尤其是用於油井的漸進空腔泵的機電驅動系統的製作方法

2023-12-09 14:30:06 4

專利名稱：尤其是用於油井的漸進空腔泵的機電驅動系統的製作方法
尤其是用於油井的漸進空腔泵的機電驅動系統下面的發明涉及要耦聯到驅動裝置或被驅動裝置的電系統。 本發明更具體地但並非排他地涉及被驅動裝置的驅動系統，所述 被驅動裝置在其操作期間能夠存儲相當大的勢能。在該系統的電源發生故障的情況下，這種勢能可以沿反方向突然地驅動所述系統。這被稱為逆轉，其可能會引起不受控的旋轉，其中逆轉速度達到對人或設備可能存在危險的值。例如，這個問題在油井中使用的漸進空腔泵中發生。 當在操作中時，這種泵以兩種形式之一存儲勢能， 一方面， 一種形式是在繞自身旋轉的泵的傳動鑽杆中的扭矩能，另一方面，是對應於井中的液體量的流體靜力能。通常，這些泵由異步電動機和提供大約2至5的減速比的滑輪系 統驅動。包括制動裝置，以避免當電動機停止時由存儲的勢能引起的系統 的突然逆轉。例如，這種裝置包括機械盤或離心制動器或液壓制動裝置。 乂i^開文獻WO 99/2477、 WO 00/25000、 US 2005/0045323、 US6079489、 US 6113355及US 5749416給出了制動裝置的相對複雜的例子的細節。日本專利JP 61 269686的摘要公開了一種包括用於水泵的異步 驅動電動機的系統。該電動機包括纏繞轉子。在制動操作期間，定子繞組向耗能電路放電，同時轉子繞組由電 源供電。這種系統在電源斷電的情況下不能工作，因為電動機不能作為自 發發電機工作。本發明的目的在於，提供一種連接到驅動裝置和/或被驅動裝置 的機電系統，其能夠在操作條件、特別是電源發生改變的情況下避免 逆轉。
這種機電系統例如被配置為連接到被驅動裝置，並包括電動機。 一種被驅動裝置例如是漸進空腔泵的杆。
這種機電系統可以被配置為連接到驅動裝置，因而可包括發電 機。 一種驅動裝置例如是風輪機。
按照本發明的一個方面， 一種要被連接到電源的機電系統包括 -具有旋轉軸的電動機械，以及 -開關系統，其允許
在第一配置中，在所連接的裝置被正常驅動的情況下所述電動機 械作為電動機工作，或者在所耦連的裝置正在正常驅動的情況下所述 電動機械作為發電機工作，以及
在第二配置中，所述電動機械作為獨立的發電機工作，由電動機 械產生的電能被消耗在所述電動機械和耗能負載中。
當該電動機械作為自發發電機工作時，連接到該電動機械的耗能 負栽可以確保能量消耗的較大的或較小的部分。能量消耗的絕大部分 可能發生在電動機械本身內，特別是在定子繞組內，尤其是在耗能負下。
因而，不應當在局限的意義上去理解術語"耗能負栽"，在這個負 載上消耗的功率可能比電動機械本身消耗的功率小得多。當電動機械 短路時，由電動機械本身產生的能量的大部分消耗在電動機械內。因 而，耗能負載被減少到造成這種短路的導體、觸點和/或元件。在其內 部阻抗非常低的情況下，在短路中消耗的功率和在電動機械中消耗的 功率相比可以被忽略。
本發明使得能夠利用電動機械產生轉矩。
術語"獨立的發電機"是指不用來自電源的外部電力供應便可以工作的發電機。
當電動機械作為獨立的發電機工作時，由轉子產生的激勵定子繞 組的磁場可能是由於永磁體和/或由集成的勵磁器供給能量的線圏或 者由電動機械產生的電流供電的線圈的存在。該電動機械可能是異步 電機，其激磁由一個或多個與定子端子相連的電容器提供。
在特定實施例中，這種電動機械可以包括被永久激磁的轉子，尤 其是具有永磁體的轉子。使用具有永磁體的電機可以提高可靠性。
這種機電系統可以不包括任何電池，這種電池被設計為當電動機 械作為獨立的發電機工作時用作向電動機械的繞組饋送能量的輔助 電源，並且可以不具有用於執行同樣任務的任何外部發電機。
