NO20130248A1 - Fremgangsmate og anordning for a styre en synkron permanentmagnetmotor, spesielt over en lang kabel i en bronn - Google Patents

Abstract

En synkron permanentmagnetmotor styres uavhengig av posisjonssensingsmidler ved å bestemme systemparametre inkludert motorimpedansen- og den motelektromotoriske spenningen, og kabelimpedansen og forsyningeffekten i henhold til et forhåndsbestemt spenning : frekvensforhold som bestemmes basert på nevnte systemparametre for å tilveiebringe en ønsket akselerasjonsrate bestemt av forsyningsspenningen.

Description

Fremgangsmåte og anordning for å styre en synkron permanentmagnetmotor,

spesielt over en lang kabel i en brønn

Denne oppfinnelsen omhandler styring av synkrone permanentmagnetmotorer, spesielt, men ikke spesifikt, i et nedihullsmiljø slik som en hydrokarbonbrønn (olje, gass, eller mikset olje og gass).

Permanentmagnetmotorer forventes å erstatte standard induksjonsmotorer i nedihulls ESP-applikasjoner. På grunn av sin effekttetthet sammenlignet med dagens teknologier, og sin høye effektivitet som skyldes deres innebygde eksitasjon, er det forventet at de vil konkurrere mer og mer med induksjonsbaserte ESP-systemer.

Konvensjonelt så omfatter børsteløse permanentmagnetmotorer en rotor som har permanentmagneter, og en statorvinding som induserer rotoren til å rotere. Rotoren forsynes med strøm, som er elektronisk kommutert for å tilføre energi til ulike deler av vindingene mens rotoren roterer.

Konvensjonell teknikk som eksemplifisert i US 2009/0146592 Al og JP 2001025282 er avhengig av lukket-sløyfe-styringsmetoder for å starte og operere en synkron motor. Dette involverer enten direkte målinger eller estimater av styringsstørrelser slik som posisjon fra direkte målbare størrelser slik som spenninger og strømmer.

For å kunne styre rotoren så bestemmes rotorposisjonen. Dette kan være en posisjonssensor for å koordinere variabel-hastighetsdrivinnretningens (eng. variable speed drive device) veksling med posisjonen til motorens motelektromotoriske spenning (eng. back-EMF). Dette krever vanligvis en Halleffektanordningsbasert posisjonssensor, en resolver eller omkoder for å tilveiebringe tre signaler som er skiftet 120° og som brukes av variabel-hastighetsdrivinnretningens (VSD) for å beregne signalene til anordningene. På grunn av det røffe miljøet (eng. harsh environment) kan man ikke stole på disse posisjonssensorene, og det er mulig at de ikke overlever den rådende brønntemperaturen. Alternativt har sensorfrie algoritmer blitt utviklet som utleder rotorposisjonen fra motorens motelektromotoriske spenning, hvilken imidlertid kan være svært upålitelig ved motoroppstart og ved lave hastigheter dersom motoren belastes.

En synkron motor går på samme hastighet som forsyningsfrekvensen til sin armatur. Den faktiske hastigheten i omdreininger per minutt (rpm) er en funksjon av forsyningsfrekvens og antallet polpar i feltet. I motsetning til asynkrone motorer, krever synkrone motorer en oppstartsekvens for å sikre at rotoren opparbeider hastighet uten at den låses. Direkte on-line oppstartsmetoder fungerer sjelden på synkrone maskiner. Mengden av dreiemoment som skal genereres ved interaksjon av feltet med armaturstrømmen avhenger av størrelsen på rotorfeltet og stator strømmene. Det er interaksjonen mellom disse feltene som genererer det nødvendige dreiemomentet for å akselerere rotoren og for å levere det dreiemomentet som kreves av lasten. Ideelt må disse feltene være i kvadratur (90 elektriske grader) for å maksimere dreiemomentgenereringen. Så, for en vellykket start, må mengden av strøm som forsynes statoren være adekvat og raten ved hvilken motoren akselererer må være konsistent med det genererte dreiemomentet. Det er konvensjonelt to måter å gjøre dette på, begge er lukket-sløyfe-metoder: (i) En fysisk posisjonssensor blir tilveiebrakt, og maksimalt dreiemoment sikres ved å opprettholde et 90-graders vinkelforhold mellom rotorfeltet og armaturstrømmene. I ESP-applikasjoner er avstanden til posisjonssensorer, eksempelvis rundt 3000m fra driveren, uoverkommelige og videre er påliteligheten til slike systemer redusert ved tilføyelse av ytterligere anordninger og tilhørende kabler. Posisjonssensormidlene indikerer når svitsj erne og åpen- eller lukket til forsyningsstatorstrømmene, og omfatter vanligvis enten en Halleffektsensor eller en gruppe optiske anordninger posisjonert 120° fra hverandre. Signalene fra de tre sensorene benyttes for å generere gating-signaler (eng. gating signals). I slike systemer benyttes strømnivået til å bestemme dreiemomentnivået og dermed akselerasjonen. (ii) Alternativt kan sensorfrie metoder benytte direkte målinger av spenning og strøm, og fra spenningsligningen estimere posisjonen ved integrasjonsmetoder. Slike metoder er vanskelige å bruke i ESP-systemer, hovedsakelig på grunn av de lange kablene mellom motoren og driveren og det faktum at i majoriteten av tilfeller av kabelimpedanser er ikke-symmetri grunnet den flate konfigurasjonen til kabelen, hvilken vanligvis støttes ved å stroppe den til produksjonsrøret. Spenningene og strømmen er derfor ikke lenger balansert og av den grunn er estimeringsmetoder ikke lenger nøyaktige. Posisjonsfeil leder derfor til redusert stabilitetsmargin til systemet og kan forårsake at motoren mister synkronisering under transienter eller når det er gass i brønnen og motoren momentant mister belastning.

