智能抽油機(jī)節(jié)能器的設(shè)計(jì)

在我國油井抽油機(jī)的使用面廣、數(shù)量大，但抽油機(jī)的平均負(fù)荷率低，抽油機(jī)長期運(yùn)行于低功率因數(shù)的情況下，其無功損耗很大，因此必須采取補(bǔ)償措施提高功率因素和降耗節(jié)能。通過測試，抽油機(jī)存在以下的工作狀態(tài)：首先抽油機(jī)在一個(gè)行程其負(fù)荷是大幅度地變化的，而且這種變化是相當(dāng)頻繁的，同時(shí)又沒有規(guī)律；其次，抽油機(jī)電機(jī)不僅工作于電動狀態(tài)，還會工作于發(fā)電狀態(tài)，出現(xiàn)功率倒送的問題；另外，一臺變壓器可能帶有多口抽油機(jī)，這樣抽油機(jī)就可能遠(yuǎn)離變壓器，這時(shí)就出現(xiàn)了較大的線路損耗。針對上述問題，如果用通常的方法進(jìn)行功率因數(shù)的校正，無法實(shí)現(xiàn)這種瞬時(shí)變化功率因數(shù)的校正，必須采取一定的算法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動態(tài)的無功補(bǔ)償。

1 瞬時(shí)動態(tài)補(bǔ)償模型

抽油機(jī)作為電網(wǎng)的一個(gè)負(fù)載，它的阻抗是瞬變的，與其轉(zhuǎn)差率密切相關(guān)，但在進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償時(shí)很難準(zhǔn)確地測出轉(zhuǎn)差率。但在任一時(shí)刻電機(jī)的輸入電壓和電流是確定的，這樣可以將電機(jī)的等值阻抗作為測量等效值，其模型如圖1(a)所示。電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)可分類如下：

(1)異步電機(jī)處于電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，電壓(Um)和電流(Im)均為正弦，且電流滯后于電壓。

(2)異步電機(jī)是處于發(fā)電動機(jī)狀態(tài)，則由于發(fā)出電壓的相位不能保證與電網(wǎng)電壓相位一致，因此電機(jī)的電流會產(chǎn)生畸變，又由于線路電阻的存在，加在電機(jī)上的電壓也表現(xiàn)出非正弦性。

以上2種情況均可以等效為1個(gè)電感和1個(gè)電阻的串聯(lián)，圖1(a)中Xm和rm分別為感抗和電阻，只是Xm和rm均不是常量而是隨電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)變化而變化的量。同時(shí)考慮到線路中存在電阻(設(shè)電阻為r1)，這樣要想提高功率因數(shù)，就可以采用并聯(lián)電容器的方法進(jìn)行，圖1(a)中Xc就是并聯(lián)電容的容抗。通過計(jì)算電壓電流的基波及諧波的幅值和相位得到的xm和rm，r1是一個(gè)定值，由電線的規(guī)格及長度決定。通過電容補(bǔ)償?shù)哪康木褪菧p少或消除無功損耗，補(bǔ)償后的理想模型如圖1(b)所示。此時(shí)設(shè)電動機(jī)的等效感抗為Xe=jωl，則對于n次諧波補(bǔ)償電容C有：

可見補(bǔ)償電容值不僅與電機(jī)的等效電阻、電感有關(guān)，還與諧波之間有關(guān)系，諧波次數(shù)越高需要的補(bǔ)償電容越小。但必須注意，在諧波較大時(shí)，不能一味追求功率因數(shù)，而應(yīng)從綜合效率上考慮。

2 控制裝置設(shè)計(jì)

系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，裝置采用PIC16C74作為主控器，負(fù)責(zé)三相電壓電流的數(shù)據(jù)采集與處理以及同步信號、相序信號、缺相信號的檢測、E2PROM(93C46)讀寫操作、控制補(bǔ)償電容器的投切以及遠(yuǎn)程通信。硬件主要分為以下的功能塊：看門狗電路、信號調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、電容器投切控制電路、鎖相環(huán)電路、遠(yuǎn)程通信接口電路等。