當電動機械包括永磁體轉子時，有利地是，該轉子是磁通集中的 轉子，具有在極片之間嚙合的永磁體。這種電動機械尤其是可以包括 被徑向定向的永磁體，每個永磁體的極軸沿圓周方向定向。
特別是根據耗能負栽的阻抗，可以修改轉矩/速度曲線的形狀， 尤其是，可以使轉矩增加，直到其達到某個特定轉速下的最大值，然 後減小。耗能負載的低阻抗可以使得能夠相對快地達到最大轉矩。有
利地是，轉矩處於最大值時的速度例如小於或等於50rpm，更好的是 40 rpm,還要好的是35 rpm。
這可以使得在失去電源之後立即引起所連接的裝置的有效制動， 並允許所連接的裝置以相當低的速度繼續轉動。
即使制動轉矩處於正常轉矩附近，由於速度相對較慢，能量消耗 保持相對較低。這允許該系統被保持在這種狀態下而不會使電動機械 過熱。
在所連接的裝置是泵的情況下，尤其是諸如漸進空腔類型的油井 泵的情況下，其可以允許非常慢地汲取井中的液柱。
當電源被重新建立時，該系統可被重新啟動，而不會由於排空和 重新填滿井所需的停機時間而影響生產。
在實現本發明的例子中，該系統可以具有也可以沒有在軸和要連 接到機電系統的裝置之間的減速器或增速器。減速器的存在還可以使得能夠從慣性制動得到好處。
本發明能夠以相對簡單、可靠和經濟的方式被使用，從而減少逆 轉的危險，例如在與系統相連的電源發生故障的情況下。
當所述電動機械是電動機時，開關系統可以在第一配置下向電動 機供電，從而驅動所連接的裝置。
減速器可以減少齒輪，從而提高可靠性。
減速比可以大於6，特別是在7到15之間，這允許電動機能夠 在相對較高的速度下被使用，例如在正常工作模式下介於2000到9000 rpm之間。
所述系統可以包括耗能負載。後者可以具有至少一個電解或金屬 電阻，例如至少一個浸沒在液體槽中的金屬電阻。
在適當的情況下，耗能負載可被減小到被短路的導體，並呈現相 對較低的阻抗，有利的是小於被這樣短路的電動機械的繞組的內部阻 抗。這可以具有這樣的優點當由所連接的裝置驅動時，確保了電動 機械在其自身的內部阻抗上進行輸出。
這可以在低轉速下提供相對較大的制動轉矩，這對於一旦失去電 源時對所連接的裝置進行強制動可能是感興趣的，如上所述。
耗能負載可以通過一個或多個開關直接連結到電動機械的端子， 所述開關可以是機電繼電器或電子元件的形式，例如可控矽或功率晶 體管。
在用於實現本發明的例子中，當電動機械作為獨立的發電機工作 時，耗能負載被連接到電動機械，使得由電動機械產生的電流不流過 相當複雜的電子裝置，如逆變器或調節器。在作為示例的實施例中， 耗能負栽可以被連接到所述電動機械，而所述連接不涉及功率電子元 件。
當耗能負載具有電解電阻、並且其具有至少兩個浸沒在電解液中 的電極時，電解液的液面可以改變，從而改變阻抗。
開關系統可以被配置為當向電動機械供電的電源或由其饋電的 電網被有意或無意地斷開或發生故障時，和/或當電機停止時，從上述的第一配置自動改變到第二配置。
開關系統可以包括至少一個具有線圏的繼電器，該線團例如可以 由電源直接地或間接地供電。
開關系統可以被配置為保持在第二配置下直到收到一個預定的指令。
例如根據在電動機械上觀測到的電壓、時間延遲或電動機械的轉 速來發送所述預定的指令。
所述電系統可以包括頻率調節器，電動機連接到這個頻率調節 器。例如可以由所述頻率調節器發出所述預定的指令。當電動機械作 為獨立的發電機工作時，不能向頻率調節器供電，也不能從電動機械 接收電能。在第二配置中，所述頻率調節器例如從電動機械上斷開。
