經濟型抽油機低壓變頻器的研制

邊向南 欒義國（.大慶油田裝備制造集團；.大慶油田天然氣分公司）

1 現狀

目前大慶油田抽油機采用變頻技術，可以消除定頻供電所存在的弊端，使抽油機具備方便的調參功能、軟啟動和軟停機功能，還可為拖動電動機提供過壓、過流、欠壓、過載、短路等全面的保護功能，進一步提高采油效率，實現油井的合理化開采。但油田現場使用的抽油機變頻控制產品多為通用型變頻器，雖然解決了工頻控制的弊端，但仍然存在一些問題：

1）價格較貴、廠家及規格型號多種多樣，維修專業性強，現場人員達不到快速維修及故障判斷能力，影響油井正常生產運行。

2）采用變頻器加回饋單元，實現了變頻器與電網之間能量的反向流動，但卻沒有解決能量由電網流向變頻器時功率因數低，諧波電流大的問題。

因此，有必要自主開發一種經濟型抽油機低壓專用變頻器，解決上述問題，進一步滿足油田節能降耗的需求。

2 方案設計

2.1 總體功能

采用模塊化設計，運用四象限的驅動技術，開發抽油機專用變頻器。開發硬件系統中整流、逆變、濾波等單元模塊的卡板式分體設計，能夠實現板卡故障代碼的直接顯示，板卡易識別和更換，降低維修難度。開發系統軟件的算法及源代碼，實現異步/同步電動機的變頻驅動，滿足抽油機變工況的使用要求。

2.2 總體方案

以5.5 kW抽油機變頻器為研究對象，確保核心功能的前提下，確定最經濟的設計方案。變頻運行時，不但保證變頻器可靠運行，而且保證在誤操作的情況下變頻器及電動機等設備的安全。定頻運行下，保證電動機可靠運行和有效保護。電路設計在保證設備可靠運行的前提下，盡量減少元器件的數量，減少故障點，提高經濟性。

主電路分為工頻主電路和變頻主電路。各主電路之間通過三個交流接觸器實現電路之間的隔離和切換，保證了各主電路可靠運行的同時保護變頻器，避免工頻電路工作時對變頻器的影響。控制電路分為工頻控制電路和變頻控制電路。工頻控制電路實現了電動機的工頻運行，采用熱繼電器對電動機進行過載、斷路等保護；變頻控制電路主要通過中間繼電器對交流接觸器進行順序接通和關斷，保證了變頻器運行及非正常操作下的可靠性。如圖1、圖2所示。

圖1 主電路

該方案具有如下優點：

1）四象限變頻驅動技術將再生能量自動回饋電網，達到更好的節能效果，并減少諧波污染。

2）裝置采用模塊化設計，核心板卡式安裝方式讓維護工作簡單方便；裝置預留豐富接口，可嫁接其它新產品、新技術，滿足用戶不同需求。

3）驅動硬件核心板卡設計采用模塊化的設計理念，把整流、逆變、濾波和檢測等電路設計成獨立板卡形式，統一二/四象限硬件電路設計，以及硬件PCB 制作和裝配工藝，根據用戶的不同需求，能夠實現二/四象限驅動系統的組裝轉換。

4） 智能驅動軟件設計采用DSP 技術，對SVPWM、外設接口、串行通信、A/D轉換中斷和保護等功能模塊進行軟件設計，實現無PGS矢量和V/F控制方式自選，能夠控制異步/同步電動機，滿足抽油機采油設備現場的變工況需求。

圖2 控制電路

3 DSP控制系統設計

控制系統采用空間矢量調制控制技術，通過DSP軟件設計方法產生任意大小和位置的平均電壓空間矢量，空間矢量調制技術可以使得電磁轉矩和定子磁鏈的控制更加接近圓形，速度更加平滑，轉矩脈動更小[1-2]。

3.1 功能與總體規劃

控制系統主要就是對控制電路的芯片進行編程，采用模塊化設計，大致可以分為五個模塊，分別是系統配置初始化模塊、ADC 采樣模塊、PWM生成模塊、SCI 通信模塊以及系統中斷處理模塊，圖3為主程序流程。

在主循環運行中，定時器中斷和SCI 中斷可以實時得到響應，轉而去執行相應的中斷服務程序[3]，接口指令通過輪循方式得到響應。由于CPU沒有足夠的能力處理所有的外設中斷請求，為了使各中斷響應函數能以一定的優先級正確的執行指令，因此需要一個專門的外設中斷擴展控制器來控制這些外設或外部引腳來的中斷源。PIE 向量表就是一個控制器，它用于存放中斷服務程序的地址，中斷源都有自己的中斷向量[4]。DSP 進行初始化時，根據系統需要設置了中斷向量表，配置了每個中斷的任務以及各個中斷處理函數的優先級，如表1所示。在程序運行中，PIE向量表就會被更新。

