（电力电子与电力传动专业论文）抽油机变频节能及测控技术研发.pdf

r & df o rp u m p i n gf r e q u e n c ye n e r g y - s a v i n ga n d co n t r o lt e c h n o l o g y l ix i a n g l i n ( p o w e re l e c t r o n i ca n de l e c t r i c a ld r i v e ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gj i a s h e n g a b s t r a c t a tp r e s e n t ，b e a mp u m p i n gu n i ti st h em o s tw i d e l yu s e do i lf i e l de q u i p m e n t i np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ，t h e r ea r em a n yp r o b l e m s ，f o re x a m p l e ， b i gh o r s eh a u l i n gs m a l lc a r t ”，h i g h e n e r g y - c o n s u m i n g ，l o we f f i c i e n c y b e s i d e st h a t t h em o t o ro fp u m p i n gu n i th a sd i f f e r e n t l e v e l so fr e g e n e r a t i n ge l e c t r i c i t y , w h i c hf u r t h e rr e d u c e st h ee f f i c i e n c yo fm a c h i n e a c c o r d i n g t ot h en e e d so fd r a i n i n go i l ，t h es y s t e mr e q u i r e st r a n s m i s s i o nt oa d j u s ts p e e d ，w h i c hh a sp o o r f l e x i b i l i t ya n d t os o m ee x t e n tr e d u c e st h ep u m pe f f i c i e n c yi ns o m ep u m p i n gu n i t i nv i e wo f t h i s ，t h ep a p e rr e s e a r c h e sa n dd e v e l o p sak i n do ff r e q u e n c yc o n v e r s i o nc o n t r o ls y s t e mf o r b e a mp u m p i n gu n i ti no r d e rt os a v ee n e r g ya n di m p r o v ee f f i c i e n c y t h es y s t e mu s e sa c - - d c - - a cf r e q u e n c yc o n v e r s i o nm a i nc i r c u i tw i t hu n c o n t r o l l a b l e r e c t i f i e rd i o d ea n di n v e r t e ru n i tb a s e do ni g b to rp o w e ri n t e g r a t e dm o d u l e sp m t h e s y s t e mc a nr e a l i z et h ea u t o m a t i cs w i t c h i n gb e t w e e nf r e q u e n c ya n df r e q u e n c yc o n v e r s i o n t h r o u g hac o m p l e t ec o n t r o lc i r c u i to fr e l a yc o n t a c t sw h i c hi ss p e c i a l l yd e s i g n e d t h ec o n t r o l s y s t e mb a s e do nd s p i