基于DSP的抽油機(jī)變頻控制系統(tǒng)

邊向南 張慶軍（大慶油田裝備制造集團(tuán)研究院）

基于DSP的抽油機(jī)變頻控制系統(tǒng)

邊向南 張慶軍（大慶油田裝備制造集團(tuán)研究院）

針對(duì)目前油田普遍使用的游梁式抽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中功率因數(shù)和效率較低的問(wèn)題，基于帶補(bǔ)償?shù)暮戕D(zhuǎn)矩控制技術(shù)，研究開(kāi)發(fā)了一種基于TMS320F2812高性能DSP的抽油機(jī)專(zhuān)用變頻控制裝置。采用恒壓頻比控制策略，利用空間矢量PWM算法對(duì)電動(dòng)機(jī)輸入電壓和頻率進(jìn)行最優(yōu)控制，提高了電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，運(yùn)行效率達(dá)到最佳。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，30 kW抽油機(jī)變頻器在提高功率因數(shù)和效率方面效果顯著，達(dá)到了節(jié)能的目的。

抽油機(jī) DSP 變頻 空間矢量

D O I:10.3969/j.i ssn.2095-1493.2011.05.009

常規(guī)游梁式抽油機(jī)都是帶載啟動(dòng)，需要較大的啟動(dòng)力矩，為使抽油機(jī)順利啟動(dòng)，一般按最大轉(zhuǎn)矩選配電動(dòng)機(jī)，而正常運(yùn)行時(shí)只需啟動(dòng)力矩的三分之一，再加上所配交流電動(dòng)機(jī)的功率在運(yùn)行過(guò)程中不可調(diào)，便形成了“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象。采用變頻調(diào)速不僅能夠解決此問(wèn)題，而且可以達(dá)到節(jié)能的效果。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 主電路設(shè)計(jì)

主電路由整流電路、軟啟動(dòng)電路、濾波電路、能耗制動(dòng)電路和逆變電路構(gòu)成[1]，如圖1所示?；谟吞?80 V交流電網(wǎng)，考慮系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行以及系統(tǒng)的成本，采用二極管三相橋整流，整流電路當(dāng)輸入為三相380 V線(xiàn)電壓時(shí)，L1、L2、L3分別接三相電源線(xiàn)，與通用變頻器功率電路相同。軟啟動(dòng)電路為保護(hù)濾波電容設(shè)置。當(dāng)變頻器剛接通三相電源線(xiàn)時(shí)，由于濾波電容電壓為零，充電電流很大，很容易損壞濾波電容。在充電回路增加限流電阻，減小充電電流。當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，吸合與限流電阻并聯(lián)的繼電器，使整流電路正常工作。電容濾波電路增加了放電電阻，當(dāng)變頻器停止工作時(shí)，直流母線(xiàn)電壓通過(guò)放電電阻放電，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)降到安全電壓以下，保證了操作安全。逆變電路為三相橋式逆變電路。整流電路采用了EUPEC公司的DDB6U205N16模塊，逆變電路采用6組FF200R12KS4模塊。

1.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路采用Agilent的門(mén)極驅(qū)動(dòng)光耦HCPL-316J和HCPL-3120相結(jié)合的方法。逆變電路的上橋臂采用HCPL-3120驅(qū)動(dòng)，下橋臂采用HCPL-316J驅(qū)動(dòng)。HCPL-316J和HCPL-3120的傳輸延時(shí)小于500 ns；能提供2 A的驅(qū)動(dòng)電流，最大可驅(qū)動(dòng)Ic=150 A的IGBT；具有內(nèi)部欠壓保護(hù)功能；下橋臂通過(guò)HCPL-316J配合外圍電路C6、R5和D1構(gòu)成測(cè)量IGBT的Vce短路保護(hù)電路。

1.3 控制電路與接口電路設(shè)計(jì)

控制電路主要完成電動(dòng)機(jī)控制、接口控制和面板通訊三部分功能。圖2為控制電路框圖，考慮到將來(lái)油田現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)功能升級(jí)的需要，控制器采用TMS320F2812；電平轉(zhuǎn)換芯片采用了SN74ALVC164245和SN74LVC8T245；電動(dòng)機(jī)控制部分由與控制器相配合的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、采樣調(diào)理電路和速度反饋電路構(gòu)成；控制輸入部分由停啟動(dòng)輸入、上下沖程觸發(fā)輸入和液面高度輸入構(gòu)成；面板通訊是控制器通過(guò)SCI與面板電路通訊。在油田現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用中，變頻器一般與PLC、監(jiān)測(cè)設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和控制器等構(gòu)成傳動(dòng)控制系統(tǒng)，因此變頻器的接口設(shè)計(jì)在變頻器的應(yīng)用中起到很重要的作用。但到目前為止，在變頻器的接口設(shè)計(jì)方面業(yè)界并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，參考了通用型變頻器Siemens的MicroMaster440系列設(shè)計(jì)，預(yù)留了功能相對(duì)齊全的接口設(shè)計(jì)電路。主要包括：4～20 mA模擬量輸入輸出電路、數(shù)字量輸入電路、數(shù)字量輸出電路和RS485通訊接口電路。

1.4 面板電路設(shè)計(jì)

