抽油机变频节能控制实验平台开发

李祥林， 张加胜， 马文忠， 冯兴田

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院， 山东 青岛 266580)

抽油机变频节能控制实验平台开发

李祥林， 张加胜， 马文忠， 冯兴田

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院， 山东 青岛 266580)

根据游梁式抽油机的工作特点，开发了一套抽油机变频节能控制实验平台。该实验平台基于交-直-交变换主电路，以dsPIC30F4011为控制核心，采用正弦波脉宽调制控制技术实现抽油机软启停，以及根据汲油率进行上、下冲程变频调速控制和“倒发电”时的馈能吸收再利用，从而达到节能增效的目的。该实验平台集成了开关电源、控制单元、键盘显示、检测与保护和功率模块驱动等功能单元，综合应用了电力电子、交流调速及计算机测控等相关专业知识，有助于学生深入学习和理解变频节能技术在抽油机采油中的应用及其控制系统设计方法，有利于培养和提高学生的工程实践能力。

抽油机； 变频节能； SPWM控制； 实验平台

随着电力电子学、计算机和自动控制理论技术的不断发展，交流电机的调速技术近年来发展迅猛[1]。交流调速技术是一门横跨电力、电子、电机、计算机和现代控制理论的新兴综合技术，特别是近年来随着高频大功率全控型电力电子器件及功率集成模块的问世，交流调速技术的发展进入了一个崭新的阶段[2-3]。基于交流调速技术及大功率电力电子器件实现的电机软启停和变频控制，在很大程度上能够实现节能增效的目的，具有很高的经济实用价值[4-5]。

游梁式抽油机以结构简单、耐用、维修方便等优点，一直以来占据着油田采油设备的主导地位[6]，但在实际应用中，存在“大马拉小车”“倒发电”和能耗高等问题。此外，随着地下原油开采过程的不断进行，油井渗透率和抽油载荷会发生变化，抽油机电机若一直运行于工频状态，而不根据井况适当调整冲次和冲程时间，会大大降低整机效率和汲油率[7]。

为了使本专业学生熟悉抽油机工作特性、增强工程实践能力，本文设计了抽油机变频节能控制实验平台，将交流变频调速技术应用到抽油机驱动用异步电机控制中，不但能够实现抽油机软启停，而且能够根据汲油率变化方便地实现变频调速(改变冲次和冲程时间)，达到节能增效的目的。该实验平台综合运用了电力电子、交流调速及计算机测控等相关专业知识，有助于石油院校的电气工程及其自动化等相关专业的学生深入学习和理解变频节能技术在抽油机采油中的应用及其控制系统设计方法[8-9]，有助于学生掌握抽油机的工作特点，有利于培养和提高学生的工程实践能力以及解决现场实际问题的能力。

1 游梁式抽油机的工作特点

游梁式抽油机所承受的是一种周期性交变且带有冲击性的载荷，所需启动转矩大，在配备驱动电机时，应使电机的额定功率有足够的裕量，以保证电机带载启动时能够克服较大的惯性扭矩。但在抽油机启动完成后的运行过程中，电机大部分时间都处于轻载状态，即出现所谓的“大马拉小车”现象。

游梁式抽油机使用的是四连杆机构，整机像一架天平，两端分别是抽油载荷和平衡配重。随着地下原油的开采，同口油井抽油载荷是不断变化的，而平衡配重不可能时刻保持与抽油载荷变化一致。在一个冲次内，会存在不同程度的电机“倒发电”现象，即电机被曲柄拖动使其转速高于同步速而变为发电机，“倒发电”产生的能量回馈到电网，对电网造成严重污染。

此外，在采油过程中，针对不同井况，为了提高汲油率，需要调节抽油机的上、下冲程时间，常用的措施是为抽油机配备相应的变速箱，这种机械式的变速箱安装繁琐，维护复杂，且调节冲程时间不准确。

一方面为有针对性地解决游梁式抽油机所存在的上述问题，另一方面为将实验教学与现场实际问题相结合，真正提高学生的工程实践能力[10-11]，本文设计了抽油机变频节能控制实验平台。该实验平台能够实现抽油机软启停，利于降低所需配备驱动电机的功率裕量；能够通过变频调速分别调节抽油机的上、下冲程时间，提高原油采收率；能够将“倒发电”产生的能量暂存在直流侧电容上，在下一冲次再被有效利用，真正实现抽油机的节能增效稳定运行。

