專利名稱：螺桿泵停機制動系統及方法
技術領域：
本發明涉及螺桿泵控制領域，更具體地說，涉及一種螺桿泵停機制動系統及方法。
背景技術：
直驅式螺桿泵采油技術能滿足油井不同工況下的要求，不僅可以達到高效節能的效果，并且可以有效防止泵桿斷裂等機械事故，增加采油工作時間，降低工人勞動強度。由于螺桿很長，機械儲能很大，在停機或者系統出現故障時，如果不能制動，很容易出現電機被拖動高速反轉的情況。目前，螺桿泵制動方法有(1)固定力矩機械制動；(2) 可調力矩機械制動；(3)電阻串接制動。采用固定力矩機械制動方式制動時，電機驅動器停止輸出，并直接在電機軸上外加一定的制動力矩，從而在很短的時間內抱死電機。然而，該方式中，由于螺桿很長，其儲能很難釋放，而且機械裝置比較復雜。采用可調力矩機械制動方式制動時，電機驅動器停止輸出，并直接在電機軸上外加可調力矩，例如用磁粉制動器外加與電機反轉速度有關的力矩，可以在一定的時間內抱死電機，緩慢釋放螺桿的儲能。采用電阻串接制動方式制動時，電機驅動器停止輸出，并在電機每相繞組串接一個電阻，電機反轉時產生與電機轉速成正比的制動力矩進行發電運行，螺桿的儲能消耗到外接電阻和電機上。這種方法不需要機械裝置， 但是輸出轉矩不可控，可能導致下面的問題電機反轉時，轉矩電流大小為
^ =7^ 其中7為電機反電動勢系數，ζ為反轉頻率，為電機電感，為串 (2ψ2) + R keJLR
接電阻。如圖1所示，是電機短接電阻后轉矩電流與轉速的關系(橫坐標為轉速單位 [RPM]；縱坐標轉矩電流，單位[A])，電機額定電流20A，額定轉速100轉，額定功率15KW。在反轉時會出現約35A的最大轉矩電流值，當采油所需的轉矩電流超過這個最大值時，就有可能制動失敗，電機會高速反轉。另外，如果采油所需的最大轉矩電流為30A時，則發電功率最大可為20KW左右，需要很大功率的串接電阻。

發明內容
本發明要解決的技術問題在于，針對上述螺桿泵制動方式中結構復雜、螺桿儲能不易釋放的問題，提供一種螺桿泵停機制動系統及方法。本發明解決上述技術問題的技術方案是，提供一種螺桿泵停機制動系統，所述螺桿泵電機驅動運行，包括電機驅動單元、電機轉速檢測單元及控制單元
所述電機驅動單元，用于向電機輸出轉矩； 所述電機檢測單元，用于實時檢測電機轉速；
所述控制單元，用于在接收到停機命令并在電機轉速下降達到第一閾值時，將電機驅動單元的輸出轉矩設為最小值；在所述電機被螺桿拖動反轉且轉速達到第二閾值時，調整電機驅動單元的輸出轉矩使輸出轉矩隨著反轉速度的增加而增大、隨反轉速度減小而減在本發明所述的螺桿泵停機制動系統中，所述控制單元在達到設定制動時間時使電機驅動單元停止輸出。在本發明所述的螺桿泵停機制動系統中，所述控制單元在所述電機反轉速度達到第三閾值時，使所述電機驅動單元的輸出轉矩大于等于電機正常工作時所需的最大力矩。在本發明所述的螺桿泵停機制動系統中，所述控制單元在所述電機反轉速度達到第四閾值時，使所述電機驅動單元的輸出轉矩為最小值。在本發明所述的螺桿泵停機制動系統中，還包括設置單元，用于設置第一閾值、第二閾值、輸出轉矩的最小值。本發明還提供一種螺桿泵停機制動方法，所述螺桿泵通過由電機驅動器控制的電機驅動運行，包括以下步驟
a、電機驅動器在接收到停機命令并在電機轉速下降達到第一閾值時，將輸出轉矩設為最小值；
b、在所述電機被螺桿拖動反轉且轉速達到第二閾值時，電機驅動器調整輸出轉矩使輸出轉矩隨著反轉速度的增加而增大、隨反轉速度減小而減小。在本發明所述的螺桿泵停機制動方法中，在所述步驟b之后還包括電機驅動器在達到設定制動時間時停止輸出。在本發明所述的螺桿泵停機制動方法中，所述步驟b中包括在所述電機反轉速度達到第三閾值時，所述電機驅動器使輸出轉矩大于等于電機正常工作時所需的最大力矩。在本發明所述的螺桿泵停機制動方法中，所述步驟b中包括在所述電機反轉速度達到第四閾值時，所述電機驅動器調整輸出轉矩為最小值。本發明的螺桿泵停機制動系統及方法，通過根據電機運行狀態控制輸出轉矩，從而實現了螺桿泵的制動，使得螺桿的儲能可逐步釋放。本發明省卻了機械制動裝置及電阻， 只需通過電機驅動器即可實現電機制動，使系統成本明顯降低，同時可使制動的可靠性提
