高明星（大慶鉆探工程公司機(jī)械修理廠）

SPWM專用發(fā)生芯片SA4828在油田節(jié)能方面的應(yīng)用

高明星（大慶鉆探工程公司機(jī)械修理廠）

油田電網(wǎng)負(fù)荷大、能耗高，決定了變頻器在油田中的應(yīng)用。交流變頻調(diào)速技術(shù)采用了SPWM專用發(fā)生芯片SA4828，控制核心單元選用了ATMAL公司的89C52單片機(jī)，并提出了整體的技術(shù)方案和措施。以SA4828芯片為核心元件的變頻技術(shù)，不但能降低油田注采系統(tǒng)的能耗，而且還可提高電氣設(shè)備的功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)能降耗的標(biāo)準(zhǔn)。同時，與常規(guī)的變頻技術(shù)相比，使用專用大規(guī)模集成電路芯片可直接生成需要的調(diào)制信號，改變了正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)信號查表過程中冗長的計(jì)算過程，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)時間，提高了控制精度。

交流變頻：SPWM：SA4828芯片：節(jié)能降耗：單片機(jī)

D O I:10.3969/j.i ssn.2095-1493.2011.05.010

油田作為一個特殊行業(yè)，有其特殊的負(fù)荷結(jié)構(gòu)，以電動機(jī)、泵類負(fù)載為主，均為高耗能、功率因數(shù)低負(fù)載，因而決定了變頻器在油田中的應(yīng)用應(yīng)以節(jié)能為第一目標(biāo)。交流變頻調(diào)速技術(shù)在油田中的應(yīng)用主要集中在下述三個方面。

（1）拖動抽油機(jī)井的交流電動機(jī)。由于電動機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，下沖程時負(fù)荷減輕，電動機(jī)拖動產(chǎn)生的能量無法被負(fù)載吸引，勢必會尋找能量消耗的渠道，導(dǎo)致電動機(jī)進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)，將多余能量反饋到電網(wǎng)，引起主回路母線電壓升高，進(jìn)而對整個電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，造成電網(wǎng)供電質(zhì)量下降。

（2）電泵井的潛油電泵。電潛泵在工頻啟動時，啟動電流大，電動機(jī)電纜壓降也大，每次開機(jī)都會使電潛泵壽命大打折扣，影響其使用期限。電潛泵損壞后提到地面上修理，僅工程費(fèi)一項(xiàng)就達(dá)5萬元，價值10萬元的電纜平均提上放下5次就須更換，電潛泵平均每10個月就須維修一次，維修費(fèi)用約8萬元，成本較高。另外，電潛泵在正常工作時，普遍存在著電動機(jī)負(fù)載率較低情況，“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴(yán)重。

（3）拖動注水泵的注水電動機(jī)。由于地質(zhì)情況的變化，開關(guān)井?dāng)?shù)的增減，洗井及供水不足的影響，經(jīng)常引起注水壓力的波動，注水量不均勻、不穩(wěn)定，注水壓力控制難度大。這給油田生產(chǎn)和管理帶來諸多不便，因而要求油田注水壓力保持恒定。

上述三個問題的存在導(dǎo)致了油田注采系統(tǒng)高耗能、功率因數(shù)低下的結(jié)果。隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)在油田中的應(yīng)用，此類問題有了很大的改善。但是，還存在著很多不足，如何解決變頻器適應(yīng)多變的工作環(huán)境，提高變頻器控制技術(shù)是關(guān)鍵。

1 基于SA4828芯片變頻器的原理及硬件組成

基于SA4828芯片變頻器原理如圖1所示。

基于SA4828芯片變頻器主要由下述四部分組成：

（1）主電路整流部分采用不可控的二極管整流電路，電源側(cè)功率因數(shù)高，且不受逆變輸出電壓大小的影響。整流部分采用智能功率模塊——IPM（Intelligent Power Module）。該電路將控制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路、反饋傳感電路集成為一個模板，這就使得主電路性能好，可靠性更高體積更小，并且由于結(jié)構(gòu)緊湊，大大避免了分布參數(shù)的影響。

（2）控制電路采用專用集成電路芯片SA4828，這可以大大地減輕CPU的負(fù)擔(dān)。當(dāng)需要改變頻率和電壓時，單片機(jī)再去干預(yù)SA4828，使控制系統(tǒng)可以空出更多的時間用于檢測和監(jiān)控。數(shù)控系統(tǒng)的核心選用了ATMAL公司的89C52單片機(jī)，它與51系列單片機(jī)完全兼容。

