智能抽油机节能器的设计

在我国油井抽油机的使用面广、数量大，但抽油机的平均负荷率低，抽油机长期运行于低功率因数的情况下，其无功损耗很大，因此必须采取补偿措施提高功率因素和降耗节能。通过测试，抽油机存在以下的工作状态：首先抽油机在一个行程其负荷是大幅度地变化的，而且这种变化是相当频繁的，同时又没有规律；其次，抽油机电机不仅工作于电动状态，还会工作于发电状态，出现功率倒送的问题；另外，一台变压器可能带有多口抽油机，这样抽油机就可能远离变压器，这时就出现了较大的线路损耗。针对上述问题，如果用通常的方法进行功率因数的校正，无法实现这种瞬时变化功率因数的校正，必须采取一定的算法，实现实时动态的无功补偿。

　　1 瞬时动态补偿模型

　　抽油机作为电网的一个负载，它的阻抗是瞬变的，与其转差率密切相关，但在进行动态补偿时很难准确地测出转差率。但在任一时刻电机的输入电压和电流是确定的，这样可以将电机的等值阻抗作为测量等效值，其模型如图1(a)所示。电机的运行状态可分类如下：

　　(1)异步电机处于电动机运行状态，电压(Um)和电流(Im)均为正弦，且电流滞后于电压。

　　(2)异步电机是处于发电动机状态，则由于发出电压的相位不能保证与电网电压相位一致，因此电机的电流会产生畸变，又由于线路电阻的存在，加在电机上的电压也表现出非正弦性。

　　以上2种情况均可以等效为1个电感和1个电阻的串联，图1(a)中Xm和rm分别为感抗和电阻，只是Xm和rm均不是常量而是随电机运行状态变化而变化的量。同时考虑到线路中存在电阻(设电阻为r1)，这样要想提高功率因数，就可以采用并联电容器的方法进行，图1(a)中Xc就是并联电容的容抗。通过计算电压电流的基波及谐波的幅值和相位得到的xm和rm，r1是一个定值，由电线的规格及长度决定。通过电容补偿的目的就是减少或消除无功损耗，补偿后的理想模型如图1(b)所示。此时设电动机的等效感抗为Xe=jωl，则对于n次谐波补偿电容C有：

　　可见补偿电容值不仅与电机的等效电阻、电感有关，还与谐波之间有关系，谐波次数越高需要的补偿电容越小。但必须注意，在谐波较大时，不能一味追求功率因数，而应从综合效率上考虑。

　　2 控制装置设计

　　系统构成如图2所示，装置采用PIC16C74作为主控器，负责三相电压电流的数据采集与处理以及同步信号、相序信号、缺相信号的检测、E2PROM(93C46)读写操作、控制补偿电容器的投切以及远程通信。硬件主要分为以下的功能块：看门狗电路、信号调理电路、A／D转换电路、电容器投切控制电路、锁相环电路、远程通信接口电路等。

　　PIC16C74单片机采用独立分离的数据总线和14 b指令总线的"哈佛"结构，采用33条精简指令集，指令执行速度快，效率高，内含4 kB程序存储器和192 B数据存储器，3个硬件定时器，便于定时和同步，具有8路8 b A／D转换，但因对应的端口需用于输入输出，所以系统中没有使用内置的A／D。

　　2.1 滤波及信号调理电路

　　滤波器选用MAX274，在该系统中MAX274用作4阶低通滤波器。滤波器输出信号的范围为-5～+5 V，而A／D转换器的模拟输入信号的范围是0～+5 V，因此需要进行信号的调理。

　　2.2 A／D转换电路

　　A／D转换器选用ADS7864，它具有6通道全差分输入的双12位的的A／D，良好共模抑制比，能以500 kHz的采样率同时进行6通道信号采样。系统中使用ADS7864的6路A／D进行三相电压和三相电流的测量，因其内部特有的并行接口与6个FIFO寄存器连接，所以便于快速、同步地采集数据。

　　2.3 SPI接口

　　93C46为一个存储容量为1 024 b的E2PROM，其接口为SPI。PIC16C74提供了SPI接口，因此硬件连接非常方便。系统中使用8位结构，所以其第6引脚接地，在这种结构下，93C46有7条10位的指令，但根据需要只使用其中的EWEN，READ，WRITE指令。

　　2.4 补偿电容器

　　系统中采用电容器组合来逼近所需补偿的电容值，电容器的级别为：0.5 kV，1 kV，2 kV，4 kV，7 kV，它们可以组合成0.5～14.5 kV间隔0.5 kV共29个等级。另外在实际应用考虑到电容与频率有关，这些参数还要进行修正。

　　2.5 远程接口电路

　　为了实现油井的网络化控制和调度，本装置设计GSM／GPRS远程通信模块。装置中通过串口将GSM／GPRS模块与单片机相连。每过一定的时间(可以设定)向控制中心发送数据。这些数据包括三相电压电流的信号、功率因素等。

　　2.6 软件设计

软件采用模块化的结构设计方法，主要模块包括：视始化、电压电流采样、FFT变换、93C46的SPI接口以及势据的读写、电容器的投切控制以及远程数据通信。

　　3 实测数据及其计算

　　以1台额定功率37 kW电机作为实例，实际测量值为：电机相电压221.82 V，电流32.29 A，负荷13.593 kW时，功率因数为0.638，补偿后电机端电压为230.2 V，线路等效电阻为1.223 Ω。

　　通过计算，电机的等效阻抗和感抗分别为4.265 Ω，5.248 Ω。未补偿时为有功功率17 418 W，补偿后无功功璋16 415 W，补偿后有功功率16 192 W，补偿后功璋因数0.9。

　　4 结 语

　　抽油机的工作状态复杂，使用传统的计算机功率因素的方法已不能全面描述有功和无功的概念。系统设计时不仅要考虑基波还要考虑谐波，抽油机的电机不仅有电动状态，还有发电状态。系统设计时使用单片机进行实时信号采样与处理，并进行动态补偿。通过多次实验数据分析，该节能器不仅可以节约无功损耗、减少线路有功损耗还可以将电机处于发电状态发出的电能，通过电容器存储，以达到省电的目的。该节能装置已经成功应用于江苏油田，运行三年来性能稳定、节能效果良好。