Det er en hensikt med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en mer tilfredsstillende måte for å styre en synkron permanentmagnetmotor, spesielt i nedihullsapplikasjoner hvor lederne er veldig lange.

Ifølge ulike aspekter tilveiebringer den foreliggende oppfinnelsen en fremgangsmåte og et system som definert i kravene.

I henhold til en utførelse, en fremgangsmåte for å styre en elektrisk effektforsyning til en synkron permanentmagnetmotor som har et flertall vindinger for slik å akselerere motoren gjennom et hastighetsspekter fra stillstand, omfattende:

forsyne hver vinding med en kvadratisk middelverdiforsyningsspenning V ved en forsyningsfrekvens f via en respektiv leder i henhold til uttrykket

hvor VO er en initell konstant spenning, vfRatio er et konstant forhold av spenning over frekvens, VO er tilstrekkelig til å forsyne en tilstrekkelig strøm for å generere det nødvendige dreiemomentet for å rotere motoren fra stillstand, og vf Ratio er tilstrekkelig for å sikre at et overskuddsdreiemoment er tilgjengelig under oppstartsperioden og under operasjon for å overvinne enhver transient belastning som kan være tilstede, og effektforsyningen styres uavhengig av ethvert rotorposisjonssignal.

I henhold til en annen utførelse, en fremgangsmåte for å styre en elektrisk effektforsyning til en synkron permanentmagnetmotor som driver en last og som har et flertall av vindinger, hver vinding forsynes med en effekt med en kvadratisk middelverdiforsyningsspenning V3 og en forsyningsfrekvens via en respektiv leder, for slik å akselerere motoren gjennom et hastighetsspekter fra stillstand, omfattende: bestemme systemparametre inkludert karakteristikker til lasten, impedansen og den motelektromotoriske spenningen til motoren og impedansen til hver av lederne; bestemme, basert på nevnte systemparametre, en første kvadratisk middelverdispenning VO ved hvilken forsyningen genererer et dreiemoment i motoren ved stillstand som er tilstrekkelig for å starte motorrotasjon;

bestemme, basert på nevnte systemparametre, et forhold mellom forsyningsspenningen V3 og forsyningsfrekvensen, hvor forholdet definerer, for hvert av spektrene av forsyningsfrekvenser korresponderende til hastighetsspekteret til den roterende motoren, en andre kvadratisk middelverdispenning V2 ved hvilken strømmen som strømmer gjennom hver vinding øker ved både økningen og minkingen av spenning, og V2 > VO;

levere effekt til hver vinding ved den første spenningen VO for slik å starte motoren fra stillstand;

og progressivt øke både forsyningsspenningen og forsyningsfrekvensen under opprettholdelse av forsyningsspenningen V3 med hensyn til forsyningsfrekvens ved en tilstrekkelig overskuddsverdi i forhold til V2 for å sikre stabil operasjon av motoren inntil motoren har nådd en ønsket operasjonshastighet;

hvori det nevnte forholdet mellom forsyningsspenningen V3 og forsyningsfrekvensen bestemmes basert på nevnte systemparametre for å tilveiebringe en ønsket akselerasjonsrate bestemt av forsyningsspenningen.

I henhold til en annen utførelse, et system omfattende:

en synkron permanentmagnetmotor utplassert i et brønnhull og som driver en last og som har et flertall vindinger,

og en styreanordning for å tilføre en kvadratisk middelverdiforsyningsspenning V3 og en forsyningsfrekvens til hver vinding via en respektiv leder,

hvor styreanordningen er konfigurert til å tilføre hver vinding en kvadratisk middelverdiforsyningsspenning V ved en forsyningsfrekvens f via en respektiv leder i henhold til uttrykket

hvor VO er en initell konstant spenning, vf Ratio er et konstant forhold av spenning over frekvens, VO er tilstrekkelig til å forsyne en tilstrekkelig strøm for å generere det nødvendige dreiemomentet for å rotere motoren fra stillstand, og vf Ratio er tilstrekkelig for å sikre at et overskuddsdreiemoment er tilgjengelig under oppstartsperioden og under operasjon for å overvinne enhver transient belastning som kan være tilstede, og effektforsyningen styres uavhengig av ethvert rotorposisjonssignal.