尚ο


圖1是現有電阻串接制動方式中電機短接電阻后轉矩電流與轉速間關系的示意圖。圖2是本發明螺桿泵停機制動系統實施例的示意圖。圖3是本發明螺桿泵停機制動方法實施例的流程圖。
具體實施例方式本發明依靠電機驅動器控制電機的實際輸出轉矩，可使普通的變頻器或者伺服驅動器的硬件平臺進行螺桿泵制動，并能夠很好地逐步釋放螺桿存儲的機械能量。如圖2所示，是本發明螺桿泵停機制動系統實施例的示意圖。在本實施例中，螺桿泵通過電機驅動轉動，該制動系統包括電機驅動單元21、電機轉速檢測單元23及控制單元 22。該制動系統可在普通的變頻器或者伺服驅動器的硬件平臺上實現，其中控制單元22可以為變頻器或伺服驅動器的主控制CPU。電機驅動單元21用于向電機輸出轉矩，從而控制電機運轉。電機檢測單元23用于實時檢測電機轉速。控制單元22用于在接收到停機命令并在電機檢測單元23檢測到電機轉速下降達到第一閾值(正轉速度，數值最小為0，可以由用戶設定，范圍為0到停機時刻電機運行速度，抽油作業時電機運行方向為正向)時，將電機驅動單元21的輸出轉矩設為最小值(正向轉矩，數值最小為0，可以由用戶設定，設置范圍為0到驅動器最大允許輸出轉矩，抽油作業時電機驅動單元的輸出轉矩方向為正向)；在電機被螺桿拖動反轉(該處的反轉是指電機運行方向與抽油作業時電機運行方向相反，下同)且轉速達到第二閾值(反轉速度，數值最小為0，可以由用戶設定，范圍為0到第三閾值速度)時，調整電機驅動單元21的輸出轉矩使輸出轉矩隨著反轉速度的增加而增大、隨反轉速度減小而減小。例如，使輸出轉矩與電機反轉速度成正比或線性變化。在上述系統中，為了使螺桿的儲能可以完全釋放，可設定一個制動時間，控制單元 22在達到設定的制動時間時使電機驅動單元21停止輸出，制動完成。為了確保在制動時間內使螺桿的儲能能夠釋放完，該制動時間需足夠長(任意值，如1分鐘或1小時，可由用戶設定)。在上述系統中，為了避免反轉對電機造成的損害，可將電機反轉速度限制在允許的范圍內，可使控制單元22在電機反轉速度達到第三閾值(即最大允許反轉速度，反轉速度，數值最小為第二閾值，可以由用戶設定，范圍為第二閾值到驅動器最大允許輸出速度) 時，使所述電機驅動單元21的輸出轉矩大于等于電機正常工作時所需的最大力矩。這樣， 電機反轉速度就不會超過最大允許反轉速度，且控制了最大反轉速度與最大輸出轉矩，控制了最大發電功率。此外，為了防止電機再次被拖動正轉，可設定電機最小反轉速度，即在電機反轉速度達到第四閾值(最小反轉速度，反向速度，數值最小為0，可以由用戶設定，范圍為0到第二閾值速度)時，控制單元22使電機驅動單元21的輸出轉矩為最小值。在上述制動系統中，還可包括一個設置單元(圖中未示出)。該設置單元用于設置上述的第一、第二、第三、第四閾值及各閾值對應的輸出轉矩，從而實現靈活的制動控制。如圖3所示，是本發明螺桿泵停機制動方法實施例的流程圖，上述螺桿泵通過由電機驅動器控制的電機驅動運行。該方法包括以下步驟步驟S321 電機驅動器控制電機，使電機驅動螺桿泵運行， 進行采油作業。步驟S322 實時判斷是否接收到停機指令，若接收到停機指令則執行步驟S323， 否則電機驅動器繼續驅動螺桿泵運行。步驟S323 開始計時并將電機驅動器的制動狀態設為1。步驟S314 判斷是否達到制動時間，該制動時間應足夠長，從而確保在制動時間內使螺桿的儲能能夠釋放完。若制動時間達到，則執行步驟S315，電機驅動器停止輸出，制動完成；否則執行步驟S316。步驟S316 判斷電機驅動器是否處于狀態2，若是則執行步驟S320，否則執行步驟S317。步驟S317 對螺桿泵進行減速處理，即按照用戶設定的減速時間減小電機的運行速度(例如通過減小輸出轉矩的方式)。步驟S318 判斷電機轉速是否達到第一閾值，并在轉速達到第一閾值時執行步驟 S319，否則返回步驟S314。步驟S319 將電機驅動器的制動狀態設為2，并使電機驅動器的輸出轉矩調整為最小值，然后返回步驟S314。