RU2686304C1 - Control method for frequency-controlled electric drive of sucker rod pump with asynchronous motor - Google Patents

Control method for frequency-controlled electric drive of sucker rod pump with asynchronous motor Download PDF

Info

Publication number
RU2686304C1
RU2686304C1 RU2018132641A RU2018132641A RU2686304C1 RU 2686304 C1 RU2686304 C1 RU 2686304C1 RU 2018132641 A RU2018132641 A RU 2018132641A RU 2018132641 A RU2018132641 A RU 2018132641A RU 2686304 C1 RU2686304 C1 RU 2686304C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pump
rod
speed
asynchronous motor
frequency
Prior art date
Application number
RU2018132641A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Николаевич Ладыгин
Дмитрий Дмитриевич Богаченко
Николай Анатольевич Ладыгин
Владимир Васильевич Холин
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ")
Priority to RU2018132641A priority Critical patent/RU2686304C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2686304C1 publication Critical patent/RU2686304C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/06—Linear motors
    • H02P25/062—Linear motors of the induction type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B47/00—Pumps or pumping installations specially adapted for raising fluids from great depths, e.g. well pumps
    • F04B47/06—Pumps or pumping installations specially adapted for raising fluids from great depths, e.g. well pumps having motor-pump units situated at great depth
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/06—Control using electricity
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/20—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00 by changing the driving speed
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and can be used in frequency-controlled electric drive of sucker rod pump with asynchronous motor connected to power network via frequency converter. In the method of controlling the speed of an asynchronous motor, power consumption is reduced by realizing the possibility of controlling the rotation speed of an asynchronous motor according to the proposed law using a special computing device.
EFFECT: technical result is reduction of installed capacity of asynchronous motor and frequency converter due to use of kinetic energy of unbalanced masses of mechanism of sucker-rod pump (pumping unit), which are driven by motor by means of crank-and-rod mechanism.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления частотным регулируемым электроприводом штангового глубинного насоса с асинхронным двигателем.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used to control the variable-frequency electric driven sucker rod pump with an asynchronous motor.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ управления частотным регулируемым электроприводом штангового глубинного насоса с преобразователем частоты ACS-601, (патент США №6890156 ((Reciprocating pump control system» (Система управления штанговым глубинным насосом), опубл. 06.05.2004) согласно которому питаемый от стандартной трехфазной сети преобразователь частоты подсоединен своим выходом к асинхронному двигателю, работающему с неизменной заданной скоростью вращения и приводящему в движение механизм штангового глубинного насоса, а для задания скорости асинхронного двигателя применяется вычислительное устройство, использующее сигнал с датчика положения штанги насоса.The closest in technical essence of the present invention is a method of controlling a frequency-controlled electric drive of a sucker rod pump with a frequency converter ACS-601 (US Pat. No. 6,891,0156 ((Reciprocating pump control system ”), publ. 06/05/2004) According to which, powered by a standard three-phase network, the frequency converter is connected to an asynchronous motor with its output, which operates at a fixed set speed and drives the sucker-rod mechanism innogo pump, and to set the induction motor speed applies a computing device using a signal from the pump rod position sensor.

Недостатком известного способа является завышенное энергопотребление определяемое отсутствием возможности использовать кинетическую энергию неуравновешенных масс механизма при перемещении штанги, тогда как хорошо известно, что в конструкции штангового глубинного насоса (станка - качалки) имеются значимые по своей массе противовесы, способные запасать кинетическую энергию.The disadvantage of this method is overestimated power consumption determined by the inability to use the kinetic energy of unbalanced masses of the mechanism when moving the rod, whereas it is well known that the design of the sucker rod pump (machine - rocker) has significant weight counterweights that can store kinetic energy.

Технической задачей предлагаемого изобретения является реализация возможности использовать кинетическую энергию неуравновешенных масс конструкции насоса при перемещении штанги насоса посредством кривошипно-шатунного механизма.The technical task of the invention is the realization of the ability to use the kinetic energy of unbalanced masses of the pump design when moving the pump rod by means of a crank mechanism.