Motoren kan være anordnet til å drive en elektrisk nedsenkbar pumpe, spesielt en pumpe omfattende en sentrifugalimpeller drevet av motoren.

Systemet er spesielt fordelaktig der hver leder er minst 50m lang, enda mer der hver leder er minst 600m lang, og mest der hver leder er minst 3000m lang.

Ytterligere trekk og fordeler vil fremgå fra den illustrative utførelsesform av oppfinnelsen som nå vil bli beskrevet, kun ved et eksempel og uten å begrense rammen til kravene, og med referanse til de vedføyde tegningene, hvor: Fig. IA er et sideriss av en motor anordnet i en brønn og styrt av et styringssystem; Fig. IB er et skjematisk riss av motorstyringssystemet; Fig. 2 er en graf som viser forholdet spenning : frekvens (V:f); Fig. 3 er en graf som viser motorstrøm : forsyningspennings (I: V) - forholdet ved én frekvens; Fig. 4 er en graf som viser motorstrøm : forsyningsspennings (I: V) - forholdet ved fem frekvenser korresponderende til hastighetsspekteret til motoren; og Fig. 5 er et ekvivalent kretsdiagram som representerer motoren og kabel sammen med en isolertransformator.

Med referanse til fig. IA, en elektrisk nedsenkbar pumpe omfattende en pumpe 14 drevet av en elektrisk motor 13 via en girboks 16, hvilken senkes ned i en foret brønn 18 med, for eksempel, kveilerør 15. En elektrisk kabel 17 strekker seg fra overflaten for å tilføre motoren elektrisitet. Pumpen 14 trekker brønnfluid inn gjennom et innløp 19 og inn i kveilerøret 15. I en nedihullsapplikasjon som denne, spesielt hvor motoren drives ved å bruke en lang kabel, er en børsteløs DC-motor med det etterfølgende beskrevne styringssystemet ideell. Den lange kabelen kunne alternativt blitt festet til foringsrøret i brønnen slik at ESPen passer med en elektrisk konnektor når den når den ønskede destinasjonen.

Systemer av denne typen forsynes vanligvis med effekt fra en 3-fase AC-kilde. AC-spenningene konverteres til DC med en likeretter som støttes av kapasitatorer for å sikre rippelfri DC-output, også kalt en DC-link. Det er fra denne DC-linken at spenningene som forsyner motoren genereres, vanligvis ved pulserte-bredde-moduleringsteknikker (eng. Pulsed Width Modulation, PWM) men alternativt med enklere metoder slik som sekssteg- eller en kombinasjon av PWM og sekssteg, referert til som en hybridmetode.

Med referanse til fig. IB, styrer en mikrokontroller 10 en spenningskontrollenhet 20 og en pulsert-bredde-modulerings-kontrollenhet 30. Effekt 27 tilføres og rektifiseres i en rektifiseringsenhet 25, før den tilføres vindingene til statoren til permanentmagnetmotoren 40 ved en svitsjerenhet 35. Rektifiseringsenheten leverer også effekt ved den jevne spenningen (eng. steady voltage) opprettholdt av spenningsstyringsenheten 20 og svitsjerenheten 35, under styringen av den pulserte-bredde-modulerings-kontrollenheten 30, tilfører et antall vindinger (ikke vist) via tilførselslinjer 37 slik at polene (heller ikke vist) til permanentmagnetene på rotoren tiltrekkes og/ eller frastøtes av vindingene slik at rotoren dreier. Puls-bredde-modulerings-kontrollenheten 30, og til slutt mikroprosessoren 10 styrer frekvensen ved hvilken vindingene er skrudd på eller av, hver vinding har den samme frekvensen, men er ute av fase med de andre vindingene. Mikroprosessoren 10 responderer på en input 12, hvilken kan være enten et på-av-signal for motoren til å operere ved en forhåndsbestemt hastighet, eller en hastighet ved hvilken motoren skal rotere.

Motoren 40 er en synkron permanentmagnet-børsteløs AC-motor hvilken er elektronisk kommutert (dvs. forsynt med en passende bølgeform for slik å intermittere hver av sine vindinger) av insulated-gate-bipolare-transistorsvitsjere inne i svitsj erenheten 35.

Puls-bredde-modulerings-kontrollenheten 30 tilveiebringer både frekvens- og spenningskontroll ved å svitsje tilførselen for slik å tilveiebringe pulser (for eksempel en sinusformet eller kvadratisk bølgetilførsel) til hver vinding og bestemme frekvensen til den tilførselen, og definere bredden til DC-pulsene for slik å definere den kvadratiske middelverdispenningen.

