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游梁式抽油机用电动机高效节能控制系统的研究 高国兴( 材料加工工程) 牛俊邦( 副教授) 摘要 游梁式抽油机是石油开采的主要设备，也是主要耗能设备，其驱动 电机负载率通常都小于3 0 。这种情况的存在，使电能的利用率降低， 增加了电能的损耗。针对上述情况，本文对一种应用于游粱式抽油机拖 动电动机的高效节能控制系统进行了研究。 论文介绍了国内外抽油机的发展概况及游粱式抽油机的工作原理， 阐述了游梁式抽油机系统效率低下的原因。在此基础上，介绍了油田抽 油机常用的节能方法并对其优缺点进行了分析，提出了一种基于变频调 速和功率因数闭环控制的节能方案。游梁式抽油机节能装置的硬件部分 以a t 8 9 c 5 1 单片机为核心，包括主电路、控制电路、驰动电路、保护电 路、功率因数检测电路和能量回馈电路等部分。主电路采用交- 直一交电压 型结构：控制电路部分由脉宽调制芯片s a 8 6 6 a e 产生s p w m 控制信号。 a t 8 9 c 5 1 单片机控制部分由显示电路、键盘电路、复位电路、记忆电路、 功率因数计算电路和频率输出电路等组成；驱动电路选用i g b t 专用驱动 模块e x b 8 4 1 进行控制信号的放大；保护电路实现过流过压保护、短路保 护等功能。软件部分包括s a 8 6 6 a e t 5 接e e p r o m 初始化参数的设计、单 片机控制程序和电机软启动程序，软件采用汇编语言编程。 论文最后对所设计的部分电路进行了实验分析。胜利油嗣现场运行 测试结果表明，该装置可以使三相交流异步电动机功率因数大幅提高， 综合节电率达到2 6 5 8 ，节能效果明显。 关键词：游粱式抽油机；变频调速：功率因数闭环；能量反馈 s t u d yo fh i g h e f f i c i e n c ys a v i n ge n e r g yc o n t r o l s y s t e mf o rb e a m b a l a n c e dp u m p i n gu n i t g a og u o x i n g ( m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rn i u j u n - b a n g a b s t r a c t b e a m - p u m p i n gu n i t si st h em a i ne q u i p m e n ta n de n e r g ye o n s u n l e ri n r d 2 0 v e rp e t r o l e u m u n d e rt h en o r m a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n ，t h ea v e r a g el o a d r a t i oo ft h eo i l p u m p i n gm o t o ri su s i l a l l yl e s st h a n3 0 o ft h er a t e dv a l u e t h i s c i r c u m s t a n c ec a u s e st h ec o e f f i c i e n to fu t i l i z a t i o no ft h ee l e c t r i c a l m a c h i n e r ya n di n c r e a s et h ee l e c t r i cp o w e rl o s s i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m , t h i sp a p e rd e v e l o p sah i g h - e f f i c i e n c ys a v i n ge n e r g yc o n t r o ls y s t e mf o r b e a m - b a l a n c e dp u m p i n gu n i t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r e s e n ti n t e r n a la n de x t e r n a ls i t u a t i o no f u s i n g t h eb e a m - p u m p i n gu n i t sa n d a n a l y s e st h ew o r k i n gw a y o f i t t h e nt h ep a p e r d i s c u s s e st h ee a l l s eo fl o we f f i c i e n c yo ft h eb e a m p u m p i n gu n i t s o nt h e b a s i s ，b yc o m p a r i n gd i f f e r e n tm e a s u r e so fs a v i n ge n e r g yt h a th a v eb e e nu s e d i no i lf i e l d sa n dp u m p i n gm a c h i n ec h a r a c t e r i s t i c s , an e ws a v i n