基于可控整流的抽油機變頻控制系統

張慶軍 （大慶油田力神泵業有限公司研發中心）

基于可控整流的抽油機變頻控制系統

張慶軍 （大慶油田力神泵業有限公司研發中心）

針對抽油機驅動中出現的問題，并且考慮變頻器研制過程中不可控整流電路在工作過程中經常出現故障的情況，設計了基于可控整流的變頻控制系統。利用可控硅SCR作為整流器件，通過軟件控制可控硅的導通關斷達到整流過程的可控性。在IGBT驅動軟件設計方面采用了恒壓頻比控制策略，利用空間矢量SVPWM算法實現對電動機輸入電壓和頻率進行最優控制的目的。在控制芯片方面，采用STM32F107作為核心芯片，完成了30 kW可控整流變頻器樣機的研制。通過現場試驗證明，設計方案在抽油機節能方面具有顯著效果。

游梁式抽油機；變頻控制系統；可控整流；恒壓頻比；STM32F107；SVPWM

引言

游梁式抽油機是一種慣性矩較大的機械設備，工作時都是帶載啟動比較困難。為了滿足啟動的要求，不得不選配額定功率較大的電動機來拖動。另外，游梁式抽油機的載荷是帶有沖擊性的交變載荷，拖動游梁式抽油機的電動機穩定運轉，并具有一定的過載能力，以游梁式抽油機的最大轉矩來選配電動機，而游梁式抽油機正常工作時所需的平均功率并不大。為了防止蠟卡、砂卡等異常工況而導致燒毀電動機，還有意識地選擇更大容量的電動機來驅動抽油機，造成設備的嚴重浪費[1]。

針對目前油田應用的游梁式抽油機存在的高耗能、低效率的問題以及工作特性，研制了抽油機專用變頻器樣機；并且提出一種電動機輕載節能的控制策略，通過分析抽油機的工作原理以及PWM技術，制定了抽油機專用變頻裝置的總體技術方案。

1 硬件設計

1.1主電路設計

圖1為變頻器主電路，主要由整流部分、逆變部分和濾波系統組成[2]。其中整流部分完成交流電到直流電的過程，逆變過程完成由直流電變換到可調頻率交流電的過程，濾波系統完成直流電的存儲及波形平滑功能。整流模塊采用的是西門康公司的可控硅整流模塊SKKT106/16E。該模塊由1個橋臂2個可控硅組成。最大耐壓能夠達到1600 V。逆變模塊采用EUPEC公司的FF200R12KS4橋式IGBT模塊，其最大耐受電流為200 A，完全滿足設計30 kW變頻器的需要。

1.2IGBT驅動電路的設計

圖2為一相的IGBT驅動電路，利用該電路控制IGBT的導通關斷，從而達到控制變頻器輸出頻率可調的功能。該電路使用的驅動模塊為落木源公司的KA962模塊。該模塊具備驅動400 A大功率IGBT模塊的能力，完全滿足驅動所選擇的FF200R12KS4模塊的功能。該驅動電路具有短脈沖抑制能力，當輸入脈沖小于400 ns時不會觸發IGBT開通，可以監測過電流、欠壓以及外部輸入故障信號；當故障發生時，驅動電路通過內部的三極管將故障端拉低至GND，故障后重啟時間為60 ms。

1.3SCR驅動電路設計

圖3 為單相SCR驅動電路原理圖，實際應用中需要三路相同電路分別驅動三相可控硅電路。利用控制芯片STM32F107的I/O口PA12控制光耦PC817的導通與關斷，PC817起到形成隔離輸出側與單片機I/ O口的作用。利用兵字脈沖變壓器KCB419作為驅動SCR的驅動源，KCB419為專用可控硅觸發變壓器。

圖1 變頻系統主電路

為了控制SCR導通的順序，需要對電源相序進行判斷，從而得到計算導通順序的依據[3-4]。圖4為三相電源相序檢測電路。利用光耦PC817進行隔離強電側與進入單片機I/O口的弱電信號。

2 軟件設計

2.1SVPWM實現

圖2 單相IGBT驅動電路

圖3 SCR驅動電路

圖4 三相電源相序檢測電路

針對抽油機運行時上下沖程的特點，通過對空間矢量PWM原理的了解，針對任意空間矢量調制分別從空間矢量組合、空間矢量作用時間計算和空間矢量作用順序三方面作了分析，為SVPWM的軟件實現提供了算法支持[5]。根據以上理論確定圖5所示的SVPWM功能實現原理框圖。

2.2SCR導通關斷實現

本項目采用可控整流電路，利用SCR作為可控原件控制直流母線電壓導通關斷，如圖6所示。開機程序初始化后，根據信號檢測數據判斷當前變頻器狀態。如果正常進入相位判斷，判斷需要各相導通順序，根據導通順序以及計算出的SCR開關角度，觸發導通相應相的SCR管，根據導通順序形成所需要的直流母線電壓。如果是故障或停機狀態，將進入軟停機狀態，控制SCR關斷。

圖5 控制板主程序流程

圖6 SCR導通關斷控制框圖

3 樣機試驗

3.1可控整流實驗驗證

為了檢測可控整流在工作過程中的可靠性，利用示波器檢測單相電源輸入時SCR驅動板動作情況，實驗結果如圖7所示。由圖7可知，SCR驅動板能夠根據相位進行相依導通關斷動作。

圖7 SCR控制板相序檢測及導通控制實驗

3.2空載試驗

初步完成變頻器樣機空載試驗，其試驗系統結構如圖8所示。利用變頻器樣機直接連接22 kW電動機而不帶任何負載的情況下檢測變頻器輸出情況。圖9為利用TK示波器檢測到的線電壓波形。

圖8 空載試驗系統結構

圖9 空載試驗線電壓波形

圖10 空載試驗系統結構

現場應用抽油機變頻器后增加了產量。未用變頻器前日產液10.0 m3，而使用變頻器后日產液達到16.5 m3，產量增加了65%。另外，在增加產量的基礎上還節約了電能。工頻供電時日耗有功電能134.1 kWh，而使用抽油機變頻器后日耗電量為122.9 kWh，較原來節約電能8.3%。

4 結論

本項目針對油田應用的游梁式抽油機工作特性，在廣泛分析變頻器原理和深入研究SVPWM技術以及SCR控制技術的基礎上，研究開發了30kW抽油機專用變頻器樣機，完成了可控整流變頻系統的研制。通過空載及負載試驗，表明本系統完成了設計要求，能夠滿足抽油機工業現場需求。

[1]薄保中，姜衍智，王軍民，等.論抽油機電機的運行工況與節能[J].油氣田地面工程，2001，20（2）：23-25.

[2]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2009：43-90.

[3]陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2005：179-180.

[4]胡開埂，楊貴杰.基于DSP的三相PWM可控整流系統的設計[J].電氣應用，2007（10）：51-54.

[5]袁野，程善美，胡仙.基于STM32F103的SVPWM算法實現[J].電氣傳動自動化，2012，34（04）:1-3.

（編輯 李珊梅）

3.3現場試驗

為了驗證本設計的實用性，將樣機在現場井進行實驗。圖10為現場應用系統結構圖，通過樣機驅動功率為17kW的三相異步電動機帶動抽油機運行。

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.04.005

2016-01-07

張慶軍，工程師，2010年畢業于哈爾濱理工大學，碩士，從事電潛泵電氣控制設計工作，Email：kingg209@163.com，地址：黑龍江省大慶市薩爾圖區興北街58號，163000。