Spenningskontrollenheten 20 opererer på en konvensjonell måte for å sikre en konstant, rippelfri DC-forsyning fra rektifisereren 25 til svitsj erenheten 35. Siden puls-bredde-modulerings-kontrollenheten 30 styrer både størrelsen og frekvensen til spenningen som blir tilført motorvindingene, kan, i et forenklet system, spenningskontrollenheten 20 utelates, hvorved rektifiseringsenheten 25 da kan omfatte en passiv rektifiserer.

Ved i tillegg å referere til fig. 2, styrer mikroprosessoren spenningen V som tilføres en vinding og frekvensen f ved hvilken tilførselen skrus på og av i et vist forhold, og som også kan uttrykkes hvor VO er en initiell konstant spenning, Vf Ratio (andre steder referert til som V:f forhold) er forholdet spenning over frekvens (dvs. Vn/fn).

Motoren opereres i en synkron modus. Den initielle spenningssettingen VO velges

for å sikre at det er tilstrekkelig strøm for å generere det nødvendige dreiemomentet for å starte opp motoren. Likeledes, stigningen på V:f forholdet velges for å sikre at overskuddsdreiemoment er tilgjengelig under oppstartsperioden og under operasjon for å overvinne enhver transient last som kan være tilstede samtidig som strømmen holdes under grenseverdiene.

Motoren drives i synkron modus ved hjelp av en spenning-til-frekvensrampe som er valgt for å sikre at et optimalt overskuddsdreiemoment er tilgjengelig under oppstartsperioden.

Med referanse til fig. 3, er spenningen V for full hastighet satt for å sikre at motoren opererer i det stabile området. Operasjonen på venstre side av minimumsspenningen på fig. 3 gjør motoren sårbar for tap av synkronitet under kortvarige lasttransienter.

Akselerasjonstiden (tiden det tar for motoren å oppnå full rotasjonshastighet fra en hvilestilling) og følgelig akselerasjonsraten, bestemmes slik at det sikres en adekvat starttid innenfor de operasjonelle kravene satt av utstyret i felten for å forlenge levetiden til utstyret.

Det vil ses at ved å sørge for at VO og Vf.Ratio er tilstrekkelig kreves det ingen sensorkretser.

I en foretrukket utførelse benyttes den nye fremgangsmåten på et elektrisk nedsenkbart pumpesystem som inkluderer en motor som driver en sentrifugalpumpe og en effektforsyningskabel som kan være lenger enn 600m og vanligvis i området 3000m til 7500m. Ettersom driverne som benyttes for å styre slike ESP-systemer vanligvis er lav-spenning, er det noen ganger nødvendig med en opptransformator (eng. step-up transformer) mellom driverkretsen og motoren (representert ved Isolasjon Tx i utførelsen vist på fig. 5). Bruken av slike anordninger som isloasjonstransformatorer gjør konvensjonell oppstart og operasjon av motorer i slik applikasjon enda vanskeligere på grunn av tap av faseinformasjon over transformatoren. Den nye fremgangsmåten er fordelaktig immun mot tap av faseinformasjon ettersom strømmen er inherent satt ut fra størrelsen på spenningsforsyningen ved en gitt frekvens.

I motsetning til konvensjonell teknikk så er den nye fremgangsmåten en helt åpen sløyfe og er ikke avhengig av direkte sensing av motorparametrene under drift, men i stedet på inngående kjennskap til motorkarakteristikkene av impedans og motelektromotorisk spenning og også på tilførselskabelkarakteristikker, alle hvilke lett kan bestemmes ut fra spesifikasjoner og ved konvensjonelle måleteknikker i felten, fortrinnsvis før utplassering i brønnen eller annen brukssituasjon. På denne måten etableres startparametrene i systemet, hvor startkarakteristikkene omfatter en initiell spenning og en rampe. De viktigste parametrene nødvendige for å etablere startkarakteristikkene er motorimpedanser og motelektromotorisk spenning, og kabelimpedanser. Spenningen ved en gitt frekvens er satt til å generere statorstrømmer som er tilstrekkelige til å generere dreiemoment for akselerasjon og last med margin for å imøtekomme transiente laster. Den initielle spenningen er satt til å generere tilstrekkelig strøm i hvilestilling til å generere tilstrekkelig dreiemoment for å overvinne enhver lagerfriksjon. Spenningen settes på en forhåndsbestemt måte og programmeres inn i driveren, og spenningen som en funksjon av frekvens bestemmes fra motor- og kabelkarakteristikkene. Ligningen som styrer driften er dermed forhåndsbestemt basert på motor- og kabelkarakteristikker og inkorporert i drivsystemet som en hardware- eller softwarekomponent.