Технический результат заключается в уменьшении энергопотребления, и, как следствие - уменьшении установленной мощности асинхронного двигателя и преобразователя частоты, за счет использования кинетической энергии неуравновешенных масс механизма штангового глубинного насоса, которые приводятся в движение кривошипно-шатунным механизмом.The technical result is to reduce energy consumption and, as a result, to reduce the installed power of the asynchronous motor and frequency converter, due to the use of the kinetic energy of unbalanced masses of the sucker rod pump mechanism, which are driven by a crank mechanism.

Технический результат достигается тем, что в известном способе управления частотно-регулируемым электроприводом штангового глубинного насоса, при котором асинхронный двигатель, получающий питание от преобразователя частоты, приводит в движение механизм штангового глубинного насоса, а для регулирования скорости асинхронного двигателя применяют вычислительное устройство, использующее сигнал с датчика положения штанги насоса и выдающее на преобразователь частоты управляющий сигнал, устанавливающий заданную скорость ωзад вращения асинхронного двигателя, согласно изобретению, сигнал с датчика положения штанги насоса используют вычислительным устройством для определения направления движения штанги насоса, а сигнал управления скоростью, подаваемый с выхода вычислительного устройства на вход преобразователя частоты, используют для уменьшения или увеличения заданной скорости вращения двигателя при подъеме или опускания штанги согласно следующим уравнениям:The technical result is achieved in that in a known method of controlling a variable-frequency electric drive of a sucker rod pump, in which an induction motor powered by a frequency converter drives the mechanism of a sucker rod pump, and a computer using a signal with pump rod position sensor and provides the control signal to the frequency converter that sets the predetermined rotational speed ω ass synchronous motor according to the invention, the signal from the pump rod position sensor is used by a computing device to determine the direction of movement of the pump rod, and the speed control signal supplied from the output of the computing device to the input of the frequency converter is used to reduce or increase the set speed of the engine when raising or lowering rods according to the following equations:

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

где: ωmax - максимальное значение заданной скорости вращенияwhere: ω max - the maximum value of a given speed of rotation

асинхронного двигателя, устанавливаемое из технологических условий работы насоса;induction motor, installed from the technological conditions of the pump;

ωmin - минимальное значение заданной скорости вращения асинхронного двигателя, устанавливаемое с целью уменьшения мощности применяемого электропривода, и допустимое из технологических условий работы насоса;ω min - the minimum value of the set speed of rotation of the asynchronous motor, installed to reduce the power used by the electric drive, and acceptable from the technological conditions of the pump;

t1 - время, отсчитываемое от момента начала подъема штанги,t 1 - time, counted from the moment of the beginning of the lifting bar,

t2 - время, отсчитываемое от момента начала опускания штанги;t 2 is the time counted from the beginning of the lowering of the rod;

Figure 00000003
Figure 00000003

- темп, с которым должна изменяться скорость вращения асинхронного двигателя;- the rate at which the rotational speed of the induction motor should be changed;

i - передаточное число редуктора между осями двигателя и кривошипа.i - gear ratio of the gearbox between the axles of the engine and crank.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ управления частотно-регулируемым электроприводом штангового глубинного насоса с асинхронным двигателем, на фиг. 2 представлена кривая иллюстрирующая изменения сигнала задания скорости ωзад при подъеме и опускании штанги и соответствующий этой кривой сигнал, получаемый от датчика перемещения штанги.The essence of the proposed method is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a block diagram of a device that implements the proposed method of controlling a variable-frequency electric drive of a sucker-rod pump with an asynchronous motor; FIG. 2 shows a curve illustrating changes in the speed reference signal ω ass when the rod is raised and lowered, and the signal corresponding to this curve is received from the rod displacement sensor.