面板電路主要完成人機(jī)交互功能，包括參數(shù)設(shè)定、參數(shù)監(jiān)控、錯(cuò)誤報(bào)警和報(bào)警處理及與控制器通訊等功能。硬件電路由LED、LED數(shù)碼管顯示電路、鍵盤(pán)輸入電路和面板電位器組成。面板電路框圖如圖3所示，控制芯片采用ATmega16單片機(jī)，通過(guò)SCI與控制器通信，通過(guò)SPI控制LED數(shù)碼管顯示，通過(guò)I/O端口對(duì)鍵盤(pán)采樣，對(duì)LED顯示控制，通過(guò)片上ADC對(duì)面板電位器信號(hào)采樣。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制板軟件設(shè)計(jì)

控制板軟件設(shè)計(jì)主要就是對(duì)控制電路的TMS320F2812進(jìn)行編程[2-3]，軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，主要完成電動(dòng)機(jī)控制、面板通訊和接口控制三部分功能。電動(dòng)機(jī)控制和面板通訊部分對(duì)于控制的實(shí)時(shí)性要求高，因此采用定時(shí)器中斷服務(wù)程序的方式完成；接口控制部分對(duì)實(shí)時(shí)性要求低，并且考慮到要減小這兩部分對(duì)電動(dòng)機(jī)控制部分的影響，因此采用在主程序中輪循的方式完成。圖4是主程序流程圖。

因?yàn)殚_(kāi)關(guān)角度計(jì)算對(duì)控制的實(shí)時(shí)性要求很高，要求DSP有很快的相應(yīng)時(shí)間，而程序在Flash中存儲(chǔ)，讀寫(xiě)等待時(shí)間為5個(gè)時(shí)鐘周期，降低了DSP的運(yùn)算速度，因此將定時(shí)器中斷和SCI中斷中執(zhí)行的關(guān)鍵程序拷貝到RAM中，這樣，DSP就會(huì)以更快的速度執(zhí)行指令。為了達(dá)到對(duì)電流電壓的準(zhǔn)確采樣，在程序里增加了對(duì)AD的校正。通過(guò)對(duì)已知參考電壓1.5 V和2.5 V多次采樣求平均值，然后根據(jù)采樣結(jié)果反推增益系數(shù)和零點(diǎn)偏置。在主循環(huán)中，定時(shí)器中斷和SCI中斷可以在任意時(shí)刻得到響應(yīng)，接口指令通過(guò)輪詢(xún)方式得到響應(yīng)。

2.2 面板軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)面板控制器對(duì)LED數(shù)碼管和LED指示燈的控制、對(duì)鍵盤(pán)和面板電位器的采樣實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。人機(jī)交互主要實(shí)現(xiàn)三部分功能：運(yùn)行監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警顯示與處理。在程序設(shè)計(jì)中這三部分各自為一個(gè)模塊在主程序中循環(huán)工作。面板主程序流程圖如圖5所示。

3 樣機(jī)試驗(yàn)

3.1 空載試驗(yàn)

空載試驗(yàn)通過(guò)變頻器連接異步電動(dòng)機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.2 驗(yàn)證性負(fù)載試驗(yàn)

驗(yàn)證性負(fù)載試驗(yàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。利用研制的抽油機(jī)專(zhuān)用變頻器樣機(jī)，額定功率30 kW，在輸入電壓為三相380 V情況下，驅(qū)動(dòng)額定功率為22 kW、額定電壓為380 V的三相異步電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)通過(guò)柔性連軸器驅(qū)動(dòng)額定功率為30 kW的直流發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能由電阻器消耗掉。

試驗(yàn)中為了驗(yàn)證基于SVPWM的恒壓頻比控制軟件設(shè)計(jì)的正確性[3-4]，以及人機(jī)交互軟件設(shè)計(jì)的可操作性，設(shè)定上沖程運(yùn)行頻率為50 Hz，下沖程運(yùn)行頻率為50 Hz。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在50 Hz時(shí)，通過(guò)直流勵(lì)磁電壓和變阻器調(diào)節(jié)負(fù)載功率為18 kW，構(gòu)成60%負(fù)載的驗(yàn)證性負(fù)載試驗(yàn)。此時(shí)，通過(guò)功率分析儀PZ4000可以觀(guān)察到變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸入視在功率為19.969 kVA，有功功率為19.07 kW，無(wú)功功率為0.899var，功率因數(shù)為0.955，線(xiàn)電壓有效值為378 V，線(xiàn)電流有效值為14.562 A。

4 結(jié)論

基于高性能DSP的變頻控制系統(tǒng)，利用DSP運(yùn)算速度快、處理能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)時(shí)控制抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。該變頻控制系統(tǒng)有明顯的節(jié)能效果。通過(guò)不斷的完善，今后該裝置將在油田中得到廣泛的應(yīng)用。

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[3]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:179-180.

[4]謝青紅,張?bào)憷?TMS320F2812 DSP原理及其在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009:112-116.

邊向南，畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，博士，從事裝備制造質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)化工作，工程師，E-mail：zhangqj001@cnpc.cn，地址：大慶市薩爾圖區(qū)中寶路13號(hào)大慶油田裝備制造集團(tuán)研究院質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)化室，163312。

2011-05-13)