c 3 0 f 4 0 1 1d i g i t a ls i g n a lc o n t r o l l e ra d o p t ss p w mc o n t r o lt e c h n o l o g yt o a c h i e v em o t o rv v v f t h ec o n t r o ls y s t e mm a i n l yi n c l u d e sd s cc o n t r o lu n i t ，k e y b o a r da n d d i s p l a yu n i tw h i c hi s c o n t r o l l e db ys t cm c u ，d e t e c t i o na n dp r o t e c t i o nu n i t ，p o w e r m o d u l e d r i v i n gu n i t ，s w i t c h i n gp o w e rs u p p l ya n ds oo n i ns y s t e m sd e s i g n ，d s ca n ds t c m i c r o c o n t r o l l e rp e r f o r mt h e i ro w nf u n c t i o ns e p a r a t e l ya n dc o o r d i n a t ee a c ho t h e rt h r o u g h s e r i a lc o m m u n i c a t i o n t h ew h o l es y s t e mc a na c h i e v es o f ts t a r ta n ds t o po fv a r i a b l ef r e q u e n c y a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c e so fl o a d ，i tc a na u t o m a t i c a l l ya d j u s tt h ec o n t r o lt os a v ee n e r g y a c c o r d i n gt ot h en e e d so fd r a i n i n go i l ，n o to n l yc a nt h es y s t e mc h a n g eo p e r a t i n gf r e q u e n c ya t a n yt i m eb u ta l s oa c h i e v ed i f f e r e n tf r e q u e n c yo p e r a t i o nb e t w e e nu pa n dd o w ns t r o k e f o rt h eu p l i f to fd cs i d ev o l t a g er e s u l t e df r o mr e g e n e r a t i n ge l e c t r i c i t y , t h ee q u i p m e n th a s s p e c i a le n e r g y - c o n s u m i n gc i r c u i t ，w h i l et h ec o n t r o ls y s t e mi se q u i p p e dw i t ht h em o n i t o ro f d cs i d ev o l t a g ea n dt h er e g u l a t o rc o n t r o lo fm o t o rs i d e e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ew h o l e e q u i p m e n th a sp e r f e c tf u n c t i o n , s a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o n ，a n do b v i o u se n e r g y - s a v i n ge f f e c t k e yw o r d s ：p u m p i n gu n i t ，s p w m ，d s c ，s t cm i c r o c o n t r o l l e r , s e r i a lc o m m u n i c a t i o n , f r e q u e n c ye n e r g y - s a v i n g 1 1 1 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：垄垒叠日期：如f 。