Ved en gitt frekvens eller motorhastighet, virker spenningen som tilføres motoren imot den motelektromotoriske spenningen generert på motoren i den hastigheten. Den resulterende strømmen er et resultat av forskjellen mellom forsyningsspenningen og den motelektromotoriske spenningen tilført til impedansen av motoren og kabelen. Derfor er strømnivået satt av spenningsnivået som tilføres motoren. Når dreiemomentnivået ved en gitt hastighet er en fast mengde, er den komponenten av strømmen som ville generere det nødvendige dreiemomentet i forbindelse med en gitt motelektromotorisk spenning også fast. Derfor er spenningsforsyningsnivået viktig. For mye spenning vil generere overskuddsstrøm i forhold til det som er ønsket og fører til at mye reaktiv effekt bidrar til motoroppvarming. For lav spenning vil ikke generere den ønskede strømmen slik at motoren vil gå i utakt. Det er derfor en fin balanse som skal oppnås for et gitt motor/kabelsystem. Denne balansen oppnås ved å bestemme systemparametrene og deretter opprettholde V: f forholdet som angitt heri.

En forenklet per-fase ekvivalenskrets av et motorsystem er vist på figur 5. Som angitt ovenfor er motorenkarakterisert vedsin motelektromotoriske spenning og sin induktans og motstand. Kabelen erkarakterisert vedsin impedans, hvilken er en funksjon av diameteren til lederen, lengde og opplag. Den motelektromotoriske spenningen er en funksjon av hastighet og den er konstant ved en gitt hastighet. Strømkomponenten som er i fase med motelektromotorisk spenning er den komponenten som genererer dreiemomentet. Strømkomponenten som er perpendikulær til den motelektromotoriske spenningen genererer reaktiv effekt som sirkulerer. Noe av denne strømmen er nødvendige idet den tar høyde for det reaktive fallet i motor- og kabelinduktansen og ethvert overskudd utover en liten mengde er kun generert som effekttap (I<2>R) og bidrar ikke til genereringen av dreiemoment. Det er derfor klart at forsyningsspenningen må velges til å være innenfor et lite område for å tilføre dreiemoment, det reaktive fallet og en liten margin for å kompensere for økt dreiemoment nødvendig under transienter.

Basert på ekvivalenskretsen (fig. 5), er det mulig å bestemme karakteristikkene til motorstrømmen som en funksjon av spenning ved en gitt forsyningsspenning, dvs. motorhastighet. Som illustrert på fig 3, for en gitt forsyningsfrekvens, følger fase-rms-strømmen, som en funksjon av forsyningsspenning, en kvadratisk lov med en minimumsstrøm støtt på ved et spesifikt spenningsnivå. Dette er på grunn av den komplekse natur av det som skjer inne i maskinen. Motoren og tilhørende kabler erkarakterisert veden kompleks impedans dannet av motstand og induktans. For en gitt frekvens er denne mengden konstant: Z = R + jwL. Enkelt fortalt er strømmen: I = (V-E)/Z, alle disse er vektorer eller komplekse mengder. Det er vektorforskjellen mellom forsyningsspenningen og den motelektromotoriske spenningen som driver strømmen.

Den andre faste mengden er den motelektromotoriske spenningen til motoren da den er proporsjonal til hastighet. Strømstørrelsen og vinkelforholdet til forsyningsspenningen V og den motelektromotoriske spenningen E (fig. 5) er alle avhengige av størrelsen på spenningen V tilført ved en gitt frekvens. Den reelle komponenten av tilførselsstrømmen Iforsyning er fast og drives av dreiemomentet som er nødvendig for å drive lasten ved den gitte frekvensen. Det er forsyningsspenningsbetingelser hvor faseforholdet mellom V og E resulterer i økende strøm mens forsyningsspenningen reduseres.

I en foretrukket utførelsesform er belastningen en sentrifugalpumpe med karakteristikker hvor lastdreiemomentet er kvadratet av hastigheten og effekten er den kubiske lov av hastigheten. Permanentmagnetsynkronmaskinen er kapabel til å utvikle konstant dreiemoment når det forsynes med konstant strøm ved enhver hastighet. Grunnet disse karakteristikkene, er permanentmagnetsynkronmaskiner velegnet til å akselerere last med kvadratlov som en funksjon av hastighet.

Det er klart at på den høyre siden av kurven for motorstrøm : forsyningsspenning (I:V) kurve på fig. 3, er motoren iboende stabil mens forsyningsspenningen er adekvat til å forsyne med den nødvendige spenningen. Imidlertid, det er også klart at det ikke er nødvendig å gå oppover på kurven fordi den genererer mer strøm enn nødvendig uten tilleggsfordeler. Operasjon ved nærhet til minimum ved alle driftsforhold er optimalt for systemets operasjon og effektivitet.

Fig. 4 viser et flertall av I:V - kurver, hver representerer en forskjellig frekvens i frekvensspekteret til forsyningen til motoren, korresponderende til hastighetsspekteret til motoren, hvor lokaliseringen (eng.: locus) av de respektive optimale operasjonspunktene for hver I:V - kurve er representert ved den stiplede li<n>jen.

