상기 공급 전압을 턴 오프하는 단계;
상기 시간 세그먼트 값의 나머지 동안 상기 모터 제어기에 의해 상기 모터로의 상기 공급 전압을 턴 온하는 단계 - 상기 시간 세그먼트 값의 나머지는 적어도 하나의 턴-온 시간 기간을 포함함 -;
턴-온 위상각을 관찰하는 단계 - 상기 턴-온 위상각은 대응하는 턴-온 시간 기간의 시작에서 발생함 -;
상기 턴-온 위상각을 이상적 위상각과 비교하는 단계;
상기 턴-온 위상각이 상기 이상적 위상각보다 크다면 상기 시간 세그먼트 값 동안 상기 적어도 하나의 턴-오프 시간 기간의 지속기간을 증가시키는 것, 또는 상기 턴-온 위상각이 상기 이상적 위상각 미만이라면 상기 적어도 하나의 턴-오프 시간 기간의 지속기간을 감소시키는 것 중 하나를 수행하는 상기 제 1 동작 모드를 개시하는 단계를 포함하는,
전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법. - 제 18 항에 있어서,
복수의 연속적인 시간 세그먼트 값들 각각 동안 상기 식별된 적어도 하나의 오프-시간 기간의 지속기간, 및 상기 복수의 연속적인 시간 세그먼트 값들 각각의 지속기간 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 더 포함하는,
전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법. - 제 18 항에 있어서,
상기 임계치 위상각, 상기 타겟 위상각, 상기 임계치 점호각 및 상기 이상적 위상각 중 적어도 하나는 실시간으로 조정가능한,
전기 모터에 대한 에너지를 세이브하는 방법.
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