圖3 主程序流程

表1 系統中斷任務

PDPINTB 中斷優先級為最高，一旦IGBT 出現短路，PDPINTB 引腳變為低電平，PWM 輸出引腳立刻變為高阻狀態，產生短路中斷[5]。定時器1 為4～20 mA 提供PWM 信號，定時器2 為光電編碼器計數并確定電動機轉速。定時器1 和2 中斷函數處理時間遠遠小于定時器3，而且實時性要求較高，因此優先級高于定時器3 中斷。定時器4 中斷用于系統計時，發送狀態參數，錯誤判斷，電壓電流采樣等，程序流程如圖4所示。

圖4 定時器4中斷處理流程

開關角度計算要求控制的實時性很高，將定時器中斷中和SCI中斷中執行的關鍵程序拷貝到RAM中，DSP執行指令速度的就會更快[3]。

3.2 電動機控制程序設計

通過電動機控制部分，實現了開環V/F 控制變頻調速系統，電動機控制部分軟件流程圖如圖5所示。利用定時器3中斷的方式實現周期控制，進入中斷服務程序后，首先觸發AD 轉換，以節省等待時間。為降低FLASH 功耗防止DSP 芯片過熱，將FLASH設置為休眠狀態。讀取頻率設定值并根據方向設定決定當前運行頻率是增加還是減少并計算當前運行頻率。根據當前運行頻率，直流母線電壓值和電壓矢量幅值與角度計算開關角度并將計算值送至比較定時器，最后激活FLASH并清除中斷標志。

3.3 ADC采樣模塊的設計

由于DSP自帶的ADC采樣模塊的精度不高，因此采用外擴高精度ADC采樣芯片來完成對電參數的采樣工作。同時，借助F2812 的外部接口模塊（XINTF）實現主控芯片對采樣數據的分析處理。

XINTF模塊的軟件設計包括總線寫操作、讀操作兩部分。

圖5 電動機控制部分軟件流程

1）寫操作。當CPU 將數據放在數據總線上，且準備好時，XINTF模塊將特定區域的片選信號線置低、寫使能信號線置低，外設可以根據片選信號線和寫使能信號線來判斷是否可以讀取數據[6]。

2）讀操作。采樣流程如圖6 所示。為進一步減小誤差，采用多次采樣取平均值算法，把每一通道的連續采樣次數設置為1 000 次，然后取平均值作為每一通道采樣的最終結果[6]。

3.4 通訊部分的設計

通訊部分通過控制板DSP 的SCI 和面板單片機的SCI 外設完成設定參數、監視參數、報警信息的傳輸。如圖7 所示，控制板作為主機，當SCI 中斷發生后，進入中斷處理函數，讀取參數編號及參數值，并對參數校驗，參數處理完畢后發出握手信號以通知面板可以發送下一幀數據。

3.5 接口控制部分的設計

控制板接口控制部分的軟件完成的功能有：停、啟動命令輸入，上下沖程觸發輸入，壓力傳感器電壓采樣，2 路開關量輸入的采樣，2 路繼電器輸出的控制，1 路三極管輸出的控制，4～20 mA 輸入的ADC采樣。由于這些部分的控制實時性要求較低，因此在主控板單片機中采用在主程序中輪流查詢的方式完成。在主程序主循環中順序地根據這些功能的實施條件進行判斷，當條件滿足時，則對其中的一些功能進行采樣和控制。

圖6 ADC采樣流程

圖7 SCI接受中斷函數流程

4 應用情況

經濟型抽油機低壓變頻器在大慶油田的北2-350-32井和北2-341-32井進行試運行，變頻器在使用過程中穩定、可靠，對抽油機沖速、曲柄轉動方向的調節操作簡易，各項技術指標均達到設計要求，其實物見圖8 所示。與工頻控制柜相比，該變頻器的綜合節電率達到15%左右，具有較好的節能效果。

圖8 變頻器實物

研發的經濟型抽油機低壓變頻器每套成本約4 000 元，類似功能的5.5 kW 變頻器市場采購價約7 500元，每套可節約成本3 500元左右。按年需求量1 000 套測算，每年可降低采購成本350 萬元左右。

5 結論

研制的經濟型抽油機低壓變頻器，一方面可以有效地解決目前抽油機運轉過程中出現的載荷過低問題，提高整個系統的運行效率，節能降耗；另一方面變頻器可方便的調參，替代了傳統更換皮帶輪調參方式，減小作業強度。相對于外購的變頻器，自行研發的變頻器成本低、價格便宜，且能及時提供所需配件及售后服務。四象限智能驅動方式將再生能量自動回饋電網，達到更好的節能效果，并減少諧波污染；具備工頻/變頻回路及多種保護功能，運行可靠性更高。為油田用戶提供成套的變頻抽油機采油設備時，自主研發的經濟型抽油機低壓變頻器可直接替代外部采購變頻器。該設備適用于工作電壓為380 V，工作頻率為50 Hz的新投產井和待改造老井，具有良好的推廣應用前景。