ge n e r g y s c h e m eo f v v v fa n dp o w e rf a c t o rl o o pc o n t r o li sp r o p o s e di nt h i st h e s i s t h ec o n t r o l l e ro ft h eb e a m - p u m p i n gu n i t si sb a s e do nt h ea t 8 9 c 5 1 s i n g l ec h i pm i c r o - c o r n p u t e r t h eh a r d w a r ep a r ti sm a d eo f m a i nc i r c u i t , d r i v e c i r c u i t , c o n t r o lc i r c u i t , p r o t e c t i o nc i r c u i t , p o w e r f a c t o ra n d e n e r g y r e g e n e r a t i o nc i r c u i te r e m a i nc i r c u i ta d o p t st h es t r u c t u r eo fa c d c - a c v o l t a g es o u r c et y p e t h em a i ns w i t c hc o m p o n e n tu s e si g b tp o w e rm o d u l e c o n t r o lc i r c u i ts d e e t sp u l s ew i d t hm o d u l a t i o nc h i ps a 8 6 6 a et h a tc a n g e n e r a t es p w m c o n t r o ls i g n a l t h es i n g l ec h i pm i c r o - c o m p u t ec o n t r o lp a r ti s c o m p o s e do fd i s p l a yc i r c u i t ，k e y b o a r dc i r c u i t ，r e s e tc i r c u i t ，m e m o r yc i r c u i t ， p o w e rf a c t o rd e t e c t i o nc i r c u i ta n df r e q u e n c eo u t p u tc i r c u i te t c t h ei g b t d r i v ec i r c u i tu s e st h es p e c i a l - p u r p o s ee x b 8 4 1m o d u l et oc a r r yo r lt h e a m p l i f i c a t i o no fc o n t r o ls i g n a l p r o t e c t i o n c i r c u i ti n c l u d e s o v e r - v o l t a g e p r o t e c t i o n ，o v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o n ，s h o r t - c i r c u i tp r o t e c t i o n t h es o f t w a r ep a r t c o m p r i s et h ei n i t i a l i z a t i o np a r a m e t e r sd e s i g n so fs a 8 6 6 a e se e p r o m ，t h e p r o g r a mo fm i c r oc o n t r o l l e du n i ta n dt h ep r o g r a mo fm o t o rs o f ts t a r t ，t h e s o f t w a r ep r o g r a m m e dw i t ht h ec o m p i l a t i o nl a n g u a g e f i n a l l y , t h ep a p e rg i v e s o u ts o m er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t t h e d e v e l o p e ds y s t e ma p p l i e di ns h e n g l io i l f i e l ds h o w e dt h ep o w e rf a c t o ro fa c a s y n c h r o n o u sm o t o ro fu pt o0 9 8a tt h eb e s ta n di t se n e r g y - s a v i n gr e s u l to f t o t a le f f i c i e n c ya r eb y2 8 4 e x h i b i t e dag o o de f f e c to ne n e r g ys a v i n g k e yw o r d s ：b e a m - p u m p i n gu n i t ；v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ； p o w e rf a c t o rc l o s e dl o o p ；e n e r g yr e g e n e r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下迸行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：丙够z 7 年j 月；f 同 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 高鱼兰： f r 卯年 中 j 月 多 月 季f 日 。