Устройство, реализующее предлагаемый способ управления частотно-регулируемым электроприводом штангового глубинного насоса с асинхронным двигателем, приведенное на фиг. 1, содержит преобразователь частоты 1, вход которого подсоединен к трехфазной питающей сети, а выход - ко входу асинхронного двигателя 2, приводящего в движение механизм штангового глубинного насоса 3, на котором установлен датчик положения 4, выход которого подсоединен ко входу вычислительного устройства 5, сигнал управления скоростью с выхода которого подается на преобразователь частоты 1.A device that implements the proposed method of controlling a variable-frequency electric rod pump with an asynchronous motor, shown in FIG. 1, contains a frequency converter 1, the input of which is connected to a three-phase mains supply, and the output - to the input of an asynchronous motor 2, which drives the mechanism of a sucker rod pump 3, on which a position sensor 4 is installed, whose output is connected to the input of a computing device 5, a signal speed control from the output of which is fed to the frequency converter 1.

Устройство работает следующим образом: на управляющие входы вычислительного устройства 5 подаются сигнал задания максимальной скорости вращения ωmax, сигнал задания минимальной скорости вращения ωmin и сигнал с датчика положения 4. При подъеме штанги глубинного насоса с датчика положения 4 поступает сигнал логической единицы, при этом вычислительное устройство выдает на свои выход уменьшающийся сигнал задания скорости вращения, в соответствии С (1), а при опускании штанги глубинного насоса с датчика положения 4 поступает сигнал логического нуля, при этом вычислительное устройство выдает на свой выход увеличивающийся сигнал задания скорости вращения в соответствии с (2).The device operates as follows: the control inputs of the computing device 5 are sent to the maximum rotation speed ω max , the minimum rotation speed ω min and the signal from position sensor 4. When the depth pump rod is raised from position 4, a logical unit signal is received, while the computing device outputs to its output a decreasing speed reference signal, in accordance with C (1), and when the depth pump rod is lowered, a signal is received from the position sensor 4 about zero, wherein the computing device produces at its output an increasing signal speed reference in accordance with (2).

При таком управлении скорость асинхронного двигателя изменяется в пределах от ωmax до ωmin (фиг. 2), что предопределяет изменение запаса кинетической энергии неуравновешенных движущихся масс механизма глубинного насоса, равное изменению потенциальной энергии этих масс за половину оборота его кривошипа (за один ход штанги). При этом осуществляется использование кинетической энергии неуравновешенных движущихся масс механизма глубинного насоса путем управления скоростью двигателя с определенным темпом замедления при движении штанги вверх. Затем затраченная часть запаса кинетической энергии восстанавливается на участке опускания штанги благодаря разгону двигателя до скорости ωmax. В результате двигатель затрачивает меньше энергии на подъем неуравновешенной массы, используя запас кинетической энергии этой массы.With this control, the speed of an asynchronous engine varies from ω max to ω min (Fig. 2), which determines the change in the kinetic energy reserve of unbalanced moving masses of the deep pump mechanism, equal to the change in the potential energy of these masses in half a turn of its crank (for one stroke of the rod) ). In this case, the kinetic energy of the unbalanced moving masses of the submersible pump mechanism is used by controlling the speed of the engine with a certain deceleration rate when the rod moves upwards. Then, the spent part of the kinetic energy reserve is restored at the site of lowering the rod due to the engine acceleration up to the speed ω max . As a result, the engine spends less energy on lifting an unbalanced mass, using the kinetic energy reserve of that mass.

Необходимое значение темпа изменения скорости (угловое ускорение) определяется очевидным образом (см. фиг. 2) по уравнению:The necessary value of the rate of change of speed (angular acceleration) is determined in an obvious way (see Fig. 2) by the equation:

Figure 00000004
Figure 00000004

где t0 - время изменения угловой скорости в пределах ωmax, ωmin определяется из условия поворота вала двигателя на угол 2πi со средней скоростью

Figure 00000005
, т.е.where t 0 is the time of change of the angular velocity within ω max , ω min is determined from the condition of rotation of the motor shaft through an angle of 2πi with an average speed
Figure 00000005
i.e.

Figure 00000006
Figure 00000006

Подставляя (5) в (4) и учитывая необходимость иметь запас темпа изменения скорости на компенсацию погрешности измерений получаем уравнение (3), приведенное выше.Substituting (5) into (4) and taking into account the need to have a reserve of rate of change in speed to compensate for measurement errors, we obtain equation (3) given above.

