SPWM专用发生芯片SA4828在油田节能方面的应用

高明星（大庆钻探工程公司机械修理厂）

SPWM专用发生芯片SA4828在油田节能方面的应用

高明星（大庆钻探工程公司机械修理厂）

油田电网负荷大、能耗高，决定了变频器在油田中的应用。交流变频调速技术采用了SPWM专用发生芯片SA4828，控制核心单元选用了ATMAL公司的89C52单片机，并提出了整体的技术方案和措施。以SA4828芯片为核心元件的变频技术，不但能降低油田注采系统的能耗，而且还可提高电气设备的功率因数，达到节能降耗的标准。同时，与常规的变频技术相比，使用专用大规模集成电路芯片可直接生成需要的调制信号，改变了正弦波脉宽调制(SPWM)信号查表过程中冗长的计算过程，加快了系统的响应时间，提高了控制精度。

交流变频：SPWM：SA4828芯片：节能降耗：单片机

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

油田作为一个特殊行业，有其特殊的负荷结构，以电动机、泵类负载为主，均为高耗能、功率因数低负载，因而决定了变频器在油田中的应用应以节能为第一目标。交流变频调速技术在油田中的应用主要集中在下述三个方面。

（1）拖动抽油机井的交流电动机。由于电动机转速恒定，下冲程时负荷减轻，电动机拖动产生的能量无法被负载吸引，势必会寻找能量消耗的渠道，导致电动机进入再生发电状态，将多余能量反馈到电网，引起主回路母线电压升高，进而对整个电网产生冲击，造成电网供电质量下降。

（2）电泵井的潜油电泵。电潜泵在工频启动时，启动电流大，电动机电缆压降也大，每次开机都会使电潜泵寿命大打折扣，影响其使用期限。电潜泵损坏后提到地面上修理，仅工程费一项就达5万元，价值10万元的电缆平均提上放下5次就须更换，电潜泵平均每10个月就须维修一次，维修费用约8万元，成本较高。另外，电潜泵在正常工作时，普遍存在着电动机负载率较低情况，“大马拉小车”现象严重。

（3）拖动注水泵的注水电动机。由于地质情况的变化，开关井数的增减，洗井及供水不足的影响，经常引起注水压力的波动，注水量不均匀、不稳定，注水压力控制难度大。这给油田生产和管理带来诸多不便，因而要求油田注水压力保持恒定。

上述三个问题的存在导致了油田注采系统高耗能、功率因数低下的结果。随着交流变频调速技术在油田中的应用，此类问题有了很大的改善。但是，还存在着很多不足，如何解决变频器适应多变的工作环境，提高变频器控制技术是关键。

1 基于SA4828芯片变频器的原理及硬件组成

基于SA4828芯片变频器原理如图1所示。

基于SA4828芯片变频器主要由下述四部分组成：

（1）主电路整流部分采用不可控的二极管整流电路，电源侧功率因数高，且不受逆变输出电压大小的影响。整流部分采用智能功率模块——IPM（Intelligent Power Module）。该电路将控制电路、驱动电路、保护电路、反馈传感电路集成为一个模板，这就使得主电路性能好，可靠性更高体积更小，并且由于结构紧凑，大大避免了分布参数的影响。

（2）控制电路采用专用集成电路芯片SA4828，这可以大大地减轻CPU的负担。当需要改变频率和电压时，单片机再去干预SA4828，使控制系统可以空出更多的时间用于检测和监控。数控系统的核心选用了ATMAL公司的89C52单片机，它与51系列单片机完全兼容。

（3）过载、过流检测电路采用霍尔元件。霍尔电流电压传感器模块有优越的电性能，是一种先进的能隔离主电流回路与电子控制电路的电检测元件，它综合了互感器和分流器的所有优点，克服了互感器和分流器的不足（如：互感器只适用于50Hz工频测量；分流器无法进行隔离检测）。

（4）键盘及显示部分采用专用芯片HD7279，它是具有串行接口、可同时驱动8位共阴式数码管的智能显示芯片，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。

当抽油机井或电泵井等设备的交流电动机启动时，由AT89C52单片机向SA4828发出启动指令，在SA4828的控制下IPM模块将主回路接通，进行低频启动；同时，根据霍尔元件采集到的电压、电流信号形成反馈，通过模/数转换装置将电流、电压信号转换为数字量，反馈至AT89C52单片机，进而判断当前被拖动设备的工作状态。正常工作情况下，单片机会通过电压、电流、转速、流量等信号判断当前设备的工作状态，进而通过向SA4828发出控制指令控制IPM模块的频率，由此调节电动机的转速，达到闭环控制的目的。

2 基于SA4828芯片变频技术的特点

通常产生PWM的方法是以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角形作为载波（Carrier Wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulating Wave）[1]。当调制波与载波相交时，由其交点确定逆变器开关期间的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。按照波形相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置正弦波的面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效[2]。这种调制称作正弦波脉宽调制 （Sinusoidal Plus Width Modulation,简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。

按照上述SPWM的工作原理，以前微机控制的调速系统正弦波脉宽调制信号的产生和控制多数采用查表法，这不但要求进行大量的计算而且程序冗长[3]。但随着大规模集成芯片电路的产生，正弦波脉宽调制信号的产生和控制已由查表法转向使用专用大规模集成电路芯片；因此，芯片的功能在很大程度上将影响变频调速技术产品的性能。随着技术的发展，不断推出功能更强、控制更容易的新型集成电路芯片。SA4828芯片就是一种专用于三相SPWM信号发生和控制的新型集成电路芯片。它的特点是可以单独使用，完成外围的检测、控制和保护等功能，使系统智能化。它不仅可以控制PWM的频率、方向和幅值，而且还可以控制输出的SPWM波形。该集成电路芯片是由全数字控制，载波频率最高可达24 kHz，输出调制波频率为0～4 kHz；16位调速分辨率，8位调压分辨率；可设定最小脉宽和延迟时间；输出是标准的TTL输出，每相输出都有12 mA的驱动能力。

3 软件设计思路

该变频调速系统的软件主要包括SA4828参数设定程序，电流、电压、转速、流量判定程序，键盘及显示程序等几部分。通过以上程序可以设置生成PWM波的三角载波的载波频率，设置调制波频率范围、调制波幅值、相序等参数，测量电动机的电流、电压及判断拖动设备的状态，进而实现过载、过压、欠压和过流保护，及对转速的控制等，实现人机对话。

4 结论

通过以上分析，采用SA4828芯片为核心元件的变频技术，不但能降低油田注采系统的能耗，而且还能提高电气设备的功率因数，达到节能降耗的目的。同时，与常规的变频技术相比，使用专用大规模集成电路芯片可直接生成需要的调制信号，改变正弦波脉宽调制信号查表过程中冗长的计算过程，加快系统的响应时间，提高控制精度。

[1]周克宁.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社,2004.

[2]何超.交流变频调速技术[M].北京：机械工业出版社,2009.

[3]王毅.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社,2001.

高明星，2000年毕业于哈尔滨工业大学，助理工程师，从事规划经营设备管理工作，E-mail：gaomingxing@cnpc.com.cn，地址：大庆市东湖145-5-502，163411。

2011-05-11)