摘要  針對(duì)游梁式抽油機(jī)電機(jī)運(yùn)行過程中功率因數(shù)和效率較低的狀況，研究開發(fā)了一種電機(jī)功率因數(shù)自調(diào)整及節(jié)能控制系統(tǒng)裝置，其采用雙向開關(guān)斬波式PWM交流調(diào)壓方式，通過對(duì)定子電壓的尋優(yōu)控制，改善了電機(jī)的工作效率、節(jié)約電能，可使得抽油機(jī)電機(jī)始終運(yùn)行于功率因數(shù)和效率最佳的工作狀態(tài)。 
    關(guān)鍵字  功率因數(shù)；斬波式PWM；80C196KC單片機(jī)；Pspice仿真 
Rebbbbbb and application on bidirectional switch chopped mode PWMACvoltage regulating system 
FENG Xingtian ZHANG Jiasheng 
：(Electrical Engineering Department of Inbbbbation and Control Engineering College of China University of Petroleum,Dongying Shangdong 257061,China) 
    Abstract  The driving motor of the beam-pumping unit widely used by every oil field is usually in an ineffective status, which leads to an obvious fall of work efficiency and power factor.This paper presents a new kind of system equipment in order to improve power factor, economize energy, reduce consumption and decrease production cost. The power factor and the work efficiency will always be in the high-point,with the application of power electronic technology,frequency control technique,high-speed full-control apparatus,high-perbbbbance single-chip microprocessor and high-frequency PWMcontolling mode. 
    Keywords  power factor，chopped mode PWM，80C196KC microprocessor，Pspice simulation  
   

１ 概述

目前，各油田普遍采用游梁式抽油機(jī)進(jìn)行石油開采，抽油機(jī)在采油過程中，由于起動(dòng)負(fù)荷大且地下油層出油量也不十分穩(wěn)定，一晝夜內(nèi)液位變化比較大，電機(jī)的工作負(fù)荷不穩(wěn)定。為了生產(chǎn)的順利進(jìn)行，必須按大負(fù)荷狀態(tài)配備電機(jī)，這就導(dǎo)致抽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)常處于"大馬拉小車"的運(yùn)行狀態(tài)，使電機(jī)的工作效率和功率因數(shù)明顯下降[1]。另外，游梁式抽油機(jī)在完成一個(gè)抽油周期的過程中，上沖程和下沖程的負(fù)荷也不平衡，并且差別較大，為了改善這種不平衡狀態(tài)、減小工作電機(jī)的容量、提高工作效率、節(jié)約電能，游梁式抽油機(jī)都設(shè)有配重懸錘，盡管如此，由于配重懸錘的配重是固定的，而油井的工況是變化的，再加上配重懸錘機(jī)構(gòu)的機(jī)械調(diào)整受到現(xiàn)場(chǎng)諸多條件的限制，使抽油機(jī)不能完全達(dá)到平衡。在實(shí)際運(yùn)行中，電機(jī)往往處于電動(dòng)狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)。發(fā)電能量在電網(wǎng)—電機(jī)—電網(wǎng)反復(fù)轉(zhuǎn)換的過程中，既造成了一定能量損失又會(huì)對(duì)電網(wǎng)的正常供電造成一定程度的擾動(dòng)，同時(shí)可能使電網(wǎng)與電機(jī)的功率因數(shù)再一次降低[2]。

本文介紹的雙向開關(guān)斬波式PWM 交流調(diào)壓系統(tǒng)，由交流電源控制變流器單元、不平衡饋能自動(dòng)處理單元、檢測(cè)與保護(hù)控制單元、單片機(jī)控制系統(tǒng)及運(yùn)行狀態(tài)顯示單元組成，如圖1所示。