在另 一個作為示例的實施例中，該系統可以包括用於控制電動機 械的逆轉速度的裝置，其被配置為連接和斷開耗能負載，使得逆轉速 度保持在可預先確定的兩個閾值之間。
因而該控制裝置可被配置為當達到最小速度閾值時斷開負栽，而 當達到最大速度閾值時重新連接負載。
用於逆轉速度的控制系統還可被配置為影響流向耗能負載的電 流，使得逆轉速度保持在兩個預定的閾值之間，和/或保持接近恆定。
因而機電系統可以保持在一個預定的速度範圍內，直到制動轉矩 高於驅動轉矩並且驅動轉矩保持足以使系統加速。
本發明的另一個目的是一種用於油井的漸進空腔泵的表面驅動
系統，包括
-具有輸出軸的電動機，
-減速器，最好是齒輪減速器，位於輸出軸和驅動杆之間， -耗能負載，
-開關系統，被配置為允許
在第一配置中，所述電動機由電源供電，以便在初始方向上驅動 泵的泵驅動杆，以及
在第二配置中，此時輸出軸被驅動沿著和第一方向相反的方向轉動，由被這樣驅動的電動機產生的電能朝向耗能負載傳遞，
所述開關系統被配置為尤其在電源被切斷的情況下自動轉換到
第二配置。
電動機可被連接到頻率調節器。
減速比可以大於6，特別是在從7到15的範圍內。 電動機可以是永磁型的。
按照本發明的另 一個方面，本發明的另 一 目的是一種用於油井的 漸進空腔泵的表面驅動系統，包括
-電動機，具有定子繞組和具有永磁體的轉子，尤其是磁通集中 的轉子，
-開關系統，被配置為在第一配置中電動機由電源供電，在第 二配置中，在提供給電動機的電源意外中斷的情況下，例如在電源停 電期間，使定子繞組短路。
通過結合附圖閱讀下面的示例的實施例(非窮舉)的詳細說明， 可以更好地理解本發明，其中
-

圖1是根據本發明的一個作為示例的實施例的機電系統的方
框-圖2是繼電器開關系統的示意性表示；
-圖3示出了可能的耗能負載，其包括幾層可選擇的電阻；
-圖4和圖9是機電系統的其它例子的方框-圖5和圖6是具有逆轉速度控制系統的機電系統的方框-圖7以截面圖示意性地示出了永磁轉子的一個例子；以及
-圖8是制動轉矩/速度變化曲線的一個例子。
圖l所示的機電系統l包括電動機械2，在所考慮的例子中其包 括電動機。
這個電動機例如包括定子和具有永磁體的轉子。定子例如具有集 中的或分布式的繞組。轉子例如包括在表面上的磁體或者位於磁極之
10間的磁體。
圖8是轉子100的一個例子，其具有徑向設置在極片102之間的 永磁體101。
這種類型的轉子是磁通集中的轉子，其能夠減少短路電流，並減 少過熱和/或磁體去磁的危險。電動機例如是美國專利US 6891299中 所描述的類型。相關的定子繞組可以是集中的或分布式的。
在所考慮的例子中，機電系統1還包括齒輪減速器3，其允許減 小電動機2的轉速，以便驅動一個被驅動裝置4，例如位於油井底部 的漸進空腔泵的驅動杆。
減速器3例如實現了相當高的減速係數，例如在6以上，特別是 在7和15之間。
電動機2通常由連接到電源7的頻率調節器6供電。
電動機2通過開關系統9由調節器6供電。所述開關系統可以處 於第一配置下，其中電動機2由調節器6供電；並可以處於第二配置 下，其中電動機2被連接到耗能負栽13。
開關系統9例如包括至少一個電子和/或機電的開關，所述開關 使得可以把電動機2連接到調節器6或者連接到耗能負載13。
在本發明的一個實施例中，開關系統9包括至少一個機電線圏繼 電器10和一系列觸點11。
所述的一系列觸點11例如允許當向線團10供電時，在導體組 14和15之間建立電流通路，所述導體組分別連接到電動機2和調節 器6。
在缺少向線圏供電的電源的情況下，所述的一系列觸點11把導 體組14連接到與耗能負栽13相連的導體組17。
在本發明的實施例中，例如可以通過電動機械的轉速、在電動機 械上觀測到的電壓或延時來控制電動機的重新啟動。