年莎月多日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：盔查至丝 指导教师签名： 日期：2 - 0 o 年易月多日 日期：2 口。年易月7 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 抽油机技术的发展及应用 伴随石油工业的发展和采油技术研究的不断深入，设备制造水平不断提高，抽油机 在最初雏形上得到了长足发展，涌现出大量的新设计新发明。从采油方式上分采油设备 有两种：有杆类和无杆类。有杆类设备可分为抽油杆旋转运动类( 如电动潜油螺杆泵) 和往复运动类( 如现阶段大量使用的游梁式和无游梁式抽油机) ；无杆类设备可分为电 动潜油离心泵、液压驱动类和气举采油设备。 游梁式抽油机是目前应用最为广泛的采油设备，其抽油系统主要包括三部分：一是 地面部分抽油机，它由电动机、减速箱和四连杆机构( 包括曲柄、连杆和游梁) 等 组成；二是井下部分抽油泵( 包括吸入阀、泵筒、柱塞和排出阀等) ，它悬挂在油 管的下方，可分为管式泵和杆式泵；三是地面部分和井下部分的联接部分抽油杆柱， 它由抽油杆和接箍组成【lj 。 游梁式抽油机的最初雏形是常规游梁式抽油机，它以结构简单、耐用、可靠性高、 维修方便等优点，一直占据有杆泵采油设备的主导地位。但在实际应用中，其存在“大 马拉小车”、耗能高的问题。为了追求采油效益的最大化，人们不断研制出新型高效节 能的抽油机设备。研发过程主要围绕两个方面：一是在常规游梁机的基础上进行技术改 造，从平衡方式上入手，根据变矩平衡原理，研发出了多种新型游梁式抽油机；二是从 原理及结构上另辟新径，研发出了非四连杆结构的新型抽油机。 游梁式抽油机使用的是四连杆机构，整机就像一架天平，两端分别是抽油载荷和平 衡配重。如果抽油载荷和平衡配重形成的扭矩变化一致，则用很小的动力便可汲取原油。 但是，随着地下原油的开采，同口油井的抽油载荷是不断变化的，而平衡配重不可能时 刻都保持与抽油载荷变化致，这就是游梁式抽油机能耗高的原因所在，所以平衡效果 的好坏决定着游梁式抽油机能耗的高低。在平衡的改善方面，传统方法主要有三种：一 是游梁平衡；二是曲柄平衡；三是前二者的结合即复合平衡。 不管怎样，游梁式抽油机利用四连杆机构将旋转运动变为直线往复运动的工作方 式，是其整机效率低下的根本原因，为此，自2 0 世纪7 0 年代以来，各种无游梁抽油机 应运而生，如常见的皮带抽油机、链条抽油机等。无游梁抽油机不再使用四连杆机构将 旋转运动变为往复运动，其大部分时间为匀速运动，仅在上、下死点有短时间加减速， 第1 章绪论 这使得惯性载荷大幅度减小，从而较大地改善了抽油机性能，而且无游梁抽油机容易实 现长冲程抽油，有效冲程的增加大大降低了相对冲程损失。但是，无游梁抽油机至今还 存在一些亟待解决的问题，如运动件多、结构复杂、现场维护困难、成本高等，特别是 软连接使得摆动轮直径不能太大，这导致配用的钢丝绳( 链条) 因曲率半径太小而使用 寿命缩短，不如游梁式抽油机简单耐用【2 】。后来，人们又回到四连杆机构，应用变矩平 衡原理提高抽油机的平衡效果，起动扭矩的降低进一步改善了“大马拉小车的现象， 如异型抽油机( 双驴头) 、弯游梁抽油机、调径变矩抽油机( 两级平衡) 、杠铃游梁抽油 机等。 1 2 课题研究的背景和意义 随着油田开发的推移，我国大多数油田都已进入开发的中后期，由于油井渗透力下 降，大部分油田采油含水量极高，以水换油或者以电换油是我国油田的现状。目前，我 国机采设备中有杆式抽油占9 0 以上，且以游梁式抽油机为主。 随着开采过程的不断进行，井况的改变导致游梁式抽油机不平衡，致使抽油机电机 在一个抽油冲次内，除了电动状态还存在一定时间的“倒发电 现象。“倒发电 现象 是指抽油机系统拖动电机进入发电状态，将能量回馈电网，能量的来回交换无形之中加 大了能量的转换损失，降低了整机的效率，影响了电网的品质。如前所述，为了改善游 梁式抽油机存在的一系列问题，百余年来，人们从抽油机结构出发，创新研制出了各种 新型节能抽油机。除此之外，随着机电技术的发展，围绕抽油机电机人们也研制出了各 种节能机型，针对游梁式抽油机主要有两种节能方式：抽油机节能电机和节能配电箱。 抽油机节能电机主要有超高转差率电机、永磁同步电机、双定子电机等。超高转差 率电机适用于载荷变化较大的油井，一般而言，电机的转差率也要适度，最大值不宜超 过6 8 。