保護(hù)控制單元除實(shí)現(xiàn)對(duì)本裝置的保護(hù)之外，還可以完成對(duì)抽油機(jī)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，在電機(jī)出現(xiàn)過壓、過流、過載、缺相等異常情況下自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警。單片機(jī)系統(tǒng)控制模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的智能化控制核心，連續(xù)不斷地通過檢測(cè)與保護(hù)控制單元模塊，對(duì)抽油機(jī)電機(jī)的電壓、電流、功率因數(shù)和功率等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而對(duì)電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行綜合判斷，并通過電源控制功率模塊，對(duì)電機(jī)繞組的工作電壓實(shí)施平滑控制。

交流電源控制變流器單元作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，采用雙向開關(guān)斬波式PWM 交流調(diào)壓電路。下面著重分析雙向開關(guān)斬波式PWM 交流調(diào)壓電路，并借助于Pspice 工具軟件進(jìn)行了大量的計(jì)算機(jī)仿真研究。同時(shí)運(yùn)用適當(dāng)?shù)膯纹瑱C(jī)控制算法，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

２雙向開關(guān)斬波式PWM交流調(diào)壓電路分析

系統(tǒng)所使用的主電路是一種三相調(diào)壓電路[3]，如圖2 所示。它由三只串聯(lián)開關(guān)VT1，VT2和VT3以及一只續(xù)流開關(guān)VN組成。當(dāng)VT1，VT2和VT3導(dǎo)通時(shí)，VN關(guān)斷，負(fù)載電壓等于電源電壓；當(dāng)VT1，VT2和VT3關(guān)斷時(shí)，VN導(dǎo)通，負(fù)載電源通過VN續(xù)流，負(fù)載電壓為零。這樣，控制VT1，VT2、VT3和VN的導(dǎo)通關(guān)斷，就可以得到不同的負(fù)載電壓，從而根據(jù)不同的電壓要求來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)控制。

在前文所述的控制方式下，輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)的波形[4]如圖3 所示。其中圖3(a)為輸入線電壓波形；圖3(b)為開關(guān)VT1，VT2 和VT3 的觸發(fā)導(dǎo)通波形；圖3（c）為VN 的觸發(fā)導(dǎo)通波形，圖3(b)與圖3(c)波形為互補(bǔ)關(guān)系；圖3(d)即是輸出線電壓波形。由圖3 可見，這些波形和單相斬控式調(diào)壓電路相同，可以用下式描述：

upload=jpg]UploadFile/2007-5/200753018262787480.jpg[/upload]

式中: 占空比D=T/Tc［T為圖3(b)波形一個(gè)周期內(nèi)的高電平時(shí)間，Tc則是其周期］；

Um為uab幅值；

φn=n仔D；

ωc=2仔/Tc。

為避免輸出電壓和電流中的偶次諧波，且保持三相輸出電壓對(duì)稱，載波比K

[NextPage]

（K=T/Tc，式中T 為ua周期，必須選擇為6的倍數(shù)）。

對(duì)于理想負(fù)載，輸出電流i0為：

[upload=jpg]UploadFile/2007-5/200753018262780023.jpg[/upload]

式中：Z1為基波阻抗Z 1的模；

φ1為基波阻抗角；

Zn為對(duì)應(yīng)角頻率為n棕c+棕s次諧波的負(fù)載阻抗的模；

φn為Z n的相角；

Z‵n為對(duì)應(yīng)角頻率為n棕c-棕s次諧波的負(fù)載阻抗Z憶n的模；

φ‵n為Z‵n的相角。

3 主電路的Pspice仿真波形分析

使用Pspice 8.0 對(duì)雙向開關(guān)斬波式PWM 交流調(diào)壓主電路進(jìn)行了仿真，得到了一系列的仿真波形,如圖4所示。從圖4（a）的輸入相電壓、輸入相電流波形可以看出兩波形的夾角（即功率因數(shù)角）已經(jīng)很小，功率因數(shù)（約為0.9）已滿足要求；而圖4（b）的輸出相電壓、輸出相電流波形已經(jīng)達(dá)到功率因數(shù)近似為1 的程度；圖4（c）的輸入線電壓、輸出線電壓波形體現(xiàn)了與原理分析結(jié)果的一致性。雖然各波形都近似正弦波，但通過仿真波形分析可知主電路存在換流電壓尖峰，這對(duì)大功率器件的運(yùn)行非常不利，需設(shè)計(jì)電路加以解決。

