经济型抽油机低压变频器的研制

边向南 栾义国（.大庆油田装备制造集团；.大庆油田天然气分公司）

1 现状

目前大庆油田抽油机采用变频技术，可以消除定频供电所存在的弊端，使抽油机具备方便的调参功能、软启动和软停机功能，还可为拖动电动机提供过压、过流、欠压、过载、短路等全面的保护功能，进一步提高采油效率，实现油井的合理化开采。但油田现场使用的抽油机变频控制产品多为通用型变频器，虽然解决了工频控制的弊端，但仍然存在一些问题：

1）价格较贵、厂家及规格型号多种多样，维修专业性强，现场人员达不到快速维修及故障判断能力，影响油井正常生产运行。

2）采用变频器加回馈单元，实现了变频器与电网之间能量的反向流动，但却没有解决能量由电网流向变频器时功率因数低，谐波电流大的问题。

因此，有必要自主开发一种经济型抽油机低压专用变频器，解决上述问题，进一步满足油田节能降耗的需求。

2 方案设计

2.1 总体功能

采用模块化设计，运用四象限的驱动技术，开发抽油机专用变频器。开发硬件系统中整流、逆变、滤波等单元模块的卡板式分体设计，能够实现板卡故障代码的直接显示，板卡易识别和更换，降低维修难度。开发系统软件的算法及源代码，实现异步/同步电动机的变频驱动，满足抽油机变工况的使用要求。

2.2 总体方案

以5.5 kW抽油机变频器为研究对象，确保核心功能的前提下，确定最经济的设计方案。变频运行时，不但保证变频器可靠运行，而且保证在误操作的情况下变频器及电动机等设备的安全。定频运行下，保证电动机可靠运行和有效保护。电路设计在保证设备可靠运行的前提下，尽量减少元器件的数量，减少故障点，提高经济性。

主电路分为工频主电路和变频主电路。各主电路之间通过三个交流接触器实现电路之间的隔离和切换，保证了各主电路可靠运行的同时保护变频器，避免工频电路工作时对变频器的影响。控制电路分为工频控制电路和变频控制电路。工频控制电路实现了电动机的工频运行，采用热继电器对电动机进行过载、断路等保护；变频控制电路主要通过中间继电器对交流接触器进行顺序接通和关断，保证了变频器运行及非正常操作下的可靠性。如图1、图2所示。

图1 主电路

该方案具有如下优点：

1）四象限变频驱动技术将再生能量自动回馈电网，达到更好的节能效果，并减少谐波污染。

2）装置采用模块化设计，核心板卡式安装方式让维护工作简单方便；装置预留丰富接口，可嫁接其它新产品、新技术，满足用户不同需求。

3）驱动硬件核心板卡设计采用模块化的设计理念，把整流、逆变、滤波和检测等电路设计成独立板卡形式，统一二/四象限硬件电路设计，以及硬件PCB 制作和装配工艺，根据用户的不同需求，能够实现二/四象限驱动系统的组装转换。

4） 智能驱动软件设计采用DSP 技术，对SVPWM、外设接口、串行通信、A/D转换中断和保护等功能模块进行软件设计，实现无PGS矢量和V/F控制方式自选，能够控制异步/同步电动机，满足抽油机采油设备现场的变工况需求。

图2 控制电路

3 DSP控制系统设计

控制系统采用空间矢量调制控制技术，通过DSP软件设计方法产生任意大小和位置的平均电压空间矢量，空间矢量调制技术可以使得电磁转矩和定子磁链的控制更加接近圆形，速度更加平滑，转矩脉动更小[1-2]。

3.1 功能与总体规划

控制系统主要就是对控制电路的芯片进行编程，采用模块化设计，大致可以分为五个模块，分别是系统配置初始化模块、ADC 采样模块、PWM生成模块、SCI 通信模块以及系统中断处理模块，图3为主程序流程。

在主循环运行中，定时器中断和SCI 中断可以实时得到响应，转而去执行相应的中断服务程序[3]，接口指令通过轮循方式得到响应。由于CPU没有足够的能力处理所有的外设中断请求，为了使各中断响应函数能以一定的优先级正确的执行指令，因此需要一个专门的外设中断扩展控制器来控制这些外设或外部引脚来的中断源。PIE 向量表就是一个控制器，它用于存放中断服务程序的地址，中断源都有自己的中断向量[4]。DSP 进行初始化时，根据系统需要设置了中断向量表，配置了每个中断的任务以及各个中断处理函数的优先级，如表1所示。在程序运行中，PIE向量表就会被更新。