f 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 在油田开采生产过程中，国内外基本上都采用机械采油方式。机械 采油，即以机械为主要或辅助手段把原油从井下抽到地面。机械采油又 分泵举采油和气举采油。国内外使用比较广泛的是有卡| 泵采油法，有幸丁 泵采油是泵举采油的一种方式，它通过抽油机、抽油杆和抽油泵组成的 “三抽系统”进行抽油。 1 1 抽油机的国内外现状 在世界范围内，研究开发与应用抽油机已有1 0 0 多年的历史。在这 百余年采油实践中，抽油机发生了很大变化。游梁式抽油机具有结构简 单、制造容易、工作持久、可靠性高、操作方便、适应工况条件好等优 点，一直占据着有杆泵采油地面设备的主导地位；但游梁式抽油机也存 在效率低下、用电成本高等缺点。因此国内外先后研制了前置式抽油机、 异相曲柄平衡抽油机、空气平衡抽油机等型号的抽油机，不同程度的克 服了游梁式抽油机的一些缺点，但因脱离不了利用四连杆机构将旋转运 动转变为直线往复运动的设计思路，故无法从根本上解决问题。2 0 世纪 7 0 年代以来，各种形式的无梁式抽油机应运而生，如链条抽油机、皮带 抽油机和液压抽油机等。无梁式抽油机的最大优点就是不用四连杆机构 将旋转运动变为往复运动，其运动规律除上、下死点有短时问的加减速 运动外，大部分时间都是匀速运动，使得惯性载荷大幅下降，抽油机性 能得到较大改善。无梁式抽油机也有一些问题亟待解决，如结构复杂、 成本较高、某些运动部件寿命短等，但无梁式抽油机具有效率高、功率 因数高等特点，因此抽油机的发展方向是无梁式抽油机。 但由于使用数量多、成本较低等原因，游梁式抽油机仍在世界各地 被大量使用，并在一段时期内还会占据抽油机市场的主导地位，近期内 不会被取代。 1 2 本课题的背景及意义 游梁式抽油机在采浊的过程中，由于启动负荷大且地下油层出油量 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 不够稳定，昼夜的周期内液位变化比较大，工作电机的负荷是不稳定 的，为了生产的顺利进行，必须按大负荷状态配备电机，这就导致抽油 机的驱动电机经常处于“大马拉小车”的运行状态，使电机的工作效率 和功率因数明显下降。另外，游梁式抽油机在完成一个抽油周期的过程 中，上冲程和下冲程的负荷也不平衡，并且差别较大，为了改善这种不 平衡状态，减小工作电机的容量，提高工作效率，节约电能，游梁式抽 油机都设计有配重悬锤，尽管如此，由于配重悬锤的配重是固定的，而 油井的工况是变化的，再加上配重悬锤的调整受到现场诸多条件的限制， 使抽油机不能完全达到平衡。在实际运行中，电机往往处于两种工作状 态，即电动状态和倒发电状态。倒发电能量在电能机械能电能 反复转换的过程中，既造成了一定能量损失又会对电网的正常供电造成 一定程度的扰动，同时使电网与电机的功率因数不同程度地降低。按照 国家电业管理部门的有关法规，电机的功率因数达不到0 8 5 ，就要对用 电部门进行罚款，罚款比例高达1 2 0 ，这对油田采油厂这样的用电大户 来说，无疑使生产成本提高了一大块，同时也造成了能源浪费。 本课题就是针对上述问题提出的，其目的就是提高抽油机电机的功 率因数，并对电机倒发电产生的能量进行处理，节能降耗，降低生产成 本。 多年来，全世界各油田都在节能降耗和降低生产成本方面，投入大 量技术力量进行研究，不同类型的节能装置相继投入使用，在一定程度 上满足了油田节能的需要。国内各油田也在部分油井上使用了节能装置， 但始终没有一种产品被大面积推广使用，其原因主要是价格和性能问题， 效果好的产品往往价格高，收回成本周期太长，价格低的产品节能效果 又不明显。本课题就是针对以上普遍情况和采油厂的具体现状，研究开 发一种价格适中，节能效果明显，能提高电网与电机的功率因数，使电 机倒发电能量在井口得以自动处理和利用的节能装置。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 3 论文的研究内容及创新点 本课题以游梁式抽油机为控制对象，针对抽油机拖动系统存在的问 题，拟将高功率因数的变频调速节能控制方案应用于抽油机，从而实现 抽油机的最优控制。 所做的具体工作总结如下： ( 1 ) 在查阅、分析了国内外相关领域资料的基础上，对抽油机技术 的发展、抽油机节能技术的发展与应用进行了概述。 ( 2 ) 系统地学习了电动机变频调速理论，掌握了脉宽调制技术的相 关知识。 ( 3 ) 针对游梁式抽油机拖动系统存在的现实问题，提出了一种闭环 控制策略在变频调速的基础上增加功率因数控制的节能方案。 ( 4 ) 为了实现系统的控制方案，对变频节能控制系统进行了硬件和 软件设计。为了使该系统达到最佳节能效果，在硬件设计中加入了能量 回馈环节。 ( 5 ) 在以上理论和实践的基础上，进行了实验分析，取得了比较满 意的结果。验证了该控制方案的有效性和可行性。 本课题的创新之处在于： ( 1 ) 针对游梁式抽油机拖动系统存在的现实问题，提出了一种新颖 的控制方案高功率因数的变频节能控制系统，并用新型变频调速芯 片s a 8 6 6 a e 、a t 8 9 c 5 1 单片机以及相应外围器件实现这一方案。 ( 2 ) 该方案的主要特点就是通过在线检测环节获得系统的功率因 数，以此为依据实时调节s p w m 波送给拖动电机的电压【，实现电动机 的输出特性跟随负载特性的变化而变化，从而达到自动调节的目的。 ( 3 ) 本系统在设计过程中，在保证系统功能不受重大影响的前提下， 尽量降低设计成本，力求达到性能与成本的最佳结合。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章游梁式抽油机的节能讨论 第2 章游梁式抽油机的节能讨论 2 1 游梁式抽油机的工作原理 游粱式抽油机俗称“磕头机”，是机械采油设备中最早使用的抽油机 机种1 2 ，其结构如图1 1 所示。 图1 - l 抽油机结构图 1 一底座：2 一支架；3 一悬绳器；4 驴头；5 游梁；6 横梁轴承座：7 一 横梁；8 一连杆；9 一曲柄销装置；l o 一曲柄装置；11 减速器：1 2 刹车保险装 置；1 3 - - 刹车装置；1 4 一电动机；1 s 一配电箱 游梁式抽油机是一种变形的四连杆机构，整机结构像一架天平，一 端是抽油载荷，另一端是平衡配重载荷。其工作原理是：电动机将电能 转换为旋转运动，通过皮带带动减速箱减速后。由四连杆机构( 曲柄、 连杆、横梁和游梁) 把减速箱输出轴的旋转运动变为游梁驴头的往复运 动，用驴头带动光杆和抽油杆作上下往复的直线运动，抽油杆柱带动井 下抽油泵的柱塞进行抽油。 前面已经提到，由于游梁式抽油机本身的结构特征，决定了它平衡 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章游梁式抽油机的节能讨论 效果差，存在负扭矩、载荷率低、工作效率低和能耗大等缺点。下面就 对游梁式抽油机系统效率低的具体原因进行分析。 2 2 游梁式抽油机系统效率低的原因 游梁式抽油机系统的总效率在国内平均只有1 2 一2 3 ，最高为3 0 左右；国外的常规抽油机系统效率较高，但也仅为4 6 1 3 j 。究其原因， 游梁式抽油机系统是由地面和井下两个部分构成的，地面和井下部分又 各由几个部件组成，系统效率是各部件效率的乘积，任何一环的分效率 变低，都会使总效率变低。对于同一工况、井况和同- n 下，井下部分 的损耗因地面游梁式抽油机的机型不同而产生的差异不会很大，因此， 本文主要从地面抽油机的节能问题入手进行研究。 游梁式抽油机系统效率低的具体原因表现在： ( 1 ) 抽油机的负荷特性与电动机的硬的转矩特性不匹配，电动机的 负载率过低，致使电机以较低的效率运行。抽油机是惯性矩较大的机械 设备，工作时都是带载启动，因而启动比较困难。为了满足启动的要求， 不得不选配额定功率较大的电动机来拖动。另外，抽油机的载荷是带有 冲击性的交变载荷，为傻拖动抽油机的电动机稳定运转并具有一定的过 载能力，需按抽油机的最大扭矩来选配电动机，而抽油机所需的平均功 率并不大，致使大多数情况下电动机处于轻载状态，存在着严重的“大 马拉小车”现象，造成电机功率因数低、效率低。再加上油阳为了防止 蜡卡、砂卡等异常工况而导致电动机烧毁，还有意识地选择更大容量的 电动机来驱动抽油机，使得“大马拉小车”问题更加突出1 4 j 【”。 电动机从空载到满载的过程中，主磁通几乎不变，励磁电流不变， 即定子电流的无功分量不变。电动机从理想空载到满载的过程中，定子 电流的有功分量从零增加到额定值。在轻载时，电流的有功分量相对满 载时的有功分量要小得多，因此功率因数下降较大州。 电动机的效率r 可表示为： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章游梁式抽油机的节能讨论 力：墨：l 一坠：1 一墨! 垒鱼垒墨( 2 - 1 ) 。只鼻x 3 1 , u ，c o s t p 式中只电动机的输入功率； 只电动机的输出功率； l 定子绕组的线电流； ( ，定子绕组的线电压； 只。定子铜损耗： 厶转子铜( 或铝) 损耗； 昂机械损耗； 只铁损耗； 只附加损耗。 b 与不随负载变化，故称不变损耗。昂与槽口尺寸和形状有关， 负载对其影响不明显。因此，可变损耗就是定子铜损耗和转子铜( 或铝) 损耗。一般情况下，在额定运行时，可变损耗约占总损耗的5 5 。电动 机从额定负载向轻载的变化过程中，可变损耗减小，减小，c o s 6 p 也减 小。而在轻载时，和c o s 下降速度快，电动机效率明显下降。 ( 2 ) 在一个冲次中有两段发电状态也是导致电动机效率低下的一个 原因，其电压、电流相量如图2 - 1 所示。 图2 - 1 电流与电压向量 在一个冲次内，电流的大小及相位角妒总是变化的，相位角有大于 9 0 。的情况，这段时间有功电流为负，为发电状念【7 1 。这种特殊负荷给 电动机节能带来很大难度。另外，抽油杆运动时的惯性作用和弹性变形， 6 中国 i 油大学( 华东) 硕士论文第2 章游梁式抽油机的节能讨论 使抽油机在上下死点产生冲击，而普通y 系列电动机的机械特性是硬特 性，在运行过程中转速随负荷变化不大，抽油泵柱塞的实际行程由此变 短，从而影响泵的充满率，降低泵效，使整个游梁式抽油机的系统效率 降低。 ( 3 ) 由于井下条件对游梁式抽油机的反馈而产生有效载荷系数的影 响，如进泵原油含有一定量的溶解气体，当作用在进泵原油上的压力逐 渐降低时，原油中的气体大量分离出来，占据泵腔，导致泵效降低。 2 3 游梁式抽油机的节能机理及评价 2 3 1 游梁式抽油机的节能机理 按照消耗能量的要素，可以把抽油机系统分成电动机及控制装置、 四连杆机构、悬点载荷平衡装置和传动元件等几个子系统。提高这些子 系统的效率就是寻找节能途径的基本“突破口”，不同节能机理的产生也 缘于此 ( 一) 从纯机械的角度来看，各种研究抽油机节能的途径归纳起来 可分为两种： 一是通过改变抽油机的结构直接降低抽油机的扭矩因数，以降低抽 油机的工作扭矩及其波动，实现节能，如前置式抽油机、偏置式抽油机、 偏轮式抽油机、异型抽油机等。 二是通过改变抽油机的平衡方式，以降低减速器输出轴的扭矩，达 到节能的目的，如大轮式抽油机、两级平衡抽油机等。 以上这些型式的抽油机都是对结构进行改善从而达到节能的目的， 但均忽略了抽油机的负载变载荷特性，即其负载转矩与速度的平方成正 比，轴功率与转速的三次方成正比例。其结果就是：不论负载如何变化， 电动机均按最大负载提供功率，这势必造成能源的浪费。 ( 二) 从电气的角度来看，抽油机工作效率不高的主要原因是其负 荷与所用的普通三相异步电动机的工作特性不匹配，所以改变电动机的 工作特性就成为主要矛盾。目前，抽油机拖动电动机主要从以下三个方 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章游梁式抽油机的肖能讨论 面实现节能： 其一，用新型电动机来改变异步电动机的硬机械特性，降低抽油机 的启动能耗，如用超高转差率电机替代目前的普通电机。超高转差率电 动机机械特性较软，使上冲程转速减慢，减小了驴头的速度和加速度， 从而大大减小了抽油系统的动载和电机的峰值扭矩，其结果可使减速箱 的扭矩减小1 0 2 0 ，这既可节电，又可延长减速箱使用寿命和减少抽 油杆断脱。但目前此类驱动电机因制造成本和销售价格较高，广泛使用 受到一定限制。 其二，人为地改变电动机的机械特性，以实现与负荷特性的柔性配 合。如在电动机配电装置旁就地安装补偿电容器。加入电容后，将电动 机所吸收的无功功率由电容来补偿，从而使电网输送的无功功率减少， 功率损耗下降，达到节电目的。 其三，提高电动机的负荷率和功率因数。如电磁滑差电动机、稀土 永磁同步电动机、变频调速电动机、电动机调压装置等。 ( 1 ) 永磁同步电动机【9 j 这种电动机采用封闭式外壳结构，适用于户外工作环境，而外形结 构和安装尺寸与y 系列电动机完全相同，现场换用非常方便。它除保留 了原异步电机结构简单、使用方便、经久耐用等优点外，还具有如下特 点：运行效率高，额定效率一般可达到9 4 以上；运行功率因数高，额 定功率因数设计在0 9 5 左右，且在轻载时还高于额定值，甚至在一定范 围内还呈现容性，起到补偿功率因数的作用，保证了整个冲程内的自然 平均运行功率因数在0 9 0 以上；装机功率平均降低3 0 左右，启动电流 减小，动态启动转矩倍数提高，改善了电动机的启动性能。 但永磁同步电动机本身是硬特性，运行中无转差，和高转差电机相 比，没有消减振动载荷的能力，反会增大对减速箱齿轮的冲击损害。另 外由于铁硼钕材料本身的居里点目前只在1 2 0 1 3 0 ，一旦电机烧毁， 转子就会失磁，若再充磁就需要专用设备，这给用户带来不便。此外转 子极数已定，不能适应参数调整的需要实行变极调速，对现有旧电机的 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章游梁式抽油机的节能讨论 改造也很困难。 ( 2 ) 调压节能装置i ”j 调压节能装置的基本原理是根据电动机的负荷率的变化，不断调节 电动机的输入端电压，使电动机运行在最佳状态。抽油机运行时，电动 机的输入电压随着抽油机井的载荷变化自行调节，即载荷小时电动机的 输入电压下降，载荷大时电动机的输入电压升高。因此，降低输入电压， 减少了电动机的损耗，提高了电动机的运行效率，同样能达到节能的目 的。调压节能装置的节电率在1 5 左右，节电率与负荷率成反比。 值得注意的是，调压节能装置调压时的谐波分量较大，电动机运行 时容易引起过热：当控制角达到一定值时，还会导致电动机冲击振动， 降低其寿命。另外，调压节能装置成本太高，抽油机在户外工作，环境 恶劣，设备损坏后油田无法自行维护。 ( 3 ) 变频调速电动机【1 1 】【1 2 l 这种方案是在普通电动机电源上加变频控制装置，降低了电动机的 容量，负荷率得到较大提高，变频器的输入功率因数接近1 ，并且改变 了上、下冲程的速比，也改善了抽油系统的配合。这种方案无论从电动 机本身还是从系统配合上都达到了节能目的。目前存在的问题是，发电 时不能回馈，要通过电阻把发电能量放掉。另外，一次投入大，现场管 理难度大，而且变频器本身也有功率损耗( 约3 ) ，变频器的谐波对电 网有影响，并会使电动机附加损耗增大。但随羞电力电子及各种控制技 术的发展，变频调速技术存在的问题必将得到很好的解决，因此，鉴于 变频调速技术在节能方面的优越性，它将是今后抽油机节能研究的重点。 2 3 2 抽油机节能的评价指标 游梁式抽油机工作效率不高的主要原因是其载荷特性与所用普通三 相异步电动机的工作特性不匹配。供给抽油机举升液体的能量主要消耗 在三个方面：一是举升液体所做的有效功；二是克服摩擦阻力所做的功； 三是消耗于热损失的功。