邊向南 欒義國(guó)（.大慶油田裝備制造集團(tuán)；.大慶油田天然氣分公司）

1 現(xiàn)狀

目前大慶油田抽油機(jī)采用變頻技術(shù)，可以消除定頻供電所存在的弊端，使抽油機(jī)具備方便的調(diào)參功能、軟啟動(dòng)和軟停機(jī)功能，還可為拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)提供過(guò)壓、過(guò)流、欠壓、過(guò)載、短路等全面的保護(hù)功能，進(jìn)一步提高采油效率，實(shí)現(xiàn)油井的合理化開(kāi)采。但油田現(xiàn)場(chǎng)使用的抽油機(jī)變頻控制產(chǎn)品多為通用型變頻器，雖然解決了工頻控制的弊端，但仍然存在一些問(wèn)題：

1）價(jià)格較貴、廠家及規(guī)格型號(hào)多種多樣，維修專業(yè)性強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)人員達(dá)不到快速維修及故障判斷能力，影響油井正常生產(chǎn)運(yùn)行。

2）采用變頻器加回饋單元，實(shí)現(xiàn)了變頻器與電網(wǎng)之間能量的反向流動(dòng)，但卻沒(méi)有解決能量由電網(wǎng)流向變頻器時(shí)功率因數(shù)低，諧波電流大的問(wèn)題。

因此，有必要自主開(kāi)發(fā)一種經(jīng)濟(jì)型抽油機(jī)低壓專用變頻器，解決上述問(wèn)題，進(jìn)一步滿足油田節(jié)能降耗的需求。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 總體功能

采用模塊化設(shè)計(jì)，運(yùn)用四象限的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，開(kāi)發(fā)抽油機(jī)專用變頻器。開(kāi)發(fā)硬件系統(tǒng)中整流、逆變、濾波等單元模塊的卡板式分體設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)板卡故障代碼的直接顯示，板卡易識(shí)別和更換，降低維修難度。開(kāi)發(fā)系統(tǒng)軟件的算法及源代碼，實(shí)現(xiàn)異步/同步電動(dòng)機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)，滿足抽油機(jī)變工況的使用要求。

2.2 總體方案

以5.5 kW抽油機(jī)變頻器為研究對(duì)象，確保核心功能的前提下，確定最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案。變頻運(yùn)行時(shí)，不但保證變頻器可靠運(yùn)行，而且保證在誤操作的情況下變頻器及電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的安全。定頻運(yùn)行下，保證電動(dòng)機(jī)可靠運(yùn)行和有效保護(hù)。電路設(shè)計(jì)在保證設(shè)備可靠運(yùn)行的前提下，盡量減少元器件的數(shù)量，減少故障點(diǎn)，提高經(jīng)濟(jì)性。

主電路分為工頻主電路和變頻主電路。各主電路之間通過(guò)三個(gè)交流接觸器實(shí)現(xiàn)電路之間的隔離和切換，保證了各主電路可靠運(yùn)行的同時(shí)保護(hù)變頻器，避免工頻電路工作時(shí)對(duì)變頻器的影響。控制電路分為工頻控制電路和變頻控制電路。工頻控制電路實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的工頻運(yùn)行，采用熱繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過(guò)載、斷路等保護(hù)；變頻控制電路主要通過(guò)中間繼電器對(duì)交流接觸器進(jìn)行順序接通和關(guān)斷，保證了變頻器運(yùn)行及非正常操作下的可靠性。如圖1、圖2所示。

圖1 主電路

該方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）四象限變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)將再生能量自動(dòng)回饋電網(wǎng)，達(dá)到更好的節(jié)能效果，并減少諧波污染。

2）裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，核心板卡式安裝方式讓維護(hù)工作簡(jiǎn)單方便；裝置預(yù)留豐富接口，可嫁接其它新產(chǎn)品、新技術(shù)，滿足用戶不同需求。

3）驅(qū)動(dòng)硬件核心板卡設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，把整流、逆變、濾波和檢測(cè)等電路設(shè)計(jì)成獨(dú)立板卡形式，統(tǒng)一二/四象限硬件電路設(shè)計(jì)，以及硬件PCB 制作和裝配工藝，根據(jù)用戶的不同需求，能夠?qū)崿F(xiàn)二/四象限驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組裝轉(zhuǎn)換。

4） 智能驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)采用DSP 技術(shù)，對(duì)SVPWM、外設(shè)接口、串行通信、A/D轉(zhuǎn)換中斷和保護(hù)等功能模塊進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)無(wú)PGS矢量和V/F控制方式自選，能夠控制異步/同步電動(dòng)機(jī)，滿足抽油機(jī)采油設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的變工況需求。