PIC16C74單片機(jī)采用獨(dú)立分離的數(shù)據(jù)總線和14 b指令總線的“哈佛”結(jié)構(gòu)，采用33條精簡指令集，指令執(zhí)行速度快，效率高，內(nèi)含4 kB程序存儲器和192 B數(shù)據(jù)存儲器，3個(gè)硬件定時(shí)器，便于定時(shí)和同步，具有8路8 b A／D轉(zhuǎn)換，但因?qū)?yīng)的端口需用于輸入輸出，所以系統(tǒng)中沒有使用內(nèi)置的A／D。

2.1 濾波及信號調(diào)理電路

濾波器選用MAX274，在該系統(tǒng)中MAX274用作4階低通濾波器。濾波器輸出信號的范圍為-5～+5 V，而A／D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入信號的范圍是0～+5 V，因此需要進(jìn)行信號的調(diào)理。

2.2 A／D轉(zhuǎn)換電路

A／D轉(zhuǎn)換器選用ADS7864，它具有6通道全差分輸入的雙12位的的A／D，良好共模抑制比，能以500 kHz的采樣率同時(shí)進(jìn)行6通道信號采樣。系統(tǒng)中使用ADS7864的6路A／D進(jìn)行三相電壓和三相電流的測量，因其內(nèi)部特有的并行接口與6個(gè)FIFO寄存器連接，所以便于快速、同步地采集數(shù)據(jù)。

2.3 SPI接口

93C46為一個(gè)存儲容量為1 024 b的E2PROM，其接口為SPI。PIC16C74提供了SPI接口，因此硬件連接非常方便。系統(tǒng)中使用8位結(jié)構(gòu)，所以其第6引腳接地，在這種結(jié)構(gòu)下，93C46有7條10位的指令，但根據(jù)需要只使用其中的EWEN，READ，WRITE指令。

2.4 補(bǔ)償電容器

系統(tǒng)中采用電容器組合來逼近所需補(bǔ)償?shù)碾娙葜?，電容器的級別為：0.5 kV，1 kV，2 kV，4 kV，7 kV，它們可以組合成0.5～14.5 kV間隔0.5 kV共29個(gè)等級。另外在實(shí)際應(yīng)用考慮到電容與頻率有關(guān)，這些參數(shù)還要進(jìn)行修正。

2.5 遠(yuǎn)程接口電路

為了實(shí)現(xiàn)油井的網(wǎng)絡(luò)化控制和調(diào)度，本裝置設(shè)計(jì)GSM／GPRS遠(yuǎn)程通信模塊。裝置中通過串口將GSM／GPRS模塊與單片機(jī)相連。每過一定的時(shí)間(可以設(shè)定)向控制中心發(fā)送數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括三相電壓電流的信號、功率因素等。

2.6 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，主要模塊包括：視始化、電壓電流采樣、FFT變換、93C46的SPI接口以及勢據(jù)的讀寫、電容器的投切控制以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。

3 實(shí)測數(shù)據(jù)及其計(jì)算

以1臺額定功率37 kW電機(jī)作為實(shí)例，實(shí)際測量值為：電機(jī)相電壓221.82 V，電流32.29 A，負(fù)荷13.593 kW時(shí)，功率因數(shù)為0.638，補(bǔ)償后電機(jī)端電壓為230.2 V，線路等效電阻為1.223 Ω。

通過計(jì)算，電機(jī)的等效阻抗和感抗分別為4.265 Ω，5.248 Ω。未補(bǔ)償時(shí)為有功功率17 418 W，補(bǔ)償后無功功璋16 415 W，補(bǔ)償后有功功率16 192 W，補(bǔ)償后功璋因數(shù)0.9。

4 結(jié) 語

抽油機(jī)的工作狀態(tài)復(fù)雜，使用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)功率因素的方法已不能全面描述有功和無功的概念。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮基波還要考慮諧波，抽油機(jī)的電機(jī)不僅有電動狀態(tài)，還有發(fā)電狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)使用單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)信號采樣與處理，并進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。通過多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，該節(jié)能器不僅可以節(jié)約無功損耗、減少線路有功損耗還可以將電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)發(fā)出的電能，通過電容器存儲，以達(dá)到省電的目的。該節(jié)能裝置已經(jīng)成功應(yīng)用于江蘇油田，運(yùn)行三年來性能穩(wěn)定、節(jié)能效果良好。