Spenning:frekvens - forholdet (V:f), representert på fig. 2, kan være en enkeltverdi eller kan være en stykkevis lineær funksjon. Den enkeltverdien som benyttes er valgt ut basert på plasseringen av lokaliseringen av minimumsstrømmene (fig. 4). Denne verdien trenger å sikre at på ethvert frekvenspunkt mellom startfrekvensen og sluttfrekvensen er operasjonspunktet alltid i det minste litt på den høyre siden av lokaliseringen, som vist på figur 4, og dermed i det stabile operasjonsområdet til motoren.

V:f - forholdet er en konstant mengde som er avledet fra den nødvendige akselerasjonen av systemet balansert av behovet for å avkjøle motoren. Ettersom kjøling av motoren er gitt av det pumpede fluidet, må akselerasjons- og strømnivåene være balanserte for å sikre at det pumpede fluidet kan avkjøle den mengden av tap som genereres under akselerasjonsperioden.

Ligningen kan uttrykkes som:

hvor både Cl og C2 er konstanter

C2 er forholdetmellom Vn og fn (fig. 2) hvor Vn er nominell kvadratisk middelverdispenning (RMS-spenning) ved nominell hastighet og fn er forsyningsfrekvensen ved nominell hastighet.

Forsyningsfrekvensen oppgis i Hz og er relatert til hastighet- og motorpolpar på følgende måte:

Oppfinnelsen kan med fordel anvendes i ESP-systemer med synkrone permanentmagnetmotorer, spesielt de som har en kabellengde lenger enn 50m og som forsynes enten direkte fra driveren eller gjennom en step-up-transformator. Spesielt kan det med fordel benyttes i ESP-systemer hvor motoren er forbundet med en sentrifugalpumpe.

Den initielle spenningen (VO) brukes når motoren er i hvilestilling eller i statisk tilstand. Den resulterende strømmen fra denne initielle spenningen er kun begrenset av resistansen til vindingene og kabelen. Vanligvis velges en initiell spenning som vil resultere i rundt 30% av merkestrøm ved oppstart for å overvinne enhver adhesjon eller friksjon. Den initielle spenningen kan beregnes ved å multiplisere den ønskede strømmen med linjemotstanden til motoren og dens tilhørende kabel.

I: V - kurven er avhengig av lastforholdene, hvorved et sett av I-V - kurver kan genereres i henhold til konvensjonelle teknikker som er relatert til laster ved en gitt frekvens. Oppstarts karakteristikkene velges for det fullstendige lastforholdet til motoren, slik at I: V - kurven garanterer at motoren starter ved ethvert lastforhold. Dette gir en enkeltkarakteristikk som kan håndtere steady-state i tillegg til systemtransienter.

Den initelle spenningen (VO) bidrar i seg selv til spenningsmarginen for å tillate akselerasjon og transienter ved oppstart eller ved lav hastighet.Ettersom hastigheten øker vil effekten av den initielle spenningen imidlertid reduseres, og så tas det høyde for nødvendig akselerasjon og transienter innenfor V:f - forholdet og de tilhørende marginene oppnådd fra I: V - kurvene.

Selv om en, i teorien, eksperimentelt kunne utlede et fungerende V:f - forhold, vil den åpne sløyfe-naturen til styringen i praksis gjøre det hasardiøst å spesifisere styringssystemparametre på denne måte. Ifølge den nye fremgangsmåten måles og analyseres systemets hardware-parametere, inkludert motor- og kabelkarakteristikker og gjenspeiler spesielt kabellengden, for å oppnå de nødvendige operasjonsprofilene og de optimale operasjonsforholdene uten eksperimentering. Dette er viktig, spesielt fordi hydrokarbonekstraksjon er kapitalkrevende og fordi det ikke er ønskelig å bruke tid på innstilling av motorstyringssystemet samtidig som motoren er nedsenket i brønnen.

For å oppnå den nødvendige akselerasjonsraten som er tilpasset operasjonsforholdene til systemet, velges et passende V:f - forhold (fig. 2), hvor strøm tilføres for å kompensere for akselerasjonsdreiemomentet i henhold til det kjente forholdet: J.dw/dt.

Akselerasjonsraten dikteres av differansen mellom det elektromagnetiske dreiemomentet generert ved motorakselen og lastdreiemomentet (omfattende pumpelast, friksjon, og ethvert annet tap). Denne forskjellen driver J.dw/dt og dermed dw/dt eller akselerasjon. I den nye fremgangsmåten bestemmes akselerasjonsraten av raten ved hvilken spenningen varieres som en funksjon av tid. Ettersom at det elektromagnetiske dreiemomentet dikteres av den tilførte strømmen, hvilken igjen er et resultat av tilført spenning, er det mulig å sikre tilstrekkelig strøm for å opprettholde den ønskede akselerasjonen ved å velge et V:f - forhold som er konsistent med den nødvendige akselerasjonsraten.