圖2 控制電路

3 DSP控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用空間矢量調(diào)制控制技術(shù)，通過(guò)DSP軟件設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生任意大小和位置的平均電壓空間矢量，空間矢量調(diào)制技術(shù)可以使得電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的控制更加接近圓形，速度更加平滑，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)更小[1-2]。

3.1 功能與總體規(guī)劃

控制系統(tǒng)主要就是對(duì)控制電路的芯片進(jìn)行編程，采用模塊化設(shè)計(jì)，大致可以分為五個(gè)模塊，分別是系統(tǒng)配置初始化模塊、ADC 采樣模塊、PWM生成模塊、SCI 通信模塊以及系統(tǒng)中斷處理模塊，圖3為主程序流程。

在主循環(huán)運(yùn)行中，定時(shí)器中斷和SCI 中斷可以實(shí)時(shí)得到響應(yīng)，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序[3]，接口指令通過(guò)輪循方式得到響應(yīng)。由于CPU沒(méi)有足夠的能力處理所有的外設(shè)中斷請(qǐng)求，為了使各中斷響應(yīng)函數(shù)能以一定的優(yōu)先級(jí)正確的執(zhí)行指令，因此需要一個(gè)專門(mén)的外設(shè)中斷擴(kuò)展控制器來(lái)控制這些外設(shè)或外部引腳來(lái)的中斷源。PIE 向量表就是一個(gè)控制器，它用于存放中斷服務(wù)程序的地址，中斷源都有自己的中斷向量[4]。DSP 進(jìn)行初始化時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)置了中斷向量表，配置了每個(gè)中斷的任務(wù)以及各個(gè)中斷處理函數(shù)的優(yōu)先級(jí)，如表1所示。在程序運(yùn)行中，PIE向量表就會(huì)被更新。

圖3 主程序流程

表1 系統(tǒng)中斷任務(wù)

PDPINTB 中斷優(yōu)先級(jí)為最高，一旦IGBT 出現(xiàn)短路，PDPINTB 引腳變?yōu)榈碗娖?，PWM 輸出引腳立刻變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，產(chǎn)生短路中斷[5]。定時(shí)器1 為4～20 mA 提供PWM 信號(hào)，定時(shí)器2 為光電編碼器計(jì)數(shù)并確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。定時(shí)器1 和2 中斷函數(shù)處理時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于定時(shí)器3，而且實(shí)時(shí)性要求較高，因此優(yōu)先級(jí)高于定時(shí)器3 中斷。定時(shí)器4 中斷用于系統(tǒng)計(jì)時(shí)，發(fā)送狀態(tài)參數(shù)，錯(cuò)誤判斷，電壓電流采樣等，程序流程如圖4所示。

圖4 定時(shí)器4中斷處理流程

開(kāi)關(guān)角度計(jì)算要求控制的實(shí)時(shí)性很高，將定時(shí)器中斷中和SCI中斷中執(zhí)行的關(guān)鍵程序拷貝到RAM中，DSP執(zhí)行指令速度的就會(huì)更快[3]。

3.2 電動(dòng)機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

通過(guò)電動(dòng)機(jī)控制部分，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)環(huán)V/F 控制變頻調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)控制部分軟件流程圖如圖5所示。利用定時(shí)器3中斷的方式實(shí)現(xiàn)周期控制，進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，首先觸發(fā)AD 轉(zhuǎn)換，以節(jié)省等待時(shí)間。為降低FLASH 功耗防止DSP 芯片過(guò)熱，將FLASH設(shè)置為休眠狀態(tài)。讀取頻率設(shè)定值并根據(jù)方向設(shè)定決定當(dāng)前運(yùn)行頻率是增加還是減少并計(jì)算當(dāng)前運(yùn)行頻率。根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行頻率，直流母線電壓值和電壓矢量幅值與角度計(jì)算開(kāi)關(guān)角度并將計(jì)算值送至比較定時(shí)器，最后激活FLASH并清除中斷標(biāo)志。

3.3 ADC采樣模塊的設(shè)計(jì)

由于DSP自帶的ADC采樣模塊的精度不高，因此采用外擴(kuò)高精度ADC采樣芯片來(lái)完成對(duì)電參數(shù)的采樣工作。同時(shí)，借助F2812 的外部接口模塊（XINTF）實(shí)現(xiàn)主控芯片對(duì)采樣數(shù)據(jù)的分析處理。

