抽油機變頻節能控制實驗平臺開發

李祥林， 張加勝， 馬文忠， 馮興田

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院， 山東 青島 266580)

抽油機變頻節能控制實驗平臺開發

李祥林， 張加勝， 馬文忠， 馮興田

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院， 山東 青島 266580)

根據游梁式抽油機的工作特點，開發了一套抽油機變頻節能控制實驗平臺。該實驗平臺基于交-直-交變換主電路，以dsPIC30F4011為控制核心，采用正弦波脈寬調制控制技術實現抽油機軟啟停，以及根據汲油率進行上、下沖程變頻調速控制和“倒發電”時的饋能吸收再利用，從而達到節能增效的目的。該實驗平臺集成了開關電源、控制單元、鍵盤顯示、檢測與保護和功率模塊驅動等功能單元，綜合應用了電力電子、交流調速及計算機測控等相關專業知識，有助于學生深入學習和理解變頻節能技術在抽油機采油中的應用及其控制系統設計方法，有利于培養和提高學生的工程實踐能力。

抽油機； 變頻節能； SPWM控制； 實驗平臺

隨著電力電子學、計算機和自動控制理論技術的不斷發展，交流電機的調速技術近年來發展迅猛[1]。交流調速技術是一門橫跨電力、電子、電機、計算機和現代控制理論的新興綜合技術，特別是近年來隨著高頻大功率全控型電力電子器件及功率集成模塊的問世，交流調速技術的發展進入了一個嶄新的階段[2-3]。基于交流調速技術及大功率電力電子器件實現的電機軟啟停和變頻控制，在很大程度上能夠實現節能增效的目的，具有很高的經濟實用價值[4-5]。

游梁式抽油機以結構簡單、耐用、維修方便等優點，一直以來占據著油田采油設備的主導地位[6]，但在實際應用中，存在“大馬拉小車”“倒發電”和能耗高等問題。此外，隨著地下原油開采過程的不斷進行，油井滲透率和抽油載荷會發生變化，抽油機電機若一直運行于工頻狀態，而不根據井況適當調整沖次和沖程時間，會大大降低整機效率和汲油率[7]。

為了使本專業學生熟悉抽油機工作特性、增強工程實踐能力，本文設計了抽油機變頻節能控制實驗平臺，將交流變頻調速技術應用到抽油機驅動用異步電機控制中，不但能夠實現抽油機軟啟停，而且能夠根據汲油率變化方便地實現變頻調速(改變沖次和沖程時間)，達到節能增效的目的。該實驗平臺綜合運用了電力電子、交流調速及計算機測控等相關專業知識，有助于石油院校的電氣工程及其自動化等相關專業的學生深入學習和理解變頻節能技術在抽油機采油中的應用及其控制系統設計方法[8-9]，有助于學生掌握抽油機的工作特點，有利于培養和提高學生的工程實踐能力以及解決現場實際問題的能力。

1 游梁式抽油機的工作特點

游梁式抽油機所承受的是一種周期性交變且帶有沖擊性的載荷，所需啟動轉矩大，在配備驅動電機時，應使電機的額定功率有足夠的裕量，以保證電機帶載啟動時能夠克服較大的慣性扭矩。但在抽油機啟動完成后的運行過程中，電機大部分時間都處于輕載狀態，即出現所謂的“大馬拉小車”現象。

游梁式抽油機使用的是四連桿機構，整機像一架天平，兩端分別是抽油載荷和平衡配重。隨著地下原油的開采，同口油井抽油載荷是不斷變化的，而平衡配重不可能時刻保持與抽油載荷變化一致。在一個沖次內，會存在不同程度的電機“倒發電”現象，即電機被曲柄拖動使其轉速高于同步速而變為發電機，“倒發電”產生的能量回饋到電網，對電網造成嚴重污染。

此外，在采油過程中，針對不同井況，為了提高汲油率，需要調節抽油機的上、下沖程時間，常用的措施是為抽油機配備相應的變速箱，這種機械式的變速箱安裝繁瑣，維護復雜，且調節沖程時間不準確。

一方面為有針對性地解決游梁式抽油機所存在的上述問題，另一方面為將實驗教學與現場實際問題相結合，真正提高學生的工程實踐能力[10-11]，本文設計了抽油機變頻節能控制實驗平臺。該實驗平臺能夠實現抽油機軟啟停，利于降低所需配備驅動電機的功率裕量；能夠通過變頻調速分別調節抽油機的上、下沖程時間，提高原油采收率；能夠將“倒發電”產生的能量暫存在直流側電容上，在下一沖次再被有效利用，真正實現抽油機的節能增效穩定運行。