Использование предлагаемого способа позволяет уменьшить поток энергии, проходящий через преобразователь и двигатель, что приводит к уменьшению потери энергии и установленной мощности электрооборудования.Using the proposed method allows to reduce the flow of energy passing through the converter and the motor, which leads to a decrease in energy loss and installed power of electrical equipment.

Claims (9)

Способ управления частотно-регулируемым электроприводом штангового глубинного насоса, при котором асинхронный двигатель, получающий питание от преобразователя частоты, приводит в движение механизм штангового глубинного насоса, а для регулирования скорости асинхронного двигателя применяют вычислительное устройство, использующее сигнал с датчика положения штанги насоса и выдающее на преобразователь частоты управляющий сигнал, устанавливающий заданную скорость ωзад вращения асинхронного двигателя, отличающийся тем, что сигнал с датчика положения штанги насоса используют вычислительным устройством для определения направления движения штанги насоса, а сигнал управления скоростью, подаваемый с выхода вычислительного устройства на вход преобразователя частоты, используют для уменьшения или увеличения заданной скорости вращения двигателя при подъеме или опускании штанги согласно следующим уравнениям:The method of controlling a variable-frequency electric drive of a sucker rod pump, in which an induction motor powered by a frequency converter drives the mechanism of a sucker rod deep pump, and a computer using a signal from a pump rod position sensor and outputting to the converter is used to control the speed of an induction motor frequency control signal that sets a given speed ω back of rotation of an induction motor, characterized in that the signal with yes A torsion bar pump is used by a computing device to determine the direction of movement of the pump bar, and the speed control signal supplied from the computing device output to the frequency converter input is used to reduce or increase the set speed of the motor when raising or lowering the bar according to the following equations: при подъеме штанги - ωзад = ωmax - ε⋅t1,when lifting the rod - ω ass = ω max - ε⋅t 1 , при опускании штанги - ωзад = ωmin + ε⋅t2,when lowering the rod - ω ass = ω min + ε⋅t 2 , где ωmax - максимальное значение заданной скорости вращения асинхронного двигателя, устанавливаемое из технологических условий работы насоса;where ω max - the maximum value of a given speed of rotation of the induction motor, installed from the technological conditions of the pump; ωmin - минимальное значение заданной скорости вращения асинхронного двигателя, устанавливаемое с целью уменьшения мощности применяемого электропривода и допустимое из технологических условий работы насоса;ω min - the minimum value of the set speed of rotation of the asynchronous motor, installed to reduce the power used by the electric drive and valid from the technological conditions of the pump; t1 - время, отсчитываемое от момента начала подъема штанги,t 1 - time, counted from the moment of the beginning of the lifting bar, t2 - время, отсчитываемое от момента начала опускания штанги;t 2 is the time counted from the beginning of the lowering of the rod;
Figure 00000007
- темп, с которым должна изменяться скорость вращения асинхронного двигателя;
Figure 00000007
- the rate at which the rotational speed of the induction motor should be changed; i - передаточное число редуктора между осями двигателя и кривошипа.i - gear ratio of the gearbox between the axles of the engine and crank.
RU2018132641A 2018-09-13 2018-09-13 Control method for frequency-controlled electric drive of sucker rod pump with asynchronous motor RU2686304C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018132641A RU2686304C1 (en) 2018-09-13 2018-09-13 Control method for frequency-controlled electric drive of sucker rod pump with asynchronous motor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018132641A RU2686304C1 (en) 2018-09-13 2018-09-13 Control method for frequency-controlled electric drive of sucker rod pump with asynchronous motor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2686304C1 true RU2686304C1 (en) 2019-04-25