XINTF模塊的軟件設(shè)計(jì)包括總線寫(xiě)操作、讀操作兩部分。

圖5 電動(dòng)機(jī)控制部分軟件流程

1）寫(xiě)操作。當(dāng)CPU 將數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)總線上，且準(zhǔn)備好時(shí)，XINTF模塊將特定區(qū)域的片選信號(hào)線置低、寫(xiě)使能信號(hào)線置低，外設(shè)可以根據(jù)片選信號(hào)線和寫(xiě)使能信號(hào)線來(lái)判斷是否可以讀取數(shù)據(jù)[6]。

2）讀操作。采樣流程如圖6 所示。為進(jìn)一步減小誤差，采用多次采樣取平均值算法，把每一通道的連續(xù)采樣次數(shù)設(shè)置為1 000 次，然后取平均值作為每一通道采樣的最終結(jié)果[6]。

3.4 通訊部分的設(shè)計(jì)

通訊部分通過(guò)控制板DSP 的SCI 和面板單片機(jī)的SCI 外設(shè)完成設(shè)定參數(shù)、監(jiān)視參數(shù)、報(bào)警信息的傳輸。如圖7 所示，控制板作為主機(jī)，當(dāng)SCI 中斷發(fā)生后，進(jìn)入中斷處理函數(shù)，讀取參數(shù)編號(hào)及參數(shù)值，并對(duì)參數(shù)校驗(yàn)，參數(shù)處理完畢后發(fā)出握手信號(hào)以通知面板可以發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。

3.5 接口控制部分的設(shè)計(jì)

控制板接口控制部分的軟件完成的功能有：停、啟動(dòng)命令輸入，上下沖程觸發(fā)輸入，壓力傳感器電壓采樣，2 路開(kāi)關(guān)量輸入的采樣，2 路繼電器輸出的控制，1 路三極管輸出的控制，4～20 mA 輸入的ADC采樣。由于這些部分的控制實(shí)時(shí)性要求較低，因此在主控板單片機(jī)中采用在主程序中輪流查詢的方式完成。在主程序主循環(huán)中順序地根據(jù)這些功能的實(shí)施條件進(jìn)行判斷，當(dāng)條件滿足時(shí)，則對(duì)其中的一些功能進(jìn)行采樣和控制。

圖6 ADC采樣流程

圖7 SCI接受中斷函數(shù)流程

4 應(yīng)用情況

經(jīng)濟(jì)型抽油機(jī)低壓變頻器在大慶油田的北2-350-32井和北2-341-32井進(jìn)行試運(yùn)行，變頻器在使用過(guò)程中穩(wěn)定、可靠，對(duì)抽油機(jī)沖速、曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)方向的調(diào)節(jié)操作簡(jiǎn)易，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其實(shí)物見(jiàn)圖8 所示。與工頻控制柜相比，該變頻器的綜合節(jié)電率達(dá)到15%左右，具有較好的節(jié)能效果。

圖8 變頻器實(shí)物

研發(fā)的經(jīng)濟(jì)型抽油機(jī)低壓變頻器每套成本約4 000 元，類似功能的5.5 kW 變頻器市場(chǎng)采購(gòu)價(jià)約7 500元，每套可節(jié)約成本3 500元左右。按年需求量1 000 套測(cè)算，每年可降低采購(gòu)成本350 萬(wàn)元左右。

5 結(jié)論

研制的經(jīng)濟(jì)型抽油機(jī)低壓變頻器，一方面可以有效地解決目前抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的載荷過(guò)低問(wèn)題，提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，節(jié)能降耗；另一方面變頻器可方便的調(diào)參，替代了傳統(tǒng)更換皮帶輪調(diào)參方式，減小作業(yè)強(qiáng)度。相對(duì)于外購(gòu)的變頻器，自行研發(fā)的變頻器成本低、價(jià)格便宜，且能及時(shí)提供所需配件及售后服務(wù)。四象限智能驅(qū)動(dòng)方式將再生能量自動(dòng)回饋電網(wǎng)，達(dá)到更好的節(jié)能效果，并減少諧波污染；具備工頻/變頻回路及多種保護(hù)功能，運(yùn)行可靠性更高。為油田用戶提供成套的變頻抽油機(jī)采油設(shè)備時(shí)，自主研發(fā)的經(jīng)濟(jì)型抽油機(jī)低壓變頻器可直接替代外部采購(gòu)變頻器。該設(shè)備適用于工作電壓為380 V，工作頻率為50 Hz的新投產(chǎn)井和待改造老井，具有良好的推廣應(yīng)用前景。