（3）過載、過流檢測電路采用霍爾元件。霍爾電流電壓傳感器模塊有優(yōu)越的電性能，是一種先進(jìn)的能隔離主電流回路與電子控制電路的電檢測元件，它綜合了互感器和分流器的所有優(yōu)點(diǎn)，克服了互感器和分流器的不足（如：互感器只適用于50Hz工頻測量；分流器無法進(jìn)行隔離檢測）。

（4）鍵盤及顯示部分采用專用芯片HD7279，它是具有串行接口、可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管的智能顯示芯片，單片即可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能。

當(dāng)抽油機(jī)井或電泵井等設(shè)備的交流電動機(jī)啟動時，由AT89C52單片機(jī)向SA4828發(fā)出啟動指令，在SA4828的控制下IPM模塊將主回路接通，進(jìn)行低頻啟動；同時，根據(jù)霍爾元件采集到的電壓、電流信號形成反饋，通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置將電流、電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，反饋至AT89C52單片機(jī)，進(jìn)而判斷當(dāng)前被拖動設(shè)備的工作狀態(tài)。正常工作情況下，單片機(jī)會通過電壓、電流、轉(zhuǎn)速、流量等信號判斷當(dāng)前設(shè)備的工作狀態(tài)，進(jìn)而通過向SA4828發(fā)出控制指令控制IPM模塊的頻率，由此調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到閉環(huán)控制的目的。

2 基于SA4828芯片變頻技術(shù)的特點(diǎn)

通常產(chǎn)生PWM的方法是以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角形作為載波（Carrier Wave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（Modulating Wave）[1]。當(dāng)調(diào)制波與載波相交時，由其交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)期間的通斷時刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。按照波形相等的原則，每一個矩形波的面積與相應(yīng)位置正弦波的面積相等，因而這個序列的矩形波與期望的正弦波等效[2]。這種調(diào)制稱作正弦波脈寬調(diào)制 （Sinusoidal Plus Width Modulation,簡稱SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波。

按照上述SPWM的工作原理，以前微機(jī)控制的調(diào)速系統(tǒng)正弦波脈寬調(diào)制信號的產(chǎn)生和控制多數(shù)采用查表法，這不但要求進(jìn)行大量的計(jì)算而且程序冗長[3]。但隨著大規(guī)模集成芯片電路的產(chǎn)生，正弦波脈寬調(diào)制信號的產(chǎn)生和控制已由查表法轉(zhuǎn)向使用專用大規(guī)模集成電路芯片；因此，芯片的功能在很大程度上將影響變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)品的性能。隨著技術(shù)的發(fā)展，不斷推出功能更強(qiáng)、控制更容易的新型集成電路芯片。SA4828芯片就是一種專用于三相SPWM信號發(fā)生和控制的新型集成電路芯片。它的特點(diǎn)是可以單獨(dú)使用，完成外圍的檢測、控制和保護(hù)等功能，使系統(tǒng)智能化。它不僅可以控制PWM的頻率、方向和幅值，而且還可以控制輸出的SPWM波形。該集成電路芯片是由全數(shù)字控制，載波頻率最高可達(dá)24 kHz，輸出調(diào)制波頻率為0～4 kHz；16位調(diào)速分辨率，8位調(diào)壓分辨率；可設(shè)定最小脈寬和延遲時間；輸出是標(biāo)準(zhǔn)的TTL輸出，每相輸出都有12 mA的驅(qū)動能力。

3 軟件設(shè)計(jì)思路

該變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件主要包括SA4828參數(shù)設(shè)定程序，電流、電壓、轉(zhuǎn)速、流量判定程序，鍵盤及顯示程序等幾部分。通過以上程序可以設(shè)置生成PWM波的三角載波的載波頻率，設(shè)置調(diào)制波頻率范圍、調(diào)制波幅值、相序等參數(shù)，測量電動機(jī)的電流、電壓及判斷拖動設(shè)備的狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)過載、過壓、欠壓和過流保護(hù)，及對轉(zhuǎn)速的控制等，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話。

4 結(jié)論

通過以上分析，采用SA4828芯片為核心元件的變頻技術(shù)，不但能降低油田注采系統(tǒng)的能耗，而且還能提高電氣設(shè)備的功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。同時，與常規(guī)的變頻技術(shù)相比，使用專用大規(guī)模集成電路芯片可直接生成需要的調(diào)制信號，改變正弦波脈寬調(diào)制信號查表過程中冗長的計(jì)算過程，加快系統(tǒng)的響應(yīng)時間，提高控制精度。

[1]周克寧.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[2]何超.交流變頻調(diào)速技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[3]王毅.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

高明星，2000年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，助理工程師，從事規(guī)劃經(jīng)營設(shè)備管理工作，E-mail：gaomingxing@cnpc.com.cn，地址：大慶市東湖145-5-502，163411。

2011-05-11)