SPWM專用發生芯片SA4828在油田節能方面的應用

高明星（大慶鉆探工程公司機械修理廠）

SPWM專用發生芯片SA4828在油田節能方面的應用

高明星（大慶鉆探工程公司機械修理廠）

油田電網負荷大、能耗高，決定了變頻器在油田中的應用。交流變頻調速技術采用了SPWM專用發生芯片SA4828，控制核心單元選用了ATMAL公司的89C52單片機，并提出了整體的技術方案和措施。以SA4828芯片為核心元件的變頻技術，不但能降低油田注采系統的能耗，而且還可提高電氣設備的功率因數，達到節能降耗的標準。同時，與常規的變頻技術相比，使用專用大規模集成電路芯片可直接生成需要的調制信號，改變了正弦波脈寬調制(SPWM)信號查表過程中冗長的計算過程，加快了系統的響應時間，提高了控制精度。

交流變頻：SPWM：SA4828芯片：節能降耗：單片機

D O I:10.3969/j.i ssn.2095-1493.2011.05.010

油田作為一個特殊行業，有其特殊的負荷結構，以電動機、泵類負載為主，均為高耗能、功率因數低負載，因而決定了變頻器在油田中的應用應以節能為第一目標。交流變頻調速技術在油田中的應用主要集中在下述三個方面。

（1）拖動抽油機井的交流電動機。由于電動機轉速恒定，下沖程時負荷減輕，電動機拖動產生的能量無法被負載吸引，勢必會尋找能量消耗的渠道，導致電動機進入再生發電狀態，將多余能量反饋到電網，引起主回路母線電壓升高，進而對整個電網產生沖擊，造成電網供電質量下降。

（2）電泵井的潛油電泵。電潛泵在工頻啟動時，啟動電流大，電動機電纜壓降也大，每次開機都會使電潛泵壽命大打折扣，影響其使用期限。電潛泵損壞后提到地面上修理，僅工程費一項就達5萬元，價值10萬元的電纜平均提上放下5次就須更換，電潛泵平均每10個月就須維修一次，維修費用約8萬元，成本較高。另外，電潛泵在正常工作時，普遍存在著電動機負載率較低情況，“大馬拉小車”現象嚴重。

（3）拖動注水泵的注水電動機。由于地質情況的變化，開關井數的增減，洗井及供水不足的影響，經常引起注水壓力的波動，注水量不均勻、不穩定，注水壓力控制難度大。這給油田生產和管理帶來諸多不便，因而要求油田注水壓力保持恒定。

上述三個問題的存在導致了油田注采系統高耗能、功率因數低下的結果。隨著交流變頻調速技術在油田中的應用，此類問題有了很大的改善。但是，還存在著很多不足，如何解決變頻器適應多變的工作環境，提高變頻器控制技術是關鍵。

1 基于SA4828芯片變頻器的原理及硬件組成

基于SA4828芯片變頻器原理如圖1所示。

基于SA4828芯片變頻器主要由下述四部分組成：

（1）主電路整流部分采用不可控的二極管整流電路，電源側功率因數高，且不受逆變輸出電壓大小的影響。整流部分采用智能功率模塊——IPM（Intelligent Power Module）。該電路將控制電路、驅動電路、保護電路、反饋傳感電路集成為一個模板，這就使得主電路性能好，可靠性更高體積更小，并且由于結構緊湊，大大避免了分布參數的影響。

（2）控制電路采用專用集成電路芯片SA4828，這可以大大地減輕CPU的負擔。當需要改變頻率和電壓時，單片機再去干預SA4828，使控制系統可以空出更多的時間用于檢測和監控。數控系統的核心選用了ATMAL公司的89C52單片機，它與51系列單片機完全兼容。

（3）過載、過流檢測電路采用霍爾元件。霍爾電流電壓傳感器模塊有優越的電性能，是一種先進的能隔離主電流回路與電子控制電路的電檢測元件，它綜合了互感器和分流器的所有優點，克服了互感器和分流器的不足（如：互感器只適用于50Hz工頻測量；分流器無法進行隔離檢測）。

