智能抽油機節(jié)能器的設計

　　在我國油井抽油機的使用面廣、數(shù)量大，但抽油機的平均負荷率低，抽油機長期運行于低功率因數(shù)的情況下，其無功損耗很大，因此必須采取補償措施提高功率因素和降耗節(jié)能。通過測試，抽油機存在以下的工作狀態(tài)：首先抽油機在一個行程其負荷是大幅度地變化的，而且這種變化是相當頻繁的，同時又沒有規(guī)律；其次，抽油機電機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，這樣抽油機就可能遠離變壓器，這時就出現(xiàn)了較大的線路損耗。針對上述問題，如果用通常的方法進行功率因數(shù)的校正，無法實現(xiàn)這種瞬時變化功率因數(shù)的校正，必須采取一定的算法，實現(xiàn)實時動態(tài)的無功補償。

1 瞬時動態(tài)補償模型

　　抽油機作為電網的一個負載，它的阻抗是瞬變的，與其轉差率密切相關，但在進行動態(tài)補償時很難準確地測出轉差率。但在任一時刻電機的輸入電壓和電流是確定的，這樣可以將電機的等值阻抗作為測量等效值，其模型如圖1(a)所示。電機的運行狀態(tài)可分類如下：

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

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

　　以上2種情況均可以等效為1個電感和1個電阻的串聯(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運行狀態(tài)變化而變化的量。同時考慮到線路中存在電阻(設電阻為r1)，這樣要想提高功率因數(shù)，就可以采用并聯(lián)電容器的方法進行，圖1(a)中Xc就是并聯(lián)電容的容抗。通過計算電壓電流的基波及諧波的幅值和相位得到的xm和rm，r1是一個定值，由電線的規(guī)格及長度決定。通過電容補償?shù)哪康木褪菧p少或消除無功損耗，補償后的理想模型如圖1(b)所示。此時設電動機的等效感抗為Xe=jωl，則對于n次諧波補償電容C有：

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

2 控制裝置設計

　　系統(tǒng)構成如圖2所示，裝置采用PIC16C74作為主控器，負責三相電壓電流的數(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、控制補償電容器的投切以及遠程通信。硬件主要分為以下的功能塊：看門狗電路、信號調理電路、A／D轉換電路、電容器投切控制電路、鎖相環(huán)電路、遠程通信接口電路等。

　　PIC16C74單片機采用獨立分離的數(shù)據(jù)總線和14 b指令總線的“哈佛”結構，采用33條精簡指令集，指令執(zhí)行速度快，效率高，內含4 kB程序存儲器和192 B數(shù)據(jù)存儲器，3個硬件定時器，便于定時和同步，具有8路8 b A／D轉換，但因對應的端口需用于輸入輸出，所以系統(tǒng)中沒有使用內置的A／D。

2.1 濾波及信號調理電路

　　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轉換器的模擬輸入信號的范圍是0～+5 V，因此需要進行信號的調理。

2.2 A／D轉換電路

　　A／D轉換器選用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的采樣率同時進行6通道信號采樣。系統(tǒng)中使用ADS7864的6路A／D進行三相電壓和三相電流的測量，因其內部特有的并行接口與6個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位結構，所以其第6引腳接地，在這種結構下，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 補償電容器

　　系統(tǒng)中采用電容器組合來逼近所需補償?shù)碾娙葜担娙萜鞯募墑e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個等級。另外在實際應用考慮到電容與頻率有關，這些參數(shù)還要進行修正。

2.5 遠程接口電路

　　為了實現(xiàn)油井的網絡化控制和調度，本裝置設計GSM／GPRS遠程通信模塊。裝置中通過串口將GSM／GPRS模塊與單片機相連。每過一定的時間(可以設定)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 軟件設計

　　軟件采用模塊化的結構設計方法，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程數(shù)據(jù)通信。

3 實測數(shù)據(jù)及其計算

　　以1臺額定功率37 kW電機作為實例，實際測量值為：電機相電壓221.82 V，電流32.29 A，負荷13.593 kW時，功率因數(shù)為0.638，補償后電機端電壓為230.2 V，線路等效電阻為1.223 Ω。

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

4 結 語

　　抽油機的工作狀態(tài)復雜，使用傳統(tǒng)的計算機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)設計時不僅要考慮基波還要考慮諧波，抽油機的電機不僅有電動狀態(tài)，還有發(fā)電狀態(tài)。系統(tǒng)設計時使用單片機進行實時信號采樣與處理，并進行動態(tài)補償。通過多次實驗數(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處于發(fā)電狀態(tài)發(fā)出的電能，通過電容器存儲，以達到省電的目的。該節(jié)能裝置已經成功應用于江蘇油田，運行三年來性能穩(wěn)定、節(jié)能效果良好。