但是，近年来油田采油逐渐趋于大冲程、低冲次，这种工艺大大降低了振 动载荷和惯性载荷，所以超高转差率电机的应用受到很大的限制。永磁同步电机是油田 使用的新型抽油机电机，其优点是运行中无转差，效率和功率因数都优于异步电动机。 但是，它没有消减振动载荷的能力，还会增大对减速箱齿轮的冲击，此外，固定的转子 极数无法实现变极调速。双定子电机是一种新型异步电动机，它的定子由两部分组成。 起动时两部分定子均投入运行以加大起动力矩，起动完成后切除一部分定子，只留一部 分运行，通过低功率匹配低负荷的方式达到节能的目的，但是其制造难度和成本相对较 古 同0 2 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 油田中常用的节能配电箱实现的功能主要有：定子绕组y 转换调压、电容器无功 补偿、可控硅调压、液态电阻软起动。定子绕组y 转换调压中，电机起动时定子绕组 采用y 接法，正常运行时采用接法实现降压起动，此法虽然操控简单，但降压范围有 限且需人工干预。无功补偿的基本原理是把容性负荷与感性负荷并联在一个系统中，使 无功能量在二者之间相互传递转换，实现方法是在起动电机时投入电容器组，当起动完 毕后适当切除部分电容器。电容器无功补偿起动的优点在于起动时，电机端电压不降低， 在保证起动转矩的情况下可以减小起动电流。可控硅调压一般也称为电机软起动，它是 采用交流调压电路通过控制晶闸管的导通时间来控制起动电压的大小，它可以实现定子 电压随负载变化的连续调节，其节电效果较好，但是电源侧电流波形畸变严重，对电网 造成了谐波污染，同时其电路结构复杂，成本较高，可靠性较低，不适于油田的恶劣工 作环境。液态电阻软起动的本质就是起动过程中在定子中串入可变电阻来实现降压起 动，电阻的可变性是通过改变电解液电阻箱的极板距离来实现的。这种串电阻降压起动 减小了起动力矩，而且起动过程中电阻值要随着电机转速的升高均匀减小，提高起动力 矩的同时避免产生电流的冲击。 以上针对抽油机电机的改进措施在一定程度上均实现了节能的目的，但各自也存在 不足和使用局限性。近年来，稠油、低渗透油田采注的高能耗、低产出问题一直是困扰 老油田发展的瓶颈。随着电力电子学、微电子学和自动控制理论技术的不断发展，交流 电机的调速技术近年来发展迅猛，交流调速技术是一门横跨电力、电子、电机、计算机 和现代控制理论的新兴综合技术。在国外，交流调速技术的应用已十分普遍；在国内， 在国产化方面虽然还存在一定差距，但是近年来发展很快，出现了一个交流调速技术研 究和应用推广的新热潮。 采用交流调速技术可以很好地实现电机的软起动和调速，特别是近年来，随着高频 大功率全控型电力电子器件及功率集成模块的问世，电力电子技术的发展进入了一个崭 新的阶段。基于交流调速技术及大功率电力电子器件实现的电机变频调速控制，很大程 度上实现了节能增效的目的，具有很高的经济实用价值。据此，针对游梁式抽油机存在 的问题，如果能够研发出一套专用变频节能控制装置，该装置不但能够实现电机软启停， 而且能够根据井况方便地实现变频调速( 改变冲次时间) ，从而达到节能增效的目的， 那么，此研究将具有很大的现实意义，这就是本课题的立题依据。 3 第1 章绪论 1 3 交流调速的发展及应用 1 3 1交流调速技术的发展 作为电能和机械能转换的主要设备，电动机在实际应用中主要考虑两个方面的问 题，一是电动机要具有较高的机电能量转换效率；二是根据生产工艺的要求，能够方便 地控制和调节电动机的旋转速度。长久以来，直流调速在变速传动领域一直占据着主导 地位，然而，直流电动机结构上存在的机械式换向器在很大程度上限制了直流调速系统 的研究开发和应用。自2 0 世纪3 0 年代以来，人们一直致力于交流调速技术的研究，然 而一直未取得突破性进展。2 0 世纪6 0 年代以后，由于节电和生产工艺的要求，世界各 国开始重视交流调速技术的研究开发与应用。尤其到了2 0 世纪7 0 年代以后，科学技术 的迅猛发展为交流调速的发展创造了十分有利的技术条件和物质基础。自此，交流调速 理论及应用技术大致沿着下述几个方面发剧8 1 。 l 、电力电子器件的蓬勃发展和快速更新换代促进了交流调速技术的迅速发展和变 流装置的现代化； 2 、脉冲宽度调制( p w m ) 技术的发展和应用大大优化了变频装置的性能，为交流 变频调速技术的发展和普及发挥了极大的作用； 3 、电压空间矢量控制和直接转矩控制技术的诞生和发展为现代交流调速系统的高 性能化奠定了基础； 4 、微机控制技术及大规模集成电路的迅速发展和广泛应用为现代交流调速系统的 成功应用提供了重要的技术支持和保证。 