摘 要：油井抽油機(jī)運(yùn)行的負(fù)載率低，電機(jī)的功率因素低，采用動態(tài)補(bǔ)償?shù)姆椒梢杂行У靥岣吖β室蛩?，從而起到?jié)能降耗的作用。建立和分析無功補(bǔ)償?shù)哪Ｐ?，得到補(bǔ)償電容的定量關(guān)系，該關(guān)系不僅與基波有關(guān)，還與諧波有關(guān)。設(shè)計(jì)以PIC16C74為核心的節(jié)能器裝置，該裝置實(shí)現(xiàn)三相電壓電流的同步采集和數(shù)據(jù)處理，并就地補(bǔ)償控制，定時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)通信。通過實(shí)測數(shù)據(jù)說明功率因素提高顯著，節(jié)能效果明顯。

關(guān)鍵詞：節(jié)能器；無功補(bǔ)償；無線通信；油井抽油機(jī)

Design of Intelligent Energy Saving Unit in Oil-pumping Machine

JIN Ying，HAO Jianyang

(Huaiyin Institute of Technology，Huaian，223001，China)

Abstract：Oil-pumping machines run in low load chronically.Their motors have low power factor.We can improve their power factor via dynamic var compensation.In this paper we build and analyze the model of var compensation，and get the relation of capacitor and the parameters.We design an intelligent energy saving unit.This unit can collect the electricity data and cope it，and control the compensation.It can improve power factor and save energy evidently in an applied example.

eywords：energy saving unit;var compensation;wireless communication;oil-pumping machine

在我國油井抽油機(jī)的使用面廣、數(shù)量大，但抽油機(jī)的平均負(fù)荷率低，抽油機(jī)長期運(yùn)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(bǔ)償措施提高功率因素和降耗節(jié)能。通過測試，抽油機(jī)存在以下的工作狀態(tài)：首先抽油機(jī)在一個行程其負(fù)荷是大幅度地變化的，而且這種變化是相當(dāng)頻繁的，同時(shí)又沒有規(guī)律；其次，抽油機(jī)電機(jī)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(jī)，這樣抽油機(jī)就可能遠(yuǎn)離變壓器，這時(shí)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(jìn)行功率因數(shù)的校正，無法實(shí)現(xiàn)這種瞬時(shí)變化功率因數(shù)的校正，必須采取一定的算法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動態(tài)的無功補(bǔ)償。

1 瞬時(shí)動態(tài)補(bǔ)償模型

抽油機(jī)作為電網(wǎng)的一個負(fù)載，它的阻抗是瞬變的，與其轉(zhuǎn)差率密切相關(guān)，但在進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償時(shí)很難準(zhǔn)確地測出轉(zhuǎn)差率。但在任一時(shí)刻電機(jī)的輸入電壓和電流是確定的，這樣可以將電機(jī)的等值阻抗作為測量等效值，其模型如圖1（a）所示。電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)可分類如下：

（1） 異步電機(jī)處于電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，電壓(Um和電流(I(xiàn)m均為正弦，且電流滯后于電壓。

（2） 異步電機(jī)是處于發(fā)電動機(jī)狀態(tài)，則由于發(fā)出電壓的相位不能保證與電網(wǎng)電壓相位一致，因此電機(jī)的電流會產(chǎn)生畸變，又由于線路電阻的存在，加在電機(jī)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，Xm和rm分別為感抗和電阻，只是Xm和rm均不是常量而是隨電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)變化而變化的量。同時(shí)考慮到線路中存在電阻（設(shè)電阻為r1），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(jìn)行，圖1(a中Xc就是并聯(lián)電容的容抗。，通過計(jì)算電壓電流的基波及諧波的幅值和相位得到的，xm和rm，r1是一個定值，由電線的規(guī)格及長度決定。通過電容補(bǔ)償?shù)哪康木褪菧p少或消除無功損耗，補(bǔ)償后的理想模型如圖1(b所示。此時(shí)設(shè)電動機(jī)的等效感抗為Xe=jωl，則對于n次諧波補(bǔ)償電容C，有：

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

2 控制裝置設(shè)計(jì)

系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，裝置采用PIC16C74作為主控器，負(fù)責(zé)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、E2PROM(93C46讀寫操作、控制補(bǔ)償電容器的投切以及遠(yuǎn)程通信。硬件主要分為以下的功能塊：看門狗電路、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、電容器投切控制電路、鎖相環(huán)電路、遠(yuǎn)程通信接口電路等。