例如，可以在只要速度不等於零或者電動機械的端子上的電壓不 小於一個閾值的情況下避免重新啟動。
在所示的例子中，機電繼電器的第二系列觸點12可被這樣使用通過該第二系列觸點對線團IO供電，這樣使得一旦向線圏IO的供電 停止，可以避免其被再次激勵，直到在開關系統9上執行預定的操作。 這樣可以在例如停電之後電源7被恢復的情況下避免需要重新 啟動電動機。
預定的指令例如來自調節器6，但也可以以不同的方式來實現， 例如通過手動開關。
耗能負載13可以由低歐姆電阻的電導體來實現，以便使電動機 械的端子短路，要被消耗的功率的大部分被消耗在電動機械中。作為 替代，耗能負載13也可以具有較高的阻抗。
耗能負載13例如包括至少一個電阻，其例如是金屬電阻或電解電阻。
金屬電阻最好被浸沒在阻燃的液體槽中，這在所述機電系統被用 於易爆環境中時能夠減少發生火災的危險，在油井附近可能就是這種 情況。
耗能負栽13可以由電阻和/或任何其它無源或有源元件構成，其 允許電能被消耗，例如電容器和/或自感線圍。
耗能負載13還可以包括具有至少兩個浸沒在電解液中的電極的 電解電阻。如果需要的話，電解液的液面可以改變，以便把電阻調節 到所希望的值。
電動機的制動轉矩由流過耗能負栽13的電流確定。耗能負載的 阻抗選擇將允許能量以適當的方式被消耗。
例如，當泵驅動杆慢時，可以根據需要減少制動轉矩，使得井可 被快速抽空。
為此目的，耗能負栽13可以包括由電阻組成的若干個電阻層20, 其例如根據電動機的轉速和/或電動機端子上的電壓可以通過開關係 統9有選擇性地連接到電動機2,如圖3所示，從而例如在保持在某 些限制內的同時可以消耗最大的功率。
在使用電解電阻的所示例子中，電解液的液面在制動期間隨時間 而改變，例如通過受控的排放而被降低。電解液液面的降低使得電阻增加，並減少了制動轉矩。這種液面 的降低例如可以在向第二配置切換的期間被觸發。
在電源7被中斷的情況下，圖1中的機電系統允許通過在被驅動 裝置中積累的能量使電動機2例如沿相反的方向被驅動。
考慮到減速器3中的減速，其提供了慣性制動，這種轉動可以在 相對較高的速度下發生。
減速器3中齒輪的使用有助於確保在被驅動裝置4和電動機2 之間的機械連接的可靠性。
電動機2的轉子的驅動產生電能，該電能根據相應的阻抗在或大 或小的程度上被消耗在耗能負栽13和電動機2中。
使用永磁體電動機有助於提高機電系統的可靠性，這種類型的電 動機具有集中的永久激磁的優點。
開關系統9可被設置為不僅在電源7停電的情況下，而且在電動 機停止或者在調節器6發生故障的情況下自動轉換到其中電動機2被 連接到耗能負栽13的配置。
由電動機2提供的制動有助於避免泵驅動杆以過高的速度旋轉。 因而積累的勢能可被逐漸地消耗。
當電動機2是異步電動機的情況下，可以把激磁電容器連接到它 的端子。
本發明還可以通過加速器3被應用於由驅動裝置4、如風輪機驅 動的電動機械22。
在這種情況下，電動機械22—般作為發電機，並且把能量返回 給電網27。
如果電網27不存在，則系統將空轉運行，存在失控旋轉的危險； 此時開關系統9可以允許發電機22在耗能負載13中放電，這產生了 制動轉矩。
被驅動裝置2或驅動裝置24的制動僅通過電動機2或發電機22 來實現，其中藉助於使它們在耗能負栽13中放電來實現制動，如剛 才所解釋的。不過，當被驅動裝置4或驅動裝置24的制動還涉及其它的制動 裝置時，也不超出本發明的範圍，所述其它的制動裝置例如是機械或 液壓的，其例如在與由電動機2或發電機22施加的制動轉矩的同時
或者以不同時的方式發揮作用。
這種制動裝置例如對於達到電動機2或發電機22的某個特定轉