微机控制技术和电力电子技术是现代交流调速的技术基础，电力电子器件的发展和 性能决定着现代交流调速主要装置的构成形式，微处理器的不断进步使得数字控制成为 现代控制器的发展方向【9 1 。微型计算机控制技术及大规模集成电路的应用不但降低了变 频调速装置的成本和体积，而且提高了调速系统的可靠性和设置操作的灵活多样性，以 微处理器为核心的数字控制方式俨然已成为现代交流调速控制系统的主要特征之一。 1 3 2 现代交流调速的应用现状 基于现代交流调速控制理论，应用大功率电力电子器件设计开发的电能变换控制装 置变频器在当今世界有着广泛的应用。目前，市场上变频器种类繁多，其分类方式 也多种多样，根据直流侧电源性质分，有电流型、电压型；根据逆变单元功率器件的开 通方式分，有脉宽调制( p w m ) 型和方波型；根据工作电压高低分，有低压变频器、 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 中高压变频器；根据交直流的转换方式分，有交一交变频器、交一直一交变频器；根据 逆变单元的电路构成结构分，有常用的三相全桥，也有单元串联h 桥；根据输出波形 的电平种类分，有两电平、三电平，还有多电平【l o 】。 现阶段变频器使用的控制技术也存在较大差别，最早使用的控制方法是变压变频 ( v v v f ) 调速控制，也称为u 厂协调控制，后来又出现了矢量控制( v c ) 和直接转 矩控制( d t c ) 。目前来看，绝大多数商业化变频器使用的是p w m 变压变频控制技术， 其理论基础是正弦脉宽调制技术( s p w m ) 和u 厂协调控制，它是基于电机稳态模型 来设计的控制系统。，、伍开环控制系统的低速性能较差、动态性能( 负载抗干扰能力 和加减速性能) 不佳、稳态精度较低，所以，该种控制系统可以应用在动态调速性能要 求不高的场合，如水泵类和风机类负载。结合油田现场的实际情况和需要，抽油机电机 的控制不需要很高的动态调速性能和稳态控制精度，所以，设计中基于变压变频调速控 制技术实现了抽油机电机的变频调速控制。 基于矢量变换方法的矢量控制，以转子磁链定向，通过3 2 变换和旋转坐标变换， 可以实现异步电动机转速和磁链的完全解耦控制，从而达到与直流电机相似的良好控制 效果，但是矢量控制系统的特性受电机参数的影响较大，而且转子磁链观测器的设计较 困难，计算也比较复杂。后来出现的直接转矩控制，以定子磁链定向，避开了旋转坐标 变换，采用转矩和磁链的b a n g b a n g 控制，系统性能不受转子参数随转速变化的影响， 控制结构简单，动态响应速度快，鲁棒性好，近年来得到了广泛的研究和应用【1 0 】。 综观几十年来交流调速的发展过程和应用现状，不难看出现代交流调速今后的发展 方向： 1 、高性能交流调速系统的进一步研发； 2 、新型拓扑结构电能变换器的研究与开发； 3 、脉冲宽度调制( p w m ) 模式的改进与优化； 4 、中高压变频装置的技术研究与开发。 围绕上述四个方面，现代交流调速的研发课题主要包括：控制理论与技术方面的进 一步研究；变频主电路拓扑结构的研发；p w m 控制模式的改进与优化研究；中高压变 频装置的研究应用与开发。随着科学技术的不断进步和革新，交流调速系统必将逐步取 代直流调速系统，在国民经济的发展中发挥更大的作用。 5 第1 章绪论 1 4 本课题主要研究内容 针对油田广泛使用的游梁式抽油机普遍存在的“大马拉小车”、“倒发电 、能耗高 等问题，结合胜利油田河口采油厂的实际生产需要，基于电力电子技术、交流调速技术、 计算机测控技术，研发一套游梁式抽油机专用变频节能控制装置。进口变频器虽然性能 比较好，但是价格比较昂贵，所以在油田抽油机上比较少用。现场调研中发现，胜利油 田河口采油厂已经投入使用了一些国产变频器，如南京欧陆变频器、台州富凌变频器、 曲阜三木变频器等。但是，这些变频器有的是以通用变频器为基础外加继电接触控制线 路组装而成，没有结合油田实际需要，有的则结构冗繁复杂，不易操控。本课题旨在研 发一套适用于油田抽油机的专用变频节能装置，一方面既能解决游梁式抽油机所面临的 一系列问题，节能降耗，另一方面又求装置结构简单，易于操控。 系统以电机与电源系列数字信号控制器d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 为核心，基于正弦脉宽调制 ( s p w m ) 技术，采用全控型电力电子器件i g b t 或功率集成模块i p m 研发一套抽油机 节能装置，实现抽油机电机的软启停及运行中的频率可调和动态调压，以期提高电能的 利用率和整机的效率。从根本上说，本课题研究的目的就是围绕抽油机电机实现节能增 效。