4 系統(tǒng)構(gòu)成及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

系統(tǒng)中單片機(jī)控制單元通過運(yùn)用80C196KC 單片機(jī)[6]的高速輸入器（HSI）和高速輸出器（HSO）的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)電路采集功率因數(shù)角，作為高速輸入器的觸發(fā)事件，測(cè)量其寬度的變化來(lái)體現(xiàn)功率因數(shù)角的變化；然后根據(jù)角度的大小，調(diào)節(jié)高速輸出器輸出方波（即功率器件的開關(guān)頻率）的占空比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的，從而提高功率因數(shù)及效率。

根據(jù)Pspice仿真所確定的設(shè)計(jì)參數(shù)，搭建了雙向開關(guān)斬波式PWM 交流調(diào)壓系統(tǒng)，其中主電路的開關(guān)器件選用大功率器件IGBT[7]；根據(jù)軟件的控制流程及功能要求，運(yùn)用匯編語(yǔ)言編寫了單片機(jī)控制程序，產(chǎn)生控制IGBT 的觸發(fā)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)其通斷，隨后進(jìn)行了調(diào)試實(shí)驗(yàn)。獲得了一系列的實(shí)驗(yàn)波形如圖5 所示。圖5（a）是在輸入電壓110 V、占空

[NextPage]

比90%、開關(guān)頻率900 Hz 且空載的條件下采集的，輸出線電壓為100 V；而圖5(b)和圖5(c)是在輸入電壓110 V、占空比90%、開關(guān)頻率1.2 kHz 并加負(fù)載的條件下得到的，輸出線電壓為99 V。

從實(shí)驗(yàn)波形可以看出系統(tǒng)功率因數(shù)較高，波形近似正弦，但電壓尖峰的問題比較明顯，這與仿真結(jié)果相符。在實(shí)驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)軟件調(diào)節(jié)功率器件的開關(guān)頻率高時(shí)波形的諧波較小，正弦性更強(qiáng)；脈沖的占空比較大時(shí)波形也相對(duì)較好；加載時(shí)雜波干擾比較嚴(yán)重，尖峰也很大，空載的情況相對(duì)要好一些。

5 結(jié)語(yǔ)

通過分析比較，可以看出理論分析、Pspice電路仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，雙向開關(guān)斬波式PWM 交流調(diào)壓系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)控制功率器件的開關(guān)頻率，針對(duì)負(fù)載的變化進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)壓控制，有效實(shí)現(xiàn)了提高功率因數(shù)和效率的目的；并且電壓、電流波形近似正弦波，而輸出電壓的雜波干擾和尖峰可通過吸收電路加以吸收，以消除諧波污染。

作者簡(jiǎn)介：
 
    
 
參考文獻(xiàn)： 
 
   

[1] 薄保中，蘇彥民，侯立軍.電力電子技術(shù)在抽油機(jī)電機(jī)節(jié)能中的應(yīng)用前景[J]. .節(jié)能，2000，212（3）：

14-16.

[2] 蕭南平.對(duì)游梁式抽油機(jī)節(jié)能問題的探討[J].石油機(jī)械，1997，25（3）：41-43.

[3] 林渭勛.電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[4] 張加勝.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，1999.

[5] 高文煥,汪蕙.模擬電路的計(jì)算機(jī)分析與設(shè)計(jì)———Spice 程序應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[6] 孫涵芳.Inbbb 16 位單片機(jī)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996.

[7] 日本三菱電氣.第三代IGBT和智能功率模塊應(yīng)用手冊(cè)及DATABOOK[Z].1998.