張慶軍 （大慶油田力神泵業(yè)有限公司研發(fā)中心）

基于可控整流的抽油機變頻控制系統(tǒng)

張慶軍 （大慶油田力神泵業(yè)有限公司研發(fā)中心）

針對抽油機驅(qū)動中出現(xiàn)的問題，并且考慮變頻器研制過程中不可控整流電路在工作過程中經(jīng)常出現(xiàn)故障的情況，設計了基于可控整流的變頻控制系統(tǒng)。利用可控硅SCR作為整流器件，通過軟件控制可控硅的導通關斷達到整流過程的可控性。在IGBT驅(qū)動軟件設計方面采用了恒壓頻比控制策略，利用空間矢量SVPWM算法實現(xiàn)對電動機輸入電壓和頻率進行最優(yōu)控制的目的。在控制芯片方面，采用STM32F107作為核心芯片，完成了30 kW可控整流變頻器樣機的研制。通過現(xiàn)場試驗證明，設計方案在抽油機節(jié)能方面具有顯著效果。

游梁式抽油機；變頻控制系統(tǒng)；可控整流；恒壓頻比；STM32F107；SVPWM

引言

游梁式抽油機是一種慣性矩較大的機械設備，工作時都是帶載啟動比較困難。為了滿足啟動的要求，不得不選配額定功率較大的電動機來拖動。另外，游梁式抽油機的載荷是帶有沖擊性的交變載荷，拖動游梁式抽油機的電動機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，并具有一定的過載能力，以游梁式抽油機的最大轉(zhuǎn)矩來選配電動機，而游梁式抽油機正常工作時所需的平均功率并不大。為了防止蠟卡、砂卡等異常工況而導致燒毀電動機，還有意識地選擇更大容量的電動機來驅(qū)動抽油機，造成設備的嚴重浪費[1]。

針對目前油田應用的游梁式抽油機存在的高耗能、低效率的問題以及工作特性，研制了抽油機專用變頻器樣機；并且提出一種電動機輕載節(jié)能的控制策略，通過分析抽油機的工作原理以及PWM技術，制定了抽油機專用變頻裝置的總體技術方案。

1 硬件設計

1.1主電路設計

圖1為變頻器主電路，主要由整流部分、逆變部分和濾波系統(tǒng)組成[2]。其中整流部分完成交流電到直流電的過程，逆變過程完成由直流電變換到可調(diào)頻率交流電的過程，濾波系統(tǒng)完成直流電的存儲及波形平滑功能。整流模塊采用的是西門康公司的可控硅整流模塊SKKT106/16E。該模塊由1個橋臂2個可控硅組成。最大耐壓能夠達到1600 V。逆變模塊采用EUPEC公司的FF200R12KS4橋式IGBT模塊，其最大耐受電流為200 A，完全滿足設計30 kW變頻器的需要。

1.2IGBT驅(qū)動電路的設計

圖2為一相的IGBT驅(qū)動電路，利用該電路控制IGBT的導通關斷，從而達到控制變頻器輸出頻率可調(diào)的功能。該電路使用的驅(qū)動模塊為落木源公司的KA962模塊。該模塊具備驅(qū)動400 A大功率IGBT模塊的能力，完全滿足驅(qū)動所選擇的FF200R12KS4模塊的功能。該驅(qū)動電路具有短脈沖抑制能力，當輸入脈沖小于400 ns時不會觸發(fā)IGBT開通，可以監(jiān)測過電流、欠壓以及外部輸入故障信號；當故障發(fā)生時，驅(qū)動電路通過內(nèi)部的三極管將故障端拉低至GND，故障后重啟時間為60 ms。

1.3SCR驅(qū)動電路設計

圖3 為單相SCR驅(qū)動電路原理圖，實際應用中需要三路相同電路分別驅(qū)動三相可控硅電路。利用控制芯片STM32F107的I/O口PA12控制光耦PC817的導通與關斷，PC817起到形成隔離輸出側(cè)與單片機I/ O口的作用。利用兵字脈沖變壓器KCB419作為驅(qū)動SCR的驅(qū)動源，KCB419為專用可控硅觸發(fā)變壓器。