所做的具体工作如下： 1 、系统总体方案及主电路设计； 2 、设计与控制电路相配合的主电路继电接触控制线路； 3 、基于s t c l 2 c 5 4 1 0 单片机开发用于控制系统键盘操作及数据显示的控制程序， 并制作键盘显示p c b 板； 4 、主电路逆变单元使用i g b t 或i p m 模块时，分别设计基于d s p i c 3 0 f 4 0 11 控制器 的电源、控制、检测及保护电路，并制作相应的p c b 板； 5 、设计i p m 外围接口电路，并基于p m 7 5 r l a l 2 0 模块制作p c b 板，设计i g b t 驱动电路，并制作相应的p c b 板； 6 、基于d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 数字信号控制器开发用于系统控制的主程序，实现电机软启 停、变频调速控制及故障保护； 7 、焊接电路板，搭建系统实验装置，实验室内进行大量调试试验，对实验波形和 数据进行综合分析，进而优化程序控制策略提高系统控制效果，然后进行油田现场试验， 检测装置的节能性及系统运行的可靠性。 6 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 第2 章系统总体方案及主电路设计 本章将结合游梁式抽油机的工作特点和现场需求，给出系统设计的总体方案，并对 系统各组成部分的设计目的和实现方法给出说明。 2 1 系统设计的理论基础 2 1 1正弦脉宽调制( s p w m ) 技术 采样控制理论指出，当形状不同而冲量相等的窄脉冲加在惯性环节上时，其控制效 果基本相同，此原理称为面积等效原理，它是p w m ( p u l s e 、m d t hm o d u l a t i o n ) 控制技 术的重要理论基础。所谓的p w m 控制是指通过对一系列脉冲宽度的调制，来等效地获 得所需要的波形，如果脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效，那么所得到的p w m 波就为s p w m 波。 基于p w m 控制的基本原理，可采用计算的方法准确得到与所需波形等效的p w m 波，但是计算过程十分繁琐复杂。计算法之外常用的是调制法，即把所需波形作为调制 波，而把接收调制信号的波称为载波，通过波形调制得到所需的p w m 波。实际应用中， 常把三角波作为载波，通过调制波与三角载波相比较来得到控制所需的p w m 波，此法 被称为载频三角波比较法。采用载频三角波比较法得到的s p w m 波可有多种形式，常 见的有两点式s p w m 波和三点式s p w m 波。 k| f 蠢徜 a 一 点 、一vvvv、u 臼u l l “ _ l二。 _ =i 釜二 一 一 j- 一 、 譬 j ， 面 ， 一， _ 图2 - 1 两点式s p w m 波形 f i 9 2 - 1 t w o - l e v e ls p w mw a v e f o r m “o d 一 蜉 螽 io p o f 一 f 一一一一一j | 函 图2 - 2 三点式s p w m 波形 f i 9 2 - 2t h e r e - l e v e ls p w m w a v e f o r m 两点式s p w m 波的产生方法如图2 - 1 所示。图中，正弦波坼为调制信号，甜，的半 个周期内，载波“。为正负交变的三角波，通过波形比较可得到正负交变的s p w m 波。 7 第2 章系统总体方案及主电路设计 由于在u ，的一个周期中，调制所得的p w m 波只含有玑两种电平，所以称其为两点式 s p w m 。三点式s p w m 波的产生方法如图2 2 所示，与两点式s p w m 波的产生方法不 同，图2 2 中三角载波在调制波的正负半周极性相反，通过波形比较，正半周只产生正 极性的p w m 波，负半周只产生负极性的p w m 波，整个正弦波周期内，输出的p w m 波除了玑两种电平外，还包含零电平，所以称其为三点式s p w m 。正弦调制波幅值与 载频三角波幅值的比通常被定义为调制系数m = 吒，m 的取值范围通常在吐1 之 间。与两点式相比，采用三点式控制的逆变器，输出波形的形状更接近于正弦波，所以 在相同的开关频率下，其谐波含量相对要少，更适用于中高压大容量的逆变装置。不过， 采用两点式控制时的主电路结构要简单的多，而且控制信号的产生也相对容易。由于本 课题所设计装置专门面向抽油机电机，容量不大，所以控制系统采用了两点式方法产生 s p w m 波。