2 實驗平臺設計

整個實驗平臺由主電路和控制電路兩部分組成，采用功能單元模塊化設計，各功能單元協調配合實現系統的控制、調參、顯示、檢測和故障保護等功能，系統結構框圖如圖1所示。主電路由不控整流單元和功率模塊逆變單元組成，控制電路則主要包括基于dsPIC30F4011控制單元、鍵盤和顯示單元、功率模塊驅動單元和檢測保護單元等。

圖1 抽油機變頻節能控制實驗平臺總體結構框圖

2.1 主電路設計

系統主電路采用圖2所示的交-直-交電壓型逆變電路，整流單元為三相橋式二極管不控整流電路(二極管型號ZXQ55-12, 55A/1200V)，能夠提高交流輸入側的功率因數；逆變單元為大功率全控型開關器件構成的三相橋式逆變電路，本實驗平臺采用智能功率模塊IPM(intelligent power module)型號PM75RLA120, 75 A/1 200 V。直流側并聯的大容量電容C1和C2一方面能夠緩沖無功能量，另一方面可暫存電機“倒發電”回饋的能量，成為儲能單元。圖中電阻R2和R3為均壓電阻，起平衡電容兩端電壓的作用。電阻R1(波紋管電阻:20 Ω/50 W)為主電路上電時的充電限流電阻，正常運行時通過晶閘管T1(型號KZQ100-12, 100 A/1 200 V)使其退出，既保護該電阻又能降低功耗。

2.2 dsPIC30F4011控制單元

整個控制電路的微處理器采用美國Microchip公司生產的電機控制專用芯片dsPIC30F4011，該控制芯片具有指令集小、低功耗、高速度、抗干擾能力強等優點[12]。基于SPWM控制技術，dsPIC30F4011控制單元能夠連續不斷地輸出控制信號，經驅動單元驅動功率模塊開關器件的通斷，控制電機的運行。同時，該控制單元還接收各類檢測信號和鍵盤操作信號，負責參數調整、數據處理和實時顯示，并對整個系統的工作狀態進行綜合判斷，實施相應的控制策略，保證系統穩定可靠運行。圖3為該實驗平臺的控制單元電路板實物圖，整個控制電路所需低壓電源由專門設計的單端反激式開關電源提供。

2.3 鍵盤及顯示單元

鍵盤及顯示部分是整個控制系統的人機交互平臺，操作員可以通過按鍵操作設置系統參數。圖4為系統設計的鍵盤及顯示單元的電路板及控制面板實物，除了復位、運行和停機鍵外，通過面板上的增加鍵、減小鍵、功能鍵和確認鍵，實現功能參數選擇和數值設定。

圖2 系統主電路設計

圖3 控制單元電路板實物圖

2.4 功率模塊驅動單元

主電路中的逆變單元采用智能功率模塊PM75RLA120，與IGBT相比，該功率模塊內部已集成高性能驅動電路，控制單元發出的正弦波脈寬調制控制信號，只需經過高速光耦(型號 HCPL4504)隔離后便可直接送入，簡單的驅動接口電路提高了功率模塊工作的穩定性。以U相上橋臂開關管為例，圖5(a)給出了對應驅動接口電路原理圖，圖5(b)為系統設計的功率模塊驅動電路板實物圖。

圖4 鍵盤及顯示單元實物圖

圖5 功率模塊PM75RLA120驅動接口電路

2.5 檢測保護單元

檢測單元主要包括主電路直流側電壓檢測、逆變單元電流的檢測和上、下沖程位置的檢測。當發生過壓或過流故障時，檢測電路能夠及時將故障信號送給控制單元，軟、硬件雙重保護，實現快速停機，從而避免主電路開關器件和直流側電容損壞。上、下沖程位置檢測則為一個沖次內上、下沖程速度的調節提供位置參考信號。根據油井井況改變上、下沖程運行速度的目的是為提高泵效，增加原油采收率。以過流檢測為例，圖6為其電路原理圖，通過霍爾元件檢測電機側三相電流并轉化為電壓信號，當其中任一相過流都會觸發光耦隔離電路，輸出過流故障信號。此部分過流檢測、過壓檢測及上、下沖程位置檢測電路均已集成在圖3所示的控制單元電路板上。

