智能抽油机节能器的设计

在我国油井抽油机的使用面广、数量大，但抽油机的平均负荷率低，抽油机长期运行于低功率因数的情况下，其无功损耗很大，因此必须采取补偿措施提高功率因素和降耗节能。通过测试，抽油机存在以下的工作状态：首先抽油机在一个行程其负荷是大幅度地变化的，而且这种变化是相当频繁的，同时又没有规律；其次，抽油机电机不仅工作于电动状态，还会工作于发电状态，出现功率倒送的问题；另外，一台变压器可能带有多口抽油机，这样抽油机就可能远离变压器，这时就出现了较大的线路损耗。针对上述问题，如果用通常的方法进行功率因数的校正，无法实现这种瞬时变化功率因数的校正，必须采取一定的算法，实现实时动态的无功补偿。

　　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。

　　以上2种情况均可以等效为1个电感和1个电阻的串联，图1(a)中Xm和rm分别为感抗和电阻，只是Xm和rm均不是常量而是随电机运行状态变化而变化的量。同时考虑到线路中存在电阻(设电阻为r1)，这样要想提高功率因数，就可以采用并联电容器的方法进行，图1(a)中Xc就是并联电容的容抗。通过计算电压电流的基波及谐波的幅值和相位得到的xm和rm，r1是一个定值，由电线的规格及长度决定。通过电容补偿的目的就是减少或消除无功损耗，补偿后的理想模型如图1(b)所示。此时设电动机的等效感抗为Xe=jωl，则对于n次谐波补偿电容C有：

　　可见补偿电容值不仅与电机的等效电阻、电感有关，还与谐波之间有关系，谐波次数越高需要的补偿电容越小。但必须注意，在谐波较大时，不能一味追求功率因数，而应从综合效率上考虑。

　　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。