普通异步电动机外特性较硬，适宜拖动均匀载 荷。游梁式抽油机机的净扭矩曲线周期性变化规律，就是异步电动机负 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章游梁式抽油机的节能讨论 荷的变化规律；电动机工作时，总的热损失是电流和功率波动量的函数， 而这种波动量又与抽油机扭矩的变化成f 比。在其它条件不变时，抽油 机扭矩变化越平稳，则电流均方根就越接近电流平均值，消耗于热损失 的功就越小，抽油机的能量损失就越小，工作能耗也就越低，抽油机的 地面效率就越高。因此，抽油机是否节能的评价指标应为： ( 1 ) 抽油机本身动力性能所决定的光杆载荷，即光杆示功图； ( 2 ) 由平衡性能所决定的曲柄轴净扭矩，它集中表现了抽油机的平 衡性能和动力性能； ( 3 ) 抽油机电动机的拖动特性、负荷率等； ( 4 ) 功率因数补偿、变频、调压等电控技术水平。 因此，通过改变或调整载荷扭矩曲线和平衡扭矩曲线的形状和相位 差、减小净扭矩曲线的波动幅度和上下峰值、消除负扭矩、减小抽油机 的周期载荷系数以及提高电动机的负荷率，或应用变频调速技术等，均 可达到节能之目的。 2 4 节能方案的确定 电动机的变频调速技术可以将游梁式抽油机固定运动特性改变为随 油井工况可调节的可变运动特性，方法简单实用。由异步电动机的转速 表达式 o - s ) _ - 6 0 f , 0 一 ( 2 2 ) 可知目前异步电动机调速方法，有改变电动机的磁极对数p 、改变 转差率j 和改变电源频率z 等三种。 改变电动机定子的磁极对数，通常用改变定子绕组的接法来实现。 这种方法适用于鼠笼式异步电动机，因为它的转子无固定的极对数，它 的极对数随定子数而定。而绕线式异步电动机要改变极对数必须定、转 子同时改变接线，结构复杂，操作麻烦，另外它是有级调速，对抽油机 来说，不宜采用变极调速。 改变转差率调速包括转子电路串电阻调速、改变定子电压调速和串 i o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章游梁式抽油机的节能讨论 级调速等，这些调速方法的共同特点是在调速过程中都产生大量的转差 功率，并消耗在转子电路罩，很不经济，因此在游梁式抽油机的改造中 很少采用1 i 3 1 。 改变异步电动机电源的频率，i ，从而改变异步电动机的同步转速疗， 异步电动机转子转速胛= ( 1 一s ) 就随之得到调节，这种调速方法称为变 频调速，变频调速是近年来已广泛应用的成熟技术，其性能指标堪与直 流电动机的调速性能相媲美。目前已在我国石油工业的原油集输、供水 系统和采暖供热系统等领域得到广泛应用。本文采用变频调速s p w m 技 术作为改造游梁式抽油机的主要技术，同时以单片机作为数据采集、处 理、信号变换和传递的控制部件，用霍尔电压传感器和电流传感器检测 电动机的定子方的电压、电流，获得功率因数数据，作为节能控制装置 实现闭环控制的依据。 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章变频调速的脉宽调制( p w m ) 控制技术 第3 章变频调速的脉宽调制( p w m ) 控制技术 3 1p w m 控制的基本原理【1 4 1 脉冲宽度调制型变频电路通常称为p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 型变频电路。这种p w m 型变频电路主要有以下特点： ( 1 ) 可以得到相当接近j 下弦波的输出电压； ( 2 ) 整流电路采用二极管，可获得接近1 的功率因数： ( 3 ) 只用一级可控的功率环节，电路结构较简单； ( 4 ) 通过对输出脉冲宽度的控制即可改变输出电压，大大加速了变 频控制装置的动态响应。 由于上述原因，在自关断器件出现并成熟后，p w m 控制技术就得到 了很快的发展。p w m 型逆变电路得到了广泛的应用，现在p w m 控制技 术已成为电力电子技术中一个非常重要的组成部分，它对提高电力电子 装置的性能，推动电力电子技术的发展起着巨大作用，也是本课题使用 的主要技术。 在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉 冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积， 这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把 输出波形用傅氏变换分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段略有 差异，例如图3 - l ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示的三个窄脉冲形状不同，图3 - 1 ( a ) 为矩 形脉冲，图3 - 1 ( b ) 为三角形脉冲，图3 - l ( c ) 为正弦半波形脉冲，但它们的 面积( 即冲量) 都等于l ，那么，当它们分别加在同一惯性环节上时， 其输出响应基本相同。脉冲越窄，其输出的差异越小，当窄脉冲变为图 3 - 1 ( d ) 的单位脉冲函数占( f ) 时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。 