圖1 變頻系統(tǒng)主電路

為了控制SCR導通的順序，需要對電源相序進行判斷，從而得到計算導通順序的依據(jù)[3-4]。圖4為三相電源相序檢測電路。利用光耦PC817進行隔離強電側(cè)與進入單片機I/O口的弱電信號。

2 軟件設計

2.1SVPWM實現(xiàn)

圖2 單相IGBT驅(qū)動電路

圖3 SCR驅(qū)動電路

圖4 三相電源相序檢測電路

針對抽油機運行時上下沖程的特點，通過對空間矢量PWM原理的了解，針對任意空間矢量調(diào)制分別從空間矢量組合、空間矢量作用時間計算和空間矢量作用順序三方面作了分析，為SVPWM的軟件實現(xiàn)提供了算法支持[5]。根據(jù)以上理論確定圖5所示的SVPWM功能實現(xiàn)原理框圖。

2.2SCR導通關斷實現(xiàn)

本項目采用可控整流電路，利用SCR作為可控原件控制直流母線電壓導通關斷，如圖6所示。開機程序初始化后，根據(jù)信號檢測數(shù)據(jù)判斷當前變頻器狀態(tài)。如果正常進入相位判斷，判斷需要各相導通順序，根據(jù)導通順序以及計算出的SCR開關角度，觸發(fā)導通相應相的SCR管，根據(jù)導通順序形成所需要的直流母線電壓。如果是故障或停機狀態(tài)，將進入軟停機狀態(tài)，控制SCR關斷。

圖5 控制板主程序流程

圖6 SCR導通關斷控制框圖

3 樣機試驗

3.1可控整流實驗驗證

為了檢測可控整流在工作過程中的可靠性，利用示波器檢測單相電源輸入時SCR驅(qū)動板動作情況，實驗結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，SCR驅(qū)動板能夠根據(jù)相位進行相依導通關斷動作。

圖7 SCR控制板相序檢測及導通控制實驗

3.2空載試驗

初步完成變頻器樣機空載試驗，其試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。利用變頻器樣機直接連接22 kW電動機而不帶任何負載的情況下檢測變頻器輸出情況。圖9為利用TK示波器檢測到的線電壓波形。

圖8 空載試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖9 空載試驗線電壓波形

圖10 空載試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場應用抽油機變頻器后增加了產(chǎn)量。未用變頻器前日產(chǎn)液10.0 m3，而使用變頻器后日產(chǎn)液達到16.5 m3，產(chǎn)量增加了65%。另外，在增加產(chǎn)量的基礎上還節(jié)約了電能。工頻供電時日耗有功電能134.1 kWh，而使用抽油機變頻器后日耗電量為122.9 kWh，較原來節(jié)約電能8.3%。

4 結(jié)論

本項目針對油田應用的游梁式抽油機工作特性，在廣泛分析變頻器原理和深入研究SVPWM技術以及SCR控制技術的基礎上，研究開發(fā)了30kW抽油機專用變頻器樣機，完成了可控整流變頻系統(tǒng)的研制。通過空載及負載試驗，表明本系統(tǒng)完成了設計要求，能夠滿足抽油機工業(yè)現(xiàn)場需求。

[1]薄保中，姜衍智，王軍民，等.論抽油機電機的運行工況與節(jié)能[J].油氣田地面工程，2001，20（2）：23-25.

[2]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009：43-90.

[3]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005：179-180.

[4]胡開埂，楊貴杰.基于DSP的三相PWM可控整流系統(tǒng)的設計[J].電氣應用，2007（10）：51-54.

[5]袁野，程善美，胡仙.基于STM32F103的SVPWM算法實現(xiàn)[J].電氣傳動自動化，2012，34（04）:1-3.

（編輯 李珊梅）

3.3現(xiàn)場試驗

為了驗證本設計的實用性，將樣機在現(xiàn)場井進行實驗。圖10為現(xiàn)場應用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，通過樣機驅(qū)動功率為17kW的三相異步電動機帶動抽油機運行。

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.04.005

2016-01-07

張慶軍，工程師，2010年畢業(yè)于哈爾濱理工大學，碩士，從事電潛泵電氣控制設計工作，Email：kingg209@163.com，地址：黑龍江省大慶市薩爾圖區(qū)興北街58號，163000。