Et enkelt eksempel er som følger:

For en gitt frekvens fastsettes spenningen ved vf - forholdet:

Forsyningsfrekvensen som en funksjon av tide ved en gitt akselerasjonsrate er definert som:

f = Akselerasjonsrate<*>tid

Derfor er forsyningsspenningen: V = VO + vf<*>Aksel<*>tid

hvor Aksel er Akselerasjonsrate, og

Totalt dreiemoment (f) = Lastdreiemoment (f) + Inertia<*>Aksel Det nødvendige dreiemomentet ved en gitt hastighet er forhøyet ved å sørge for at akselerasjonsdreiemomentet er tilnærmet proporsjonalt med akselerasjonsraten. En raskere akselerasjonsrate kan derfor oppnås ved å øke V:f - forholdet som er nødvendig for operasjonsforholdene til systemet.

Den nye fremgangsmåten kan benyttes på alle synkrone motorer med permanentmagneteksitasjon eller strømeksitasjon. I permanentmagnetmotorer kan det tilpasses både børsteløse DC-motorer (motorer med trapesformet motelektromotorisk spenning) og børsteløse AC-motorer (motorer med sinuskurve-motelektromotorisk spenning).

Det skal forstås at de foregående eksempler gjelder tilsvarende til utførelsesformen som angitt ovenfor, hvorved en fremgangsmåte for å styre en elektrisk effektforsyning til en synkron permanentmagnetmotor som driver en last og som har et flertall av vindinger, hver vinding forsynes med en effekt med en kvadratisk middelverdiforsyningsspenning V3 og en forsyningsfrekvens via en respektiv leder, for slik å akselerere motoren gjennom et hastighetsspekter fra stillstand, omfattende å bestemme systemparametre inkludert karakteristikker til lasten, impedansen og den motelektromotoriske spenningen til motoren og impedansen til hver av lederne; å bestemme, basert på nevnte systemparametre, en første kvadratisk middelverdispenning VO ved hvilken forsyningen genererer et dreiemoment i motoren ved stillstand som er tilstrekkelig for å starte motorrotasjon; å bestemme, basert på nevnte systemparametre, et forhold mellom forsyningsspenningen V3 og forsyningsfrekvensen, hvor forholdet definerer, for hvert av spektrene av forsyningsfrekvenser korresponderende til hastighetsspekteret til den roterende motoren, en andre kvadratisk middelverdispenning V2 ved hvilken strømmen som strømmer gjennom hver vinding øker ved både økningen og minkingen av spenning, og V2 > VO; å levere effekt til hver vinding ved den første spenningen VO for slik å starte motoren fra stillstand; og progressivt å øke både forsyningsspenningen og forsyningsfrekvensen under opprettholdelse av forsyningsspenningen V3 med hensyn til forsyningsfrekvens ved en tilstrekkelig overskuddsverdi i forhold til V2 for å sikre stabil operasjon av motoren inntil motoren har nådd en ønsket operasjonshastighet; hvori det nevnte forholdet mellom forsyningsspenningen V3 og forsyningsfrekvensen bestemmes basert på nevnte systemparametre for å tilveiebringe en ønsket akselerasjonsrate bestemt av forsyningsspenningen.

Fortrinnsvis opprettholdes forsyningsspenningen V3 i forhold til forsyningsfrekvensen ved en verdi som kun er litt høyere enn V2 for å sikre stabil operasjon, hvorved V3 < 1,3<*>V2, mer foretrukket ved V3 < 1,2<*>V2, og enda mer foretrukket V3 < 1,1<*>V2. Disse verdiene kan i praksis modifiseres for å reflektere den ønskede akselerasjonsraten og systemparametre (eksempelvis transiente laster som er et resultat av urene brønnfluider eller lignende) ved hvilken som helst gitt installasjon.

Den første spenningen VO blir fortrinnsvis bestemt etter hvert som spenningen ved

hvilken forsyningen genererer dreiemoment i motoren ved stillstand, litt høyere enn det som er nødvendig for å overvinne startlaster, for eksempel, ikke mer enn 130%, mer foretrukket ikke mer enn 120%, enda mer foretrukket ikke mer enn ca 110 % av den spenningen ved hvilken forsyningen kalkuleres basert på systemparametrene,

for å generere dreiemoment i motoren i hvilestilling akkurat tilstrekkelig til å starte motorrotasjon.