在电压型逆变电路中，由于逆变单元功率开关器件的关断需要一定时间， 同一相上下桥臂如果采用互补的p w m 信号控制，有可能产生上下桥臂直通导致直流侧 短路的现象，为此上下桥臂的p w m 控制信号中要施加一定的死区时间。死区时间的长 短主要取决于功率开关器件的关断时间，由于死区时间的存在，输出的s p w m 波将会 稍稍偏离正弦波 1 l 】。 2 1 2 s p w m 的实现方法【1 2 】 采用p w m 控制的电压型逆变电路中，p w m 控制信号的好坏不但决定着逆变电路 输出电压波形中基波和谐波含量的大小，而且直接影响着负载的工作性能。围绕着p w m 信号的产生，设计中需要考虑两个方面的协调控制问题，一是为了实现恒转矩输出控制， p w m 波所含基波成分的幅值与频率需要协调控制( 即所谓的u 厂协调控制) ；二是在 载频三角波比较法中，载波频率z 与调制波频率z 之间也要协调控制，以便得到较好的 波形输出，通常将丘与z 之比称为载波比n = 丘z 。采用p w m 控制时，通过改变p w m 信号产生时的调制规律，可以很方便地实现u 厂协调控制1 3 】，改变调制波的频率即可 实现变频，通过调整调制系数改变输出p w m 波占空比即可实现调压。 在s p w m 信号的产生过程中，根据调制波信号和载波信号之间频率的变化关系， p w m 的调制方式可分为同步调制和异步调制。同步调制是指载波频率跟随调制波频率 成比例的变化，在任何调制波频率下，每半个周期内的输出脉冲个数和相位均保持不变， 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 即同步调制的载波比n 为常数。同步调制的优点是：载频较低时可以保证输出波形的 对称性，在三相系统中，当载波比n 取为3 的奇整数倍时，既能保证三相之间互差1 2 0 。， 又能消除波形中的偶次谐波。但当调制波频率很低时，相邻脉冲之间的间距增大，会导 致谐波成分的显著增加，所以同步调制中低频输出特性差，且低频时产生的谐波不易滤 除，这将给电动机运行带来较大的噪声和转矩脉动。当调制波频率很高时，载波的频率 也会很高，过高的载波频率将使开关器件难以承受。 与同步调制不同，异步调制是指任何时候都保持载波频率固定不变，在不同调制波 频率下，半周期内输出的脉冲个数和相位均不同。异步调制中，输出波形失去了对称性， 但当调制波频率较低时，载波比较大，使得一个周期内的脉冲个数较多，波形不对称性 产生的影响变小，相比同步调制，系统的低频工作特性得到改善。但是，当调制波频率 较高时，每半个周期内所含的脉冲个数减少，不对称性导致输出波形变坏。所以，在异 步调制中，要尽量提高载波频率，以改善系统高频输出特性。 同步调制和异步调制各有利弊，实际应用中，常将二者结合起来，称为分段同步调 制。它把调制波频率范围分成若干频段，在每个频段内均保持载波比的恒定，不同频段 的载波比各不相同。调制波频率较高的频段，载波比较低，以保证载波频率在功率器件 允许的开关频率范围内。调制波频率较低的频段，载波比较大，以减少输出波形中的谐 波含量，各个频段的载波比宜取3 的奇整数倍。 s p w m 控制信号的产生方法有很多，常见的主要有三种：模拟数字混合电路、专 用集成电路芯片、微型计算机( 包括单片机、数字信号处理器等) 。模拟数字混合电路 方法是根据s p w m 信号的实现原理，搭建硬件电路产生所需要的s p w m 波形。该方法 原理简单，但灵活性差、电路比较复杂且可靠性较低，并且不适于多路输出控制。 随着微电子控制技术的发展，人们逐步开发出一些专用于产生s p w m 信号的集成 电路芯片，例如：h e f 4 7 5 2 、h l e 4 5 2 0 、s a 8 2 8 等。它们不但具有很好的性价比，而且 构成的系统结构简单、可靠，使用方便。但其同样缺乏灵活性，对脉冲宽度调制实施多 方面控制时，实现比较困难。 随着微处理器性能的不断提高和成本的迅速降低，以及各应用领域对逆变器性能要 求的不断提高，微处理器在逆变电路的控制中得到了越来越广泛的应用，不同厂商也开 发出了很多高档单片机或数字信号处理器，在软件支持下通过编程产生p w m 控制信 号。一般而言，微处理器将p w m 信号发生器集成在片内，从而很好地解决了波形精度 9 第2 章系统总体方案及主电路设计 低、稳定性差、电路复杂、不易控制的问题。与此同时，借助微处理器强大的数据计算 和逻辑处理能力，可以实现很多先进的p w m 控制策略，利用微处理器产生p w m 控制 信号的常用方法主要有实时计算法和表格法两种。 实时计算法是根据数学模型计算逆变电路中功率开关器件的开关时刻，它分为自然 采样法和规则采样法两种。