圖6 過流檢測電路原理圖

3 實驗過程設計

我校電氣實驗室中已配備有8套抽油機實驗模型，如圖7所示，每套均可配置變頻節能控制平臺。圖8為裝配好的控制實驗臺前面板。實驗設計為4人一組，可同時滿足一個自然班進行實驗。實驗過程設計如下：首先在主電路不通電的情況下，給控制電路通電，學生分工完成開關電源測試和控制面板參數設定操作；然后按下運行鍵，此時只啟動控制系統，學生需要完成控制單元SPWM控制輸出信號檢測、功率模塊驅動信號測試、人為給定故障信號時的停機保護、根據井況在線實時運行參數調整等；上述工作完成后，給主電路上電，此時進行抽油機帶載啟動和負載運行實驗測試，主要包括軟啟動實驗、根據汲油率調節上、下沖程時間、“倒發電”能量回饋暫存及再利用實驗等。圖9為電機運行頻率45 Hz時，通過高壓隔離器降壓后采集的相電壓及線電流波形，可見三相橋式逆變電路采用兩點式SPWM控制得到的輸出相電壓為五電平PWM波。

圖7 抽油機實驗模型圖

圖8 控制實驗臺前面板圖

圖9 電機側輸入電壓及電流波形

4 結語

本文為石油院校電氣工程專業設計了一套抽油機變頻節能控制實驗平臺。該實驗平臺能夠實現抽油機軟啟停、實時變頻調速節能增效控制、“倒發電”饋能再利用等實驗，能夠服務于我校電氣工程專業的“電機控制綜合實踐”課程，還能為后期抽油機群控綜合實驗的設立奠定基礎。該實驗平臺有助于石油院校電氣工程等專業的學生深入了解抽油機的工作特點、學習交流變頻調速技術在油田采油中的應用、掌握電機驅動控制系統設計方法，有利于培養和提高學生的工程實踐能力和解決現場實際問題的能力，為他們將來更快更好地適應石油領域崗位工作提供基礎。

References)

[1] 陳伯時, 陳敏遜. 交流調速系統[M]. 北京: 機械工業出版社, 2013.

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[3] 孫鐵成, 韓景薇, 劉策, 等. 基于PC機控制的交流變頻調速實驗平臺設計[J]. 實驗技術與管理, 2012,29(8):55-60.

[4] 馮興田, 張加勝, 劉希臣. 數控式電機軟起動綜合實驗平臺建設與管理[J]. 實驗技術與管理, 2014,31(8):92-95.

[5] 王玉彬, 馬文忠. 異步電動機動態節能綜合實驗平臺研制[J]. 實驗技術與管理, 2016,33(6):77-81.

[6] 張學魯, 季祥云, 羅仁全. 游梁式抽油機技術與應用[M]. 北京: 石油工業出版社, 2001.

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[11] 王春鳳, 薛文軒. 變頻器拖動異步電機調速實驗[J]. 實驗技術與管理, 2014,31(10):86-88.

[12] 劉和平. dsPIC通用數字信號控制器原理及應用—基于dsPIC30F系列[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2007.

Development of experimental platform for frequency conversion and energy-saving control of pumping unit

Li Xianglin, Zhang Jiasheng, Ma Wenzhong, Feng Xingtian

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

According to the working characteristics of the beam pumping unit, an experimental platform for frequency energy-saving control of the pumping unit is developed. This experimental platform is based on AC-DC-AC conversion main circuit, and the dsPIC30F4011 is used as the control core. By using SPWM(sinusoidal pulse-width modulation) control technology, the designed experimental platform can realize the soft start and stop of the pumping unit. According to the oil extraction rate, the upper and lower stroke frequency control is conducted, and the absorption and reuse of the energy from “Reversed power generation” are realized so as to achieve the purpose of energy saving and efficiency. This experimental platform integrates the following functional units together: the switching power supply, the control unit, the keyboard and display, detection and protection, the power module driver, etc. The comprehensive application of the related professional knowledge about power electronics, AC speed control, computer measurement and control, etc., is conducted, which can help the students to learn and understand deeply the frequency conversion and energy-saving technology applied to the oil extraction and the design method of the control system, and can also help cultivate and improve their engineering practical ability.

pumping unit; frequency energy-saving; SPWM control; experimental platform

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.024

2016-12-26

國家自然科學基金青年基金項目(51507191)；中國石油大學(華東)重大教學改革項目(JY-A201401)；中國石油大學(華東)教學改革項目(JY-B201612)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(15CX02113A)

李祥林(1984—)，男，山東泰安，博士，講師，主要從事電機分析設計與控制的教學與研究.

E-mail：xianglinli@upc.edu.cn

TM301.2；G484

A

1002-4956(2017)06-0097-05