图3 主程序流程

表1 系统中断任务

PDPINTB 中断优先级为最高，一旦IGBT 出现短路，PDPINTB 引脚变为低电平，PWM 输出引脚立刻变为高阻状态，产生短路中断[5]。定时器1 为4～20 mA 提供PWM 信号，定时器2 为光电编码器计数并确定电动机转速。定时器1 和2 中断函数处理时间远远小于定时器3，而且实时性要求较高，因此优先级高于定时器3 中断。定时器4 中断用于系统计时，发送状态参数，错误判断，电压电流采样等，程序流程如图4所示。

图4 定时器4中断处理流程

开关角度计算要求控制的实时性很高，将定时器中断中和SCI中断中执行的关键程序拷贝到RAM中，DSP执行指令速度的就会更快[3]。

3.2 电动机控制程序设计

通过电动机控制部分，实现了开环V/F 控制变频调速系统，电动机控制部分软件流程图如图5所示。利用定时器3中断的方式实现周期控制，进入中断服务程序后，首先触发AD 转换，以节省等待时间。为降低FLASH 功耗防止DSP 芯片过热，将FLASH设置为休眠状态。读取频率设定值并根据方向设定决定当前运行频率是增加还是减少并计算当前运行频率。根据当前运行频率，直流母线电压值和电压矢量幅值与角度计算开关角度并将计算值送至比较定时器，最后激活FLASH并清除中断标志。

3.3 ADC采样模块的设计

由于DSP自带的ADC采样模块的精度不高，因此采用外扩高精度ADC采样芯片来完成对电参数的采样工作。同时，借助F2812 的外部接口模块（XINTF）实现主控芯片对采样数据的分析处理。

XINTF模块的软件设计包括总线写操作、读操作两部分。

图5 电动机控制部分软件流程

1）写操作。当CPU 将数据放在数据总线上，且准备好时，XINTF模块将特定区域的片选信号线置低、写使能信号线置低，外设可以根据片选信号线和写使能信号线来判断是否可以读取数据[6]。

2）读操作。采样流程如图6 所示。为进一步减小误差，采用多次采样取平均值算法，把每一通道的连续采样次数设置为1 000 次，然后取平均值作为每一通道采样的最终结果[6]。

3.4 通讯部分的设计

通讯部分通过控制板DSP 的SCI 和面板单片机的SCI 外设完成设定参数、监视参数、报警信息的传输。如图7 所示，控制板作为主机，当SCI 中断发生后，进入中断处理函数，读取参数编号及参数值，并对参数校验，参数处理完毕后发出握手信号以通知面板可以发送下一帧数据。

3.5 接口控制部分的设计

控制板接口控制部分的软件完成的功能有：停、启动命令输入，上下冲程触发输入，压力传感器电压采样，2 路开关量输入的采样，2 路继电器输出的控制，1 路三极管输出的控制，4～20 mA 输入的ADC采样。由于这些部分的控制实时性要求较低，因此在主控板单片机中采用在主程序中轮流查询的方式完成。在主程序主循环中顺序地根据这些功能的实施条件进行判断，当条件满足时，则对其中的一些功能进行采样和控制。

图6 ADC采样流程

图7 SCI接受中断函数流程

4 应用情况

经济型抽油机低压变频器在大庆油田的北2-350-32井和北2-341-32井进行试运行，变频器在使用过程中稳定、可靠，对抽油机冲速、曲柄转动方向的调节操作简易，各项技术指标均达到设计要求，其实物见图8 所示。与工频控制柜相比，该变频器的综合节电率达到15%左右，具有较好的节能效果。

图8 变频器实物

研发的经济型抽油机低压变频器每套成本约4 000 元，类似功能的5.5 kW 变频器市场采购价约7 500元，每套可节约成本3 500元左右。按年需求量1 000 套测算，每年可降低采购成本350 万元左右。

5 结论

研制的经济型抽油机低压变频器，一方面可以有效地解决目前抽油机运转过程中出现的载荷过低问题，提高整个系统的运行效率，节能降耗；另一方面变频器可方便的调参，替代了传统更换皮带轮调参方式，减小作业强度。相对于外购的变频器，自行研发的变频器成本低、价格便宜，且能及时提供所需配件及售后服务。四象限智能驱动方式将再生能量自动回馈电网，达到更好的节能效果，并减少谐波污染；具备工频/变频回路及多种保护功能，运行可靠性更高。为油田用户提供成套的变频抽油机采油设备时，自主研发的经济型抽油机低压变频器可直接替代外部采购变频器。该设备适用于工作电压为380 V，工作频率为50 Hz的新投产井和待改造老井，具有良好的推广应用前景。