速是有效的。
圖5和圖6示出了一種具有逆轉速度控制系統10的機電系統。 藉助於任何切斷電源的裝置，例如至少一個接觸開關或具有可控
矽的靜態電子開關，通過控制系統IO使耗能負載13連接到電動機械
2或22相連或者從電動機械上斷開。
這種裝置IO被配置為使得電動機械的轉速被維持在兩個閾值之
間。當達到最小速度閾值時，耗能負載13從電動機械2或22上斷開。
此時處於空轉的機電系統可以在所連接的裝置4的驅動轉矩的作用下
被加速。
當達到最大速度閾值時，負栽13被連接。從而使所連接的裝置 被制動，制動轉矩取決於負載13中的電流。
因而裝置IO允許該系統維持在所需的速度範圍內，只要制動轉 矩高於驅動轉矩並且驅動轉矩保持足以使系統加速。
特別低，在具有永磁體轉子的電動機械的情況下，由電動機械提 供的電壓對應於轉速，並且當電動機械作為發動機工作時，根據電動 機械的輸出電壓可以進行負載的切換。
控制系統10可以包括機電繼電器，該機電繼電器在對應於必須
進行制動的速度的某個特定電壓之上進行觸發。
控制系統10可以包括更複雜的、允許調節觸發閾值的電子電路。 代替使用通過一個或多個電子或機電開關表示的"全有或全無" 型的邏輯，也可以使用一種控制裝置10，例如PWM斬波器的調節器 或變阻器型的調節器，從而允許在電機2或22與耗能負載13之間的 電流被連續地控制。這樣可以允許進行更精確的速度調節。
當例如為了使逆轉速度最小而需要對相對較低的轉速施加相對較高的制動轉矩時，可能有利的是，選擇其阻抗小於電動機械的內部
阻抗的耗能負載13，以便獲得相對於速度而言轉矩的快速增大，如圖 7所示。例如，對於小於或等於50 rpm的速度、例如大約30 rpm， 可以獲得最大的制動轉矩。在耗能負載具有低阻抗的這種類型的例子 中，轉子例如具有永磁體並且是磁通集中型的。
在圖9所示的變體中，調節器6保持和電動機2相連，並且包括 能夠承受當電動機械2作為發電機工作時感生出的電壓的電子開關。
術語"電源，，應當在一般的意義上去理解，包括公共的或私有的以 及地區性的或本地的電源。
例如，電源可以是大約100V/60Hz、大約220V/50 Hz的單相電 源，大約400V/50 Hz或大約460 V/60Hz的三相電源。
在上述的例子中，機電系統具有減速器或增速器，但是在其它的 這裡未包括的變體中，例如用於其它應用的變體中，機電系統也可以 沒有減速器或增速器。
"包括"這個表述必須理解為"包括至少 一個，，的同義語，除非另有說明。
權利要求
1. 一種要被連接到電源(7; 27)的機電系統(1)，包括 -電動機械(2; 22)，其可作為獨立的發電機工作，包括旋轉軸，以及-開關系統(9)，其允許i) 在第一配置中，在所連接的裝置(4)被正常驅動的情況 下，所述電動機械作為電動機工作，或者在被連接的裝置(24)正在 正常地驅動的情況下，所述電動機械作為發電機工作，以及ii) 在第二配置中，所述電動機械作為獨立的發電機工作，由 所述電動機械(2; 22)產生的電能被消耗在所述電動機械和耗能負 栽(13)中。
2. 如前一權利要求所述的系統，所述開關系統(9)被配置為在 向所述電動機械供電的或者由所述電動機械供電的電源(7, 27)停 電和/或所述電動機械停止的情況下，自動地從所述第一配置轉換到所 述第二配置。
3. 如權利要求1或2所述的系統，包括位於所述軸和要被連接到 所述機電系統的裝置(4)之間的減速器(3)或增速器(3)。
4. 如權利要求1到3所述的系統，所述電機是電動機，在第一配 置中所述開關系統允許向所述電動機供電，以驅動所連接的裝置。
5. 如權利要求3所述的系統，包括齒輪減速器。