虽然实时计算法控制较精确，但其计算量较大，对微处理器 的处理速度要求较高，所以在控制精度要求不高的场合往往采用表格法。表格法是将正 弦调制波一个周期中的数据预先制成正弦表，存入计算机内存，编程时根据需要调用数 据，从而得到s p w m 波形。在表格法中，基波电压的幅值控制通过改变调制系数实现， 频率控制由改变从原始正弦表中抽出的正弦子表的数据个数来实现。 通过上面的叙述比较，结合抽油机电机的实际控制需要，系统设计中基于微处理器 采用表格法来产生s p w m 控制信号。为了能够有所比较，程序的编写上分别基于分段 同步调制和异步调制实现了s p w m 控制信号的产生，通过控制电机运行情况的好坏来 比较两种方法产生控制信号的优劣。 2 2 系统总体方案设计 整个系统采用功能单元模块化设计，各部分之间相互配合实现系统的整体功能，系 统组成结构框图如图2 3 所示。整个系统由主电路和控制电路两部分组成，主电路采用 交一直一交电压型逆变电路，实现电能从电网到电机的传递；控制电路与主电路配合，实 现系统的控制、调参、显示、检测、故障保护等功能。整个控制电路主要包括以下几个 部分：控制电路电源部分、d s c 控制单元、s t c 控制的键盘操作和数据显示单元、功 率模块驱动单元、检测单元等。主电路部分将在2 3 节具体阐述，本节主要结合抽油机 控制的实际需要讲述控制电路部分的基本功能、设计思路和实现方法。 控制电路不同于主电路，其工作需要低压电源，而且需要多路不同的电源，考虑到 使用具有多路副边输出的工频变压器经过降压、整流、滤波得到控制所需的各路电源， 会造成控制电源体积庞大笨重、结构松散的问题，系统中采用单端反激式电路专门设计 了开关电源。开关电源的使用使整个控制电路体积更小、结构更紧凑，而且便于以后实 施抽油机油井集群控制( 集群控制时各抽油井变频节能装置共直流母线，单井没有三相 交流电源的引入，所以只能使用开关电源得到控制电源) 。 整个控制电路的核心是微处理器控制系统，设计中共使用了两个微处理器，一个是 d s c 控制器( d i g i t a ls i g n a lc o n t r o l l e r ，简称d s c ) ，一个是s t c 单片机，二者通过串 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 行通讯协调工作。与s t c 单片机相比，d s c 控制器又处于整个控制系统的主导地位， 它能连续不断地输出s p w m 信号控制电机的运行，并能实时接收各类检测信号及s t c 单片机送来的参数，对整个系统的工作状态进行综合判断，然后实施相应的控制策略， 保证系统安全可靠地运行。s t c 单片机主要用于控制人机交互界面，即检测键盘操作， 进行相应参数的更改、保存、显示和传送给d s c ，同时在正常运行情况下，它负责接 收d s c 传送的当前运行频率值然后进行显示，发生故障时能够接收d s c 传送的故障类 型代码并将其显示以供现场操作人员查找故障原因。由于d s c 和s t c 单片机通过串口 进行通讯，且d s c 处于主导地位，所以在本控制系统中可以称d s c 为上位机，s t c 单 片机为下位机。使用d s c 、s t c 两个微处理器，d s c 负责s p w m 波形的产生和各类控 制信号的检测，s t c 用于控制键盘操作和数据显示，这种功能上的独立分配控制有助于 提高整个控制系统的高效性、稳定性、可靠性。 图2 - 3 系统组成结构框图 f i 9 2 - 3 b l o c kd i a g r a mo fs y s t e mc o m p o s i t i o n 系统主电路逆变单元分别采用i g b t 模块和i p m 模块进行设计，由于从d s c 控制 器出来的s p w m 控制信号比较微弱，不能直接用于驱动功率模块，所以控制电路中要 包含专门的功率模块驱动电路。相比而言，口m 的驱动电路要简单，系统设计中分别针 对i g b t 模块和i p m 模块设计了驱动电路。 检测单元主要包括主电路逆变单元电流的检测、主电路直流侧电压的检测和上下冲 程位置的检测。电流检测主要用于过流保护，当主电路逆变单元发生过流故障时，检 测电路能够及时将此故障信号送给d s c 控制器，d s c 能够快速停机以保护功率模块免 受损坏。直流侧电压检测主要用于过压保护、耗能处理控制信号的产生及电机侧动态调 压。由于抽油机调节不平衡，运行过程中抽油机电机可能发生“倒发电 现象，导致直 第2 章系统总体方案及主电路设计 流侧电压累积升高，当达到