智能抽油机节能器的设计
1 瞬时动态补偿模型
抽油机作为电网的一个负载,它的阻抗是瞬变的,与其转差率密切相关,但在进行动态补偿时很难准确地测出转差率。但在任一时刻电机的输入电压和电流是确定的,这样可以将电机的等值阻抗作为测量等效值,其模型如图1(a)所示。电机的运行状态可分类如下:
(1)异步电机处于电动机运行状态,电压(Um)和电流(Im)均为正弦,且电流滞后于电压。
(2)异步电机是处于发电动机状态,则由于发出电压的相位不能保证与电网电压相位一致,因此电机的电流会产生畸变,又由于线路电阻的存在,加在电机上的电压也表现出非正弦性。
2 控制装置设计
系统构成如图2所示,装置采用PIC16C74作为主控器,负责三相电压电流的数据采集与处理以及同步信号、相序信号、缺相信号的检测、E2PROM(93C46)读写操作、控制补偿电容器的投切以及远程通信。硬件主要分为以下的功能块:看门狗电路、信号调理电路、A/D转换电路、电容器投切控制电路、锁相环电路、远程通信接口电路等。
PIC16C74单片机采用独立分离的数据总线和14 b指令总线的"哈佛"结构,采用33条精简指令集,指令执行速度快,效率高,内含4 kB程序存储器和192 B数据存储器,3个硬件定时器,便于定时和同步,具有8路8 b A/D转换,但因对应的端口需用于输入输出,所以系统中没有使用内置的A/D。
2.1 滤波及信号调理电路
滤波器选用MAX274,在该系统中MAX274用作4阶低通滤波器。滤波器输出信号的范围为-5~+5 V,而A/D转换器的模拟输入信号的范围是0~+5 V,因此需要进行信号的调理。
2.2 A/D转换电路
A/D转换器选用ADS7864,它具有6通道全差分输入的双12位的的A/D,良好共模抑制比,能以500 kHz的采样率同时进行6通道信号采样。系统中使用ADS7864的6路A/D进行三相电压和三相电流的测量,因其内部特有的并行接口与6个FIFO寄存器连接,所以便于快速、同步地采集数据。
2.3 SPI接口
93C46为一个存储容量为1 024 b的E2PROM,其接口为SPI。PIC16C74提供了SPI接口,因此硬件连接非常方便。系统中使用8位结构,所以其第6引脚接地,在这种结构下,93C46有7条10位的指令,但根据需要只使用其中的EWEN,READ,WRITE指令。
2.4 补偿电容器
系统中采用电容器组合来逼近所需补偿的电容值,电容器的级别为:0.5 kV,1 kV,2 kV,4 kV,7 kV,它们可以组合成0.5~14.5 kV间隔0.5 kV共29个等级。另外在实际应用考虑到电容与频率有关,这些参数还要进行修正。
2.5 远程接口电路
为了实现油井的网络化控制和调度,本装置设计GSM/GPRS远程通信模块。装置中通过串口将GSM/GPRS模块与单片机相连。每过一定的时间(可以设定)向控制中心发送数据。这些数据包括三相电压电流的信号、功率因素等。
2.6 软件设计
软件采用模块化的结构设计方法,主要模块包括:视始化、电压电流采样、FFT变换、93C46的SPI接口以及势据的读写、电容器的投切控制以及远程数据通信。
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