6. 如權利要求5所述的系統，其中減速比大於6。
7. 如前一權利要求所述的系統，其中減速比的範圍是從7到15。
8. 如前面任一權利要求所述的系統，包括耗能負載(13)。
9. 如前一權利要求所述的系統，其中所述耗能負栽包括至少一個 金屬電阻或電解電阻。
10. 如前面任一權利要求所述的系統，所述耗能負載包括至少一 個浸沒在液體槽中的電阻。
11. 如前面任一權利要求所述的系統，所述電動機械具有內部阻抗，並且所述耗能負載(13)的阻抗低於所述內部阻抗。
12. 如權利要求1到7中任一所述的系統，所述開關系統被配置 為在第二配置中使所述電動機械短路，由所述電動機械產生的能量的 大部分被消耗在所述電動機械內。
13. 如前面任一權利要求所述的系統，所述電動機械(2)的轉子 具有永磁體。
14. 如權利要求1到10中任一所述的系統，在第二配置中所述電 動機械是自激的。
15. 如權利要求2所述的系統，所述開關系統包括至少一個具有 由電源供電的線圏(10)的繼電器。
16. 如前面任一權利要求所述的電系統，其中所述開關系統(9) 被配置為保持在第二配置下，直到接收到預先規定的指令為止。
17. 如權利要求4所述的電系統，包括頻率調節器(6)，所述電 動機連接到這個頻率調節器。
18. 如前面任一權利要求所述的電系統，其中由所述頻率調節器 發出所述規定的指令。
19. 如前面任一權利要求所述的電系統，包括用於所述電動機械 (2; 22)的逆轉速度控制裝置(10)，其被配置為連接和斷開所述電動機械(2; 22)的耗能負載(13)，和/或作用於流向耗能負載的 電流，使得逆轉速度保持在兩個預定的閾值之間。
20. 如權利要求13所述的電系統，所述電動機械的轉子是磁通集 中型的。
21. —種用於油井的漸進空腔泵的表面驅動系統，包括 -具有輸出軸的電動機(2)， -位於所述輸出軸和泵驅動杆之間的齒輪減速器， -耗能負載(13)，-開關系統(9),被配置為允許在第一配置中，所述電動機由電源(7)供電，並沿一個初始方 向驅動泵驅動杆，以及在第二配置中，其中輸出軸被驅動沿和第一方向相反的方向轉 動，由被這樣驅動的電動機產生的電能向著所述耗能負載傳遞，所述開關系統(9)被配置為在所述電源(7)停電的情況下自動 地轉換到第二配置。
22. 如前一權利要求所述的表面驅動系統，其中所述電動機被連 接到頻率調節器(6)。
23. 如前面權利要求之一所述的表面驅動系統，其中減速比大於 6，特別是在從7到15的範圍內。
24. 如權利要求21到23所述的表面驅動系統，所述電動機(2) 具有永磁體。
25. —種用於油井的漸進空腔泵的表面驅動系統，包括 -電動機，包括定子繞組和具有永磁體的轉子，特別是磁通集中型的轉子，-開關系統，其被配置為允許在第一配置中電動機被供電，而在 第二配置中當向電動機供電的電源發生意外中斷時定子繞組被短路。
全文摘要
本發明涉及一種被設計為要連接到電源(7)的機電系統(1)，包括電動機械(2)，其可作為獨立發電機操作，包括一個旋轉軸，以及開關系統(9)，其允許i)在第一配置中，在所連接的裝置(4)被正常驅動的情況下所述電動機械作為電動機工作，或者在所連接的裝置正在正常地驅動的情況下所述電動機械作為發電機工作，以及ii)在第二配置中，所述電動機械作為獨立發電機工作，由所述電動機械(2；22)產生的電能被消耗在所述電動機械和耗能負載(13)中。
文檔編號H02P3/12GK101313459SQ200680043702
公開日2008年11月26日 申請日期2006年10月12日 優先權日2005年10月12日
發明者C·派迪特 申請人:利萊-森瑪電機公司