Oppsummert tilveiebringer en foretrukket utførelse en synkron permanentmagnetmotor som styres uavhengig av posisjonssensingsmidler ved å bestemme systemparametrene, inkludert motorimpedansen og motelektromotorisk spenning og kabelimpedansen og forsyne effekt i henhold til en forhåndsbestemt spenning : frekvensforhold hvilket bestemmes basert på nevnte systemparametre for å sørge for en ønsket akselerasjonsrate bestemt av forsyningsspenningen.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte for å styre en elektrisk effektforsyning til en synkron permanentmagnetmotor som har et flertall av vindinger for slik å akselerere motoren gjennom et hastighetsspekter fra stillstand, omfattende: å forsyne hver vinding med en kvadratisk middelverdiforsyningsspenning V ved en forsyningsfrekvens f via en respektiv leder i henhold til uttrykket hvor VO er en initell konstant spenning, vf Ratio er et konstant forhold av spenning over frekvens, VO er tilstrekkelig til å forsyne en tilstrekkelig strøm for å generere det nødvendige dreiemomentet for å rotere motoren fra stillstand, og vf Ratio er tilstrekkelig for å sikre at et overskuddsdreiemoment er tilgjengelig under oppstartsperioden og under operasjon for å overvinne enhver transient belastning som kan være tilstede, og effektforsyningen styres uavhengig av ethvert rotorposisjonssignal.

2. Fremgangsmåte for å styre en elektrisk effektforsyning til en synkron permanentmagnetmotor som driver en last og som har et flertall av vindinger, hver vinding forsynes med effekt med en kvadratisk middelverdiforsyningsspenning V3 og en forsyningsfrekvens via en respektiv leder, for slik å akselerere motoren gjennom et hastighetsspekter fra stillstand, omfattende: å bestemme systemparametre inkludert karakteristikker til lasten, impedansen og den motelektromotoriske spenningen til motoren og impedansen til hver av lederne; å bestemme, basert på nevnte systemparametre, en første kvadratisk middelverdispenning VO ved hvilken forsyningen genererer et dreiemoment i motoren ved stillstand som er tilstrekkelig for å starte motorrotasjon; å bestemme, basert på nevnte systemparametre, et forhold mellom forsyningsspenningen V3 og forsyningsfrekvensen, hvor forholdet definerer, for hvert av spektrene av forsyningsfrekvenser korresponderende til hastighetsspekteret til den roterende motoren, en andre kvadratisk middelverdispenning V2 ved hvilken strømmen som strømmer gjennom hver vinding øker ved både økningen og minkingen av spenning, og V2 > VO; å levere effekt til hver vinding ved den første spenningen VO for slik å starte motoren fra stillstand; og progressivt å øke både forsyningsspenningen og forsyningsfrekvensen under opprettholdelse av forsyningsspenningen V3 med hensyn til forsyningsfrekvens ved en tilstrekkelig overskuddsverdi i forhold til V2 for å sikre stabil operasjon av motoren inntil motoren har nådd en ønsket operasjonshastighet; hvori det nevnte forholdet mellom forsyningsspenningen V3 og forsyningsfrekvensen bestemmes basert på nevnte systemparametre for å tilveiebringe en ønsket akselerasjonsrate bestemt av forsyningsspenningen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, hvor forsyningsspenningen V3 opprettholdes i forhold til forsyningsfrekvens ved en verdi hvorved V3 < 1,3<*>V2.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 2, hvor forsyningsspenningen V3 opprettholdes i forhold til forsyningsfrekvens ved en verdi hvorved V3 < 1,2<*>V2.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 2, hvor forsyningsspenningen V3 opprettholdes i forhold til forsyningsfrekvens ved en verdi hvorved V3 < 1,1<*>V2.

6. System omfattende: en synkron permanentmagnetmotor utplassert i et brønnhull og som driver en last og som har et flertall vindinger, og en styreanordning for å tilføre en kvadratisk middelverdiforsyningsspenning V3 og en forsyningsfrekvens til hver vinding via en respektiv leder, hvor styreanordningen er konfigurert til å tilføre hver vinding en kvadratisk middelverdiforsyningsspenning V ved en forsyningsfrekvens f via en respektiv leder i henhold til uttrykket V = VO +vf_Ratio<*>f hvor VO er en initell konstant spenning, vf Ratio er et konstant forhold av spenning over frekvens, VO er tilstrekkelig til å forsyne en tilstrekkelig strøm for å generere det nødvendige dreiemomentet for å rotere motoren fra stillstand, og vf Ratio er tilstrekkelig for å sikre at et overskuddsdreiemoment er tilgjengelig under oppstartsperioden og under operasjon for å overvinne enhver transient belastning som kan være tilstede, og effektforsyningen styres uavhengig av ethvert rotorposisjonssignal.

7. System ifølge krav 6, hvor motoren er anordnet for å drive en elektrisk nedsenkbar pumpe.

8. System ifølge krav 7, hvor pumpen omfatter en sentrifugalimpeller drevet av motoren.

9. System ifølge hvilke som helst av kravene 6-9, hvor hver leder er minst 50m lang.

10. System ifølge hvilke som helst av kravene 6-9, hvor hver leder er minst 600m lang.

11. System ifølge hvilke som helst av kravene 6-9, hvor hver leder er minst 3000m lang.