PIC16C74單片機(jī)采用獨(dú)立分離的數(shù)據(jù)總線和14 b指令總線的“哈佛”結(jié)構(gòu)，采用33條精簡指令集，指令執(zhí)行速度快，效率高，內(nèi)含4 kB程序存儲器和192 B數(shù)據(jù)存儲器，3個硬件定時(shí)器，便于定時(shí)和同步，具有8路8 b A/D轉(zhuǎn)換，但因?qū)?yīng)的端口需用于輸入輸出，所以系統(tǒng)中沒有使用內(nèi)置的A/D。

2.1 濾波及信號調(diào)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(zhuǎn)換器的模擬輸入信號的范圍是0~+5 V，因此需要進(jìn)行信號的調(diào)理。 

[BT3+*3]2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)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(shí)進(jìn)行6通道信號采樣。系統(tǒng)中使用ADS7864的6路A/D進(jìn)行三相電壓和三相電流的測量，因其內(nèi)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)。 

[BT3+*3]2.3 SPI接口

93C46為一個存儲容量為1 024 b的E2PROM，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(jié)構(gòu)，所以其第6引腳接地，在這種結(jié)構(gòu)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(bǔ)償電容器

系統(tǒng)中采用電容器組合來逼近所需補(bǔ)償?shù)碾娙葜?，電容器的級別為：0.5 kV，1 kV，2 kV，4 kV，7 kV，它們可以組[LL]合成0.5~14.5 kV間隔0.5 kV共29個等級。另外在實(shí)際應(yīng)用考慮到電容與頻率有關(guān)，這些參數(shù)還要進(jìn)行修正。

2.5 遠(yuǎn)程接口電路

為了實(shí)現(xiàn)油井的網(wǎng)絡(luò)化控制和調(diào)度，本裝置設(shè)計(jì)GSM/GPRS遠(yuǎn)程通信模塊。裝置中通過串口將GSM/GPRS模塊與單片機(jī)相連。每過一定的時(shí)間(可以設(shè)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(shè)計(jì)

軟件采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，主要模塊包括：初始化、電壓電流采樣、FFT變換、93C46的SPI接口以及數(shù)據(jù)的讀寫、電容器的投切控制以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。

3 實(shí)測數(shù)據(jù)及其計(jì)算

以1臺額定功率37 kW電機(jī)作為實(shí)例，實(shí)際測量值為：電機(jī)相電壓221.82 V，電流32.29 A，負(fù)荷13.593 kW時(shí)，功率因數(shù)為0.638，補(bǔ)償后電機(jī)端電壓為230.2 V，線路等效電阻為1.223 Ω。

通過計(jì)算，電機(jī)的等效阻抗和感抗分別為4.265 Ω，5.248 Ω。未補(bǔ)償時(shí)為有功功率17 418 W，補(bǔ)償后無功功率16 415 W，補(bǔ)償后有功功率16 192 W，補(bǔ)償后功率因數(shù)0.9。

4 結(jié) 語

抽油機(jī)的工作狀態(tài)復(fù)雜，使用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮基波還要考慮諧波，抽油機(jī)的電機(jī)不僅有電動狀態(tài)，還有發(fā)電狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)使用單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)信號采樣與處理，并進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。通過多次實(shí)驗(yàn)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(jī)處于發(fā)電狀態(tài)發(fā)出的電能，通過電容器存儲，以達(dá)到省電的目的。該節(jié)能裝置已經(jīng)成功應(yīng)用于江蘇油田，運(yùn)行三年來性能穩(wěn)定、節(jié)能效果良好。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ADS7864 Data Sheet，Texas Instruments Incorprated，2000.

［2］趙建洋，丁衛(wèi)紅.一種頻率抽取FFT蝶形遞歸算法及其高效應(yīng)用[J].淮陰工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，11（5）：49-51.

［3］Ribero P F.Wavelet Transform:An Advanced Tool for Analyzing Non-Stationary Harmonic Distortions in Power Systems［J］.In:Proceeding of IEEE ICHPS VI.Bologna:1994:365-369.

［4］金鷹，趙建洋，嚴(yán)云洋.12位500 kHz六通道同時(shí)采樣A/D轉(zhuǎn)換器ADS7864及其應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品世界，2001(5:46-47.