中国t i 油人学( 华东) 硕十论文第3 章变频凋速的脉宽调制( p w m ) 控制技术 ， ( a )( b )( c )( d ) 图3 - 1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 上述结论是p w m 控制的重要理论基础。下面分析如何用一系列等 幅而不等宽的脉冲代替一个j 下弦半波。 把图3 - 2 ( a ) 所示的j 下弦半波波形分成h 等份，就可把正弦半波看成由 此相连的脉冲所组成的波形。这种脉冲宽度相等，都等于x n ，但幅值 不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按j 下弦规律 变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列 代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和 相应正弦部分面积( 冲量) 相等，就得到图3 - 2 ( b ) 所示的脉冲序列。 假设图中正弦波可表示成u 。s i n t o z f ，矩形脉冲幅值为u 彳，第f 个 矩形脉冲宽度为4 ，其中心点相位角为p ，则根据面积相等的等效原则， 巧妙，2 ) = u 。段s i n q 耐协) = u 。i c o + , 一云 一c 。s p + 丢 = 2 u 。s i n s i n o , ( 3 - 1 ) 当”值较大时，有 s i n 三三 ( 3 2 ) 。4 2 x u 。s i n o , 加u ， ( 3 - 3 ) 这就是说，第i 个脉冲的宽度与该处正弦波值近似成正比，因此各脉 中国石油大学( 华东) 硕十论文第3 章变频调速的脉宽调制( p w m ) 控制技术 冲的宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，p w m 波 形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到 p w m 波形。像这样脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的p w m 波形，称为s p w m ( s i n u s o i d a lp w m ) 波形。 图3 - 2p w m 控制的基本原理示意图 在p w m 波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波 的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交直 交变频装置中，整流电路采用不可控的二极管电路即可，p w m 逆变电路 输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。 上面说明了p w m 控制的基本原理。按照上述原理，在给出了正弦 波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，p w m 波形各脉冲的宽度和间隔 就可以准确计算出来，按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就 可以得到所需要的p w m 波形。但是，这种计算很繁琐，正弦波的频率、 幅值变化时，结果都要变化。较为实用的方法是采用调制的方法，即把 所希望的波形作为调制波( m o d u l a t i n gw a v e ) ，把受调制的信号作为载波 ( c a r t i e rw a v e ) ，通过对载波的调制得到所希望的p w m 波形。在s p w m 中常用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度和宽度成线性关 系且左右对称，当它与一个j 下弦调制信号波相交时，如在交点时刻控制 电路中功率开关器件的通断，就可以得到一组幅度相等而脉冲宽度正比 1 4 中国f i 油大学( 华东) 硕十论文第3 章变频调速的脉宽调制( p w m ) 控制技术 于对应区间正弦波曲线函数值的矩形脉冲，这正是s p w m 所需要的结 果。 按调制脉冲的极性不同，p w m 可分为单极性和双极性调制方式。在 调制信号的半个周期内载波只在一个方向变化，所得到的p w m 波形也 只是在一个方向变化的控制方式称为单极性p w m 控制方式；而在双极 性方式中调制信号的半个周期内，载波是在正负两个方向变化的，所得 到的波形也是在两个方向变化的。 3 2s p w m 型逆变电路的控制方式【“】 在p w m 逆变电路中，载波频率丘与调制信号频率，之比n = 工， 称为载波比。在不考虑死区时间情况下，载波比越高，输出电压波形 中谐波含量越少，也就是说输出波形越接近正弦波。在实际应用中，应 考虑到死区时间的影响以及开关损耗，载波频率一般不超过2 0 k h z 。根 据载波和调制波是否同步及载波比的变化情况，s p w m 逆变电路可以分 为异步式、同步式和分段式三种控制方式。 ( 1 ) 异步控制方式载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方 式称为异步方式。在异步调制方式中，调制信号频率f 变化时，通常保 持载波频率t 固定不变，因而载波比是变化的。这样，在调制信号的 半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉冲相位也不固定，正负半周期 的脉冲不对称。