智能抽油機節能器的設計

　　在我國油井抽油機的使用面廣、數量大，但抽油機的平均負荷率低，抽油機長期運行于低功率因數的情況下，其無功損耗很大，因此必須采取補償措施提高功率因素和降耗節能。通過測試，抽油機存在以下的工作狀態：首先抽油機在一個行程其負荷是大幅度地變化的，而且這種變化是相當頻繁的，同時又沒有規律；其次，抽油機電機不僅工作于電動狀態，還會工作于發電狀態，出現功率倒送的問題；另外，一臺變壓器可能帶有多口抽油機，這樣抽油機就可能遠離變壓器，這時就出現了較大的線路損耗。針對上述問題，如果用通常的方法進行功率因數的校正，無法實現這種瞬時變化功率因數的校正，必須采取一定的算法，實現實時動態的無功補償。

1 瞬時動態補償模型

　　抽油機作為電網的一個負載，它的阻抗是瞬變的，與其轉差率密切相關，但在進行動態補償時很難準確地測出轉差率。但在任一時刻電機的輸入電壓和電流是確定的，這樣可以將電機的等值阻抗作為測量等效值，其模型如圖1(a)所示。電機的運行狀態可分類如下：

　　(1)異步電機處于電動機運行狀態，電壓(Um)和電流(Im)均為正弦，且電流滯后于電壓。

　　(2)異步電機是處于發電動機狀態，則由于發出電壓的相位不能保證與電網電壓相位一致，因此電機的電流會產生畸變，又由于線路電阻的存在，加在電機上的電壓也表現出非正弦性。

　　以上2種情況均可以等效為1個電感和1個電阻的串聯，圖1(a)中Xm和rm分別為感抗和電阻，只是Xm和rm均不是常量而是隨電機運行狀態變化而變化的量。同時考慮到線路中存在電阻(設電阻為r1)，這樣要想提高功率因數，就可以采用并聯電容器的方法進行，圖1(a)中Xc就是并聯電容的容抗。通過計算電壓電流的基波及諧波的幅值和相位得到的xm和rm，r1是一個定值，由電線的規格及長度決定。通過電容補償的目的就是減少或消除無功損耗，補償后的理想模型如圖1(b)所示。此時設電動機的等效感抗為Xe=jωl，則對于n次諧波補償電容C有：

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

2 控制裝置設計

　　系統構成如圖2所示，裝置采用PIC16C74作為主控器，負責三相電壓電流的數據采集與處理以及同步信號、相序信號、缺相信號的檢測、E2PROM(93C46)讀寫操作、控制補償電容器的投切以及遠程通信。硬件主要分為以下的功能塊：看門狗電路、信號調理電路、A／D轉換電路、電容器投切控制電路、鎖相環電路、遠程通信接口電路等。

　　PIC16C74單片機采用獨立分離的數據總線和14 b指令總線的“哈佛”結構，采用33條精簡指令集，指令執行速度快，效率高，內含4 kB程序存儲器和192 B數據存儲器，3個硬件定時器，便于定時和同步，具有8路8 b A／D轉換，但因對應的端口需用于輸入輸出，所以系統中沒有使用內置的A／D。

2.1 濾波及信號調理電路

　　濾波器選用MAX274，在該系統中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轉換器的模擬輸入信號的范圍是0～+5 V，因此需要進行信號的調理。

2.2 A／D轉換電路

　　A／D轉換器選用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的采樣率同時進行6通道信號采樣。系統中使用ADS7864的6路A／D進行三相電壓和三相電流的測量，因其內部特有的并行接口與6個FIFO寄存器連接，所以便于快速、同步地采集數據。

2.3 SPI接口

　　93C46為一個存儲容量為1 024 b的E2PROM，其接口為SPI。PIC16C74提供了SPI接口，因此硬件連接非常方便。系統中使用8位結構，所以其第6引腳接地，在這種結構下，93C46有7條10位的指令，但根據需要只使用其中的EWEN，READ，WRITE指令。

2.4 補償電容器

　　系統中采用電容器組合來逼近所需補償的電容值，電容器的級別為：0.5 kV，1 kV，2 kV，4 kV，7 kV，它們可以組合成0.5～14.5 kV間隔0.5 kV共29個等級。另外在實際應用考慮到電容與頻率有關，這些參數還要進行修正。

2.5 遠程接口電路

　　為了實現油井的網絡化控制和調度，本裝置設計GSM／GPRS遠程通信模塊。裝置中通過串口將GSM／GPRS模塊與單片機相連。每過一定的時間(可以設定)向控制中心發送數據。這些數據包括三相電壓電流的信號、功率因素等。

2.6 軟件設計

　　軟件采用模塊化的結構設計方法，主要模塊包括：視始化、電壓電流采樣、FFT變換、93C46的SPI接口以及勢據的讀寫、電容器的投切控制以及遠程數據通信。

3 實測數據及其計算

　　以1臺額定功率37 kW電機作為實例，實際測量值為：電機相電壓221.82 V，電流32.29 A，負荷13.593 kW時，功率因數為0.638，補償后電機端電壓為230.2 V，線路等效電阻為1.223 Ω。

　　通過計算，電機的等效阻抗和感抗分別為4.265 Ω，5.248 Ω。未補償時為有功功率17 418 W，補償后無功功璋16 415 W，補償后有功功率16 192 W，補償后功璋因數0.9。

4 結 語

　　抽油機的工作狀態復雜，使用傳統的計算機功率因素的方法已不能全面描述有功和無功的概念。系統設計時不僅要考慮基波還要考慮諧波，抽油機的電機不僅有電動狀態，還有發電狀態。系統設計時使用單片機進行實時信號采樣與處理，并進行動態補償。通過多次實驗數據分析，該節能器不僅可以節約無功損耗、減少線路有功損耗還可以將電機處于發電狀態發出的電能，通過電容器存儲，以達到省電的目的。該節能裝置已經成功應用于江蘇油田，運行三年來性能穩定、節能效果良好。