（4）鍵盤及顯示部分采用專用芯片HD7279，它是具有串行接口、可同時驅動8位共陰式數碼管的智能顯示芯片，單片即可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能。

當抽油機井或電泵井等設備的交流電動機啟動時，由AT89C52單片機向SA4828發出啟動指令，在SA4828的控制下IPM模塊將主回路接通，進行低頻啟動；同時，根據霍爾元件采集到的電壓、電流信號形成反饋，通過模/數轉換裝置將電流、電壓信號轉換為數字量，反饋至AT89C52單片機，進而判斷當前被拖動設備的工作狀態。正常工作情況下，單片機會通過電壓、電流、轉速、流量等信號判斷當前設備的工作狀態，進而通過向SA4828發出控制指令控制IPM模塊的頻率，由此調節電動機的轉速，達到閉環控制的目的。

2 基于SA4828芯片變頻技術的特點

通常產生PWM的方法是以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角形作為載波（Carrier Wave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調制波（Modulating Wave）[1]。當調制波與載波相交時，由其交點確定逆變器開關期間的通斷時刻，從而獲得在正弦調制波的半個周期內呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。按照波形相等的原則，每一個矩形波的面積與相應位置正弦波的面積相等，因而這個序列的矩形波與期望的正弦波等效[2]。這種調制稱作正弦波脈寬調制 （Sinusoidal Plus Width Modulation,簡稱SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波。

按照上述SPWM的工作原理，以前微機控制的調速系統正弦波脈寬調制信號的產生和控制多數采用查表法，這不但要求進行大量的計算而且程序冗長[3]。但隨著大規模集成芯片電路的產生，正弦波脈寬調制信號的產生和控制已由查表法轉向使用專用大規模集成電路芯片；因此，芯片的功能在很大程度上將影響變頻調速技術產品的性能。隨著技術的發展，不斷推出功能更強、控制更容易的新型集成電路芯片。SA4828芯片就是一種專用于三相SPWM信號發生和控制的新型集成電路芯片。它的特點是可以單獨使用，完成外圍的檢測、控制和保護等功能，使系統智能化。它不僅可以控制PWM的頻率、方向和幅值，而且還可以控制輸出的SPWM波形。該集成電路芯片是由全數字控制，載波頻率最高可達24 kHz，輸出調制波頻率為0～4 kHz；16位調速分辨率，8位調壓分辨率；可設定最小脈寬和延遲時間；輸出是標準的TTL輸出，每相輸出都有12 mA的驅動能力。

3 軟件設計思路

該變頻調速系統的軟件主要包括SA4828參數設定程序，電流、電壓、轉速、流量判定程序，鍵盤及顯示程序等幾部分。通過以上程序可以設置生成PWM波的三角載波的載波頻率，設置調制波頻率范圍、調制波幅值、相序等參數，測量電動機的電流、電壓及判斷拖動設備的狀態，進而實現過載、過壓、欠壓和過流保護，及對轉速的控制等，實現人機對話。

4 結論

通過以上分析，采用SA4828芯片為核心元件的變頻技術，不但能降低油田注采系統的能耗，而且還能提高電氣設備的功率因數，達到節能降耗的目的。同時，與常規的變頻技術相比，使用專用大規模集成電路芯片可直接生成需要的調制信號，改變正弦波脈寬調制信號查表過程中冗長的計算過程，加快系統的響應時間，提高控制精度。

[1]周克寧.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社,2004.

[2]何超.交流變頻調速技術[M].北京：機械工業出版社,2009.

[3]王毅.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社,2001.

高明星，2000年畢業于哈爾濱工業大學，助理工程師，從事規劃經營設備管理工作，E-mail：gaomingxing@cnpc.com.cn，地址：大慶市東湖145-5-502，163411。

2011-05-11)