同时，半周期内前后1 4 周期的脉冲也不对称。 当调制信号频率较低时，载波比较大，半周期内的脉冲数较多， 正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1 4 周期脉冲不对称的影响都较 小，输出波形接近正弦波。当调制信号频率增高时，载波比就减小， 半周期内的脉冲数就减少，输出脉冲的不对称性影响就变大，还会出现 脉冲的跳动。同时，输出波形和正弦波之间的差异也变大，电路输出特 性变坏。对于三相p w m 型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。 因此，在采用异步调制方式时，希望尽量提高载波频率，以使在调制信 号频率较高时仍能保持较大的载波比，相应地减少固有谐波含量，改善 中国石油大学( 华东) 硕十论文第3 章变频调速的脉宽调制( p w m ) 控制技术 输出特性，以减轻电动机的谐波损耗和转矩脉动。当今，变频装置以 m o s f e t 和i g b t 为开关器件，开关频率较高，值足够大，因此基本 上都采用异步调制方式。 ( 2 ) 同步控制方式载波比等于常数，并在变频时使载波信号和 调制信号保持同步的调制方式称为同步调制。在基本同步调制方式中， 调制信号频率变化时载波比不变。调制信号半个周期内输出的脉冲数 是固定的，脉冲相位也是固定的。在三相p w m 逆变电路中，通常共用 一个三角波载波信号，且取载波比为3 的整数倍，以使三相输出波形 严格对称，同时，为了使一相的波形正负半周镜对称，应取为奇数。 当逆变电路输出频率很低时，因为在半周期内输出脉冲的数目是固 定的，所以由p w m 调制而产生的正附近的谐波频率也相应降低。这种 频率较低的谐波通常不易滤除，如果负载为电动机，就会产生较大的转 矩脉动和噪声，给电动机的正常工作带来不利影响。 ( 3 ) 分段同步控制方式实际工程应用中，多采用“分段同步控制” 方式，该方式结合了同步控制方式和异步控制方式的优点，而克服了两 者的不足。在低频运行时，使载波比呈有级增大，在有级地改变逆变器 输出电压半波内p w m 脉冲数目的同时，保持其半波和三相对称的关系， 从而改善了系统的低频运行特性，并可消除由于逆变器输出电压波形不 对称所产生的不良影响。 3 3s p w m 控制信号的生成方法【6 1 7 】 根据上述p w m 逆变电路的基本原理和控制方法，可以用模拟电路 构成三角波载波电路和正弦调制波电路，用比较器来确定它们的交点， 在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制，就可以得到s p w m 波形， 但这种模拟电路结构复杂，难以实现精确控制，这种方法已很少使用。 目前，s p w m 波形的生成和控制多用数字方法来实现。具体的可以 用微机软件法生成s p w m 波形，也可以采用大规模集成电路芯片或电动 机专用调速控制芯片等方法来产生s p w m 波形。 j 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章变频调速的脉宽调制( p w m ) 控制技术 微机软件产生s p w m 波的方法，有表格法、随时计算法、实时计算 法。前两种方法没有实时处理功能，动态响应时间较慢。第三种方法要 有数学模型，常用的有自然采样法、规则采样法( 又分为对称规则采样 法和不对称规则采样法) 、谐波消去法、等效面积法等。这些方法其效果 受到指令功能、运算速度、存储容量和兼顾其他算法功能的限制，有时 难以有很好的实用性。其调制频率以及系统动态响应速度都不是太高， 很难适应高频电力电子器件高开关频率的需要。 专门用于产生s p w m 波形的大规模集成电路芯片也得到了广泛应 用，比如m a l l a r d 公司的h e f 4 7 5 2 ，这种芯片可以输出三对互补的s p w m 信号用来驱动三相桥式逆变电路，从而实现交流电机的变频调速； s i e m e n s 公司的s l e 4 5 2 0 ，其开关频率和输出频率分别可达2 0 k h z 和 2 6 k h z ，有三个输出通道提供三相逆变桥6 个2 0 m a 电流的驱动信号， 可用来驱动i g b t 逆变电路；m i t e l 公司的s a 4 8 2 8 、s a 8 6 6 a e 等。采用 专用芯片可简化硬件电路和软件设计，降低成本，提高可靠性。 另外，为了满足电动机高性能复杂控制的需要，也可采用数字信号 处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 、现场可编程逻辑阵列( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 或复杂可编程逻辑器件( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i c a ld e v i c e ，c p l d ) 等方案产生s p w m 信号，但设计 成本和复杂性会大幅提高。 鉴于简单灵活控制、性能和成本等各方面考虑，本文所设计的变频 装置采用微处理器和专用s p w m 芯片相结合的方式来产生s p w m 驱动 信号。微处理器选用美国a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 l 八位通用单片机，专用 s p w m 芯片选用m i t e l 公司的三相p w