Family

ID=66314846

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018132641A RU2686304C1 (en) 2018-09-13 2018-09-13 Control method for frequency-controlled electric drive of sucker rod pump with asynchronous motor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2686304C1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4102394A (en) * 1977-06-10 1978-07-25 Energy 76, Inc. Control unit for oil wells
WO2003048578A1 (en) * 2001-12-03 2003-06-12 Abb Inc. Rod saver speed control method and apparatus
US6890156B2 (en) * 2002-11-01 2005-05-10 Polyphase Engineered Controls Reciprocating pump control system
RU2334897C1 (en) * 2007-01-09 2008-09-27 Республиканское Унитарное Предприятие "Производственное Объединение "Белоруснефть" Method of diagnosing bottom-hole sucker-rod pump drive steadiness
EP2053245A1 (en) * 2006-08-04 2009-04-29 Jun Liu A surface motor direct-drive sucker-rod screw pump device
RU121529U1 (en) * 2012-06-05 2012-10-27 Валерий Владимирович Бодров DEEP DEPT PUMP DRIVE
RU2534636C1 (en) * 2013-08-05 2014-12-10 Павлова Ольга Анатольевна Well bottom-hole pump drive

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4102394A (en) * 1977-06-10 1978-07-25 Energy 76, Inc. Control unit for oil wells
WO2003048578A1 (en) * 2001-12-03 2003-06-12 Abb Inc. Rod saver speed control method and apparatus
US6890156B2 (en) * 2002-11-01 2005-05-10 Polyphase Engineered Controls Reciprocating pump control system
EP2053245A1 (en) * 2006-08-04 2009-04-29 Jun Liu A surface motor direct-drive sucker-rod screw pump device
CA2671353C (en) * 2006-08-04 2014-04-22 Direct Drive Pcp Inc. A motor direct drive rod ground screw pump device
RU2334897C1 (en) * 2007-01-09 2008-09-27 Республиканское Унитарное Предприятие "Производственное Объединение "Белоруснефть" Method of diagnosing bottom-hole sucker-rod pump drive steadiness
RU121529U1 (en) * 2012-06-05 2012-10-27 Валерий Владимирович Бодров DEEP DEPT PUMP DRIVE
RU2534636C1 (en) * 2013-08-05 2014-12-10 Павлова Ольга Анатольевна Well bottom-hole pump drive

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10100623B2 (en) Intra-stroke cycle timing for pumpjack fluid pumping
US6749017B1 (en) Full automatic machine for oil extraction
US4661751A (en) Well pump control system
US20170002805A1 (en) Electric motor control for pumpjack pumping
US7891237B2 (en) Method for estimating pump efficiency
US10107282B1 (en) Articulated reciprocating counterweight
US10260497B2 (en) Power unit of hydraulic pumping unit and corresponding hydraulic pumping unit
EA007102B1 (en) Reciprocating pump control system and method therefor
CN106948796A (en) A kind of oil pumper takes out control device and method between not shutting down
US20170002636A1 (en) Detection and mitigation of detrimental operating conditions during pumpjack pumping
CN103061715A (en) Pump jack pump-off control method and pump jack control apparatus
US20170226832A1 (en) Mobilized Tail Bearing Pumpjack
WO2017100669A1 (en) Controller for a rod pumping unit and method of operation
CN111810126A (en) Automatic control equipment and method for improving pumping efficiency of beam-pumping unit
KR101521781B1 (en) Electronic power saving device for oilwell diggers: Pump Jack
WO2017180839A1 (en) Sucker rod pumping unit and method of operation
RU2686304C1 (en) Control method for frequency-controlled electric drive of sucker rod pump with asynchronous motor
MXPA04005322A (en) Rod saver speed control method and apparatus.
US10774627B1 (en) Adjusting speed during beam pump cycle using variable speed drive
RU2749236C2 (en) Controller and method to control a sucker-rod pump
EP2660467A1 (en) Concrete pump and method for adjusting value of drive pressure to swinging actuator thereof
US4476418A (en) Well pump control system
RU2229623C1 (en) Pumping unit drive with compensation of load-irregularities
CA2970320A1 (en) Methods and system for enhancing flow of a fluid induced by a rod pumping unit
Takacs Exact kinematic and torsional analysis of Rotaflex pumping units