步驟S320 判斷電機在螺桿拖動下的反轉速度是否小于(或等于)第四閾值，若是則執行步驟S321，否則執行步驟S322。步驟S321 使電機驅動器的輸出轉矩調整為最小值，防止電機再次被拖動正轉。步驟S322 判斷電機在螺桿拖動下的反轉速度是否大于(或等于)第四閾值，若是則執行步驟S323，否則執行步驟S3M。步驟S323 使電機驅動器的輸出轉矩調整為最大值(該最大值應大于或等于電機采油所需的最大轉矩)，從而電機反轉速度就不會超過第三閾值，且控制了最大反轉速度與最大輸出轉矩，就控制了最大發電功率。步驟S3M 在電機被螺桿拖動反轉且轉速達到第二閾值時，電機驅動器調整輸出轉矩使輸出轉矩隨著反轉速度的增加而增大、隨反轉速度減小而減小。上述螺桿泵停機制動系統及方法，在省卻機械制動裝置、省卻電阻的情況下，只靠電機驅動器來實現電機的制動，可防止電機被螺桿拖動高速反轉。由于省卻了機械制動裝置和制動電阻，可使系統成本明顯降低，同時可以使制動的可靠性提高，避免了靠串接電阻制動方法可能失效的風險。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1. 一種螺桿泵停機制動系統，所述螺桿泵通過電機驅動運行，其特征在于，包括電機驅動單元、電機轉速檢測單元及控制單元所述電機驅動單元，用于向電機輸出轉矩； 所述電機檢測單元，用于實時檢測電機轉速；所述控制單元，用于在接收到停機命令并在電機轉速下降達到第一閾值時，將電機驅動單元的輸出轉矩設為最小值；在所述電機被螺桿拖動反轉且轉速達到第二閾值時，調整電機驅動單元的輸出轉矩使輸出轉矩隨著反轉速度的增加而增大、隨反轉速度減小而減
2.根據權利要求1所述的螺桿泵停機制動系統，其特征在于，所述控制單元在達到設定制動時間時使電機驅動單元停止輸出。
3.根據權利要求1所述的螺桿泵停機制動系統，其特征在于，所述控制單元在所述電機反轉速度達到第三閾值時，使所述電機驅動單元的輸出轉矩大于等于電機正常工作時所需的最大力矩。
4.根據權利要求1所述的螺桿泵停機制動系統，其特征在于，所述控制單元在所述電機反轉速度達到第四閾值時，使所述電機驅動單元的輸出轉矩為最小值。
5.根據權利要求1所述的螺桿泵停機制動系統，其特征在于，還包括設置單元，用于設置第一閾值、第二閾值、輸出轉矩的最小值。
6.一種螺桿泵停機制動方法，所述螺桿泵通過由電機驅動器控制的電機驅動運行，其特征在于，包括以下步驟a、電機驅動器在接收到停機命令并在電機轉速下降達到第一閾值時，將輸出轉矩設為最小值；b、在所述電機被螺桿拖動反轉且轉速達到第二閾值時，電機驅動器調整輸出轉矩使輸出轉矩隨著反轉速度的增加而增大、隨反轉速度減小而減小。
7.根據權利要求6所述的螺桿泵停機制動方法，其特征在于，在所述步驟b之后還包括電機驅動器在達到設定制動時間時停止輸出。
8.根據權利要求6所述的螺桿泵停機制動方法，其特征在于，所述步驟b中包括在所述電機反轉速度達到第三閾值時，所述電機驅動器使輸出轉矩大于等于電機正常工作時所需的最大力矩。
9.根據權利要求6所述的螺桿泵停機制動方法，其特征在于，所述步驟b中包括在所述電機反轉速度達到第四閾值時，所述電機驅動器調整輸出轉矩為最小值。
全文摘要
本發明涉及一種螺桿泵停機制動系統，所述螺桿泵通過電機驅動運行，包括電機驅動單元、電機轉速檢測單元及控制單元所述電機驅動單元，用于向電機輸出轉矩；所述電機檢測單元，用于實時檢測電機轉速；所述控制單元，用于在接收到停機命令并在電機轉速下降達到第一閾值時，將電機驅動單元的輸出轉矩設為最小值；在所述電機被螺桿拖動反轉且轉速達到第二閾值時，調整電機驅動單元的輸出轉矩使輸出轉矩隨著反轉速度的增加而增大、隨反轉速度減小而減小。本發明還提供一種對應的螺桿泵停機制動方法。本發明通過控制輸出轉矩實現了螺桿泵的制動，使系統成本明顯降低，同時可使制動的可靠性提高。
文檔編號F04C14/06GK102400912SQ20101028489
公開日2012年4月4日 申請日期2010年9月17日 優先權日2010年9月17日
發明者陳小猛 申請人:深圳市匯川技術股份有限公司