2 实验平台设计

整个实验平台由主电路和控制电路两部分组成，采用功能单元模块化设计，各功能单元协调配合实现系统的控制、调参、显示、检测和故障保护等功能，系统结构框图如图1所示。主电路由不控整流单元和功率模块逆变单元组成，控制电路则主要包括基于dsPIC30F4011控制单元、键盘和显示单元、功率模块驱动单元和检测保护单元等。

图1 抽油机变频节能控制实验平台总体结构框图

2.1 主电路设计

系统主电路采用图2所示的交-直-交电压型逆变电路，整流单元为三相桥式二极管不控整流电路(二极管型号ZXQ55-12, 55A/1200V)，能够提高交流输入侧的功率因数；逆变单元为大功率全控型开关器件构成的三相桥式逆变电路，本实验平台采用智能功率模块IPM(intelligent power module)型号PM75RLA120, 75 A/1 200 V。直流侧并联的大容量电容C1和C2一方面能够缓冲无功能量，另一方面可暂存电机“倒发电”回馈的能量，成为储能单元。图中电阻R2和R3为均压电阻，起平衡电容两端电压的作用。电阻R1(波纹管电阻:20 Ω/50 W)为主电路上电时的充电限流电阻，正常运行时通过晶闸管T1(型号KZQ100-12, 100 A/1 200 V)使其退出，既保护该电阻又能降低功耗。

2.2 dsPIC30F4011控制单元

整个控制电路的微处理器采用美国Microchip公司生产的电机控制专用芯片dsPIC30F4011，该控制芯片具有指令集小、低功耗、高速度、抗干扰能力强等优点[12]。基于SPWM控制技术，dsPIC30F4011控制单元能够连续不断地输出控制信号，经驱动单元驱动功率模块开关器件的通断，控制电机的运行。同时，该控制单元还接收各类检测信号和键盘操作信号，负责参数调整、数据处理和实时显示，并对整个系统的工作状态进行综合判断，实施相应的控制策略，保证系统稳定可靠运行。图3为该实验平台的控制单元电路板实物图，整个控制电路所需低压电源由专门设计的单端反激式开关电源提供。

2.3 键盘及显示单元

键盘及显示部分是整个控制系统的人机交互平台，操作员可以通过按键操作设置系统参数。图4为系统设计的键盘及显示单元的电路板及控制面板实物，除了复位、运行和停机键外，通过面板上的增加键、减小键、功能键和确认键，实现功能参数选择和数值设定。

图2 系统主电路设计

图3 控制单元电路板实物图

2.4 功率模块驱动单元

主电路中的逆变单元采用智能功率模块PM75RLA120，与IGBT相比，该功率模块内部已集成高性能驱动电路，控制单元发出的正弦波脉宽调制控制信号，只需经过高速光耦(型号 HCPL4504)隔离后便可直接送入，简单的驱动接口电路提高了功率模块工作的稳定性。以U相上桥臂开关管为例，图5(a)给出了对应驱动接口电路原理图，图5(b)为系统设计的功率模块驱动电路板实物图。

图4 键盘及显示单元实物图

图5 功率模块PM75RLA120驱动接口电路

2.5 检测保护单元

检测单元主要包括主电路直流侧电压检测、逆变单元电流的检测和上、下冲程位置的检测。当发生过压或过流故障时，检测电路能够及时将故障信号送给控制单元，软、硬件双重保护，实现快速停机，从而避免主电路开关器件和直流侧电容损坏。上、下冲程位置检测则为一个冲次内上、下冲程速度的调节提供位置参考信号。根据油井井况改变上、下冲程运行速度的目的是为提高泵效，增加原油采收率。以过流检测为例，图6为其电路原理图，通过霍尔元件检测电机侧三相电流并转化为电压信号，当其中任一相过流都会触发光耦隔离电路，输出过流故障信号。此部分过流检测、过压检测及上、下冲程位置检测电路均已集成在图3所示的控制单元电路板上。

图6 过流检测电路原理图

3 实验过程设计

我校电气实验室中已配备有8套抽油机实验模型，如图7所示，每套均可配置变频节能控制平台。图8为装配好的控制实验台前面板。实验设计为4人一组，可同时满足一个自然班进行实验。实验过程设计如下：首先在主电路不通电的情况下，给控制电路通电，学生分工完成开关电源测试和控制面板参数设定操作；然后按下运行键，此时只启动控制系统，学生需要完成控制单元SPWM控制输出信号检测、功率模块驱动信号测试、人为给定故障信号时的停机保护、根据井况在线实时运行参数调整等；上述工作完成后，给主电路上电，此时进行抽油机带载启动和负载运行实验测试，主要包括软启动实验、根据汲油率调节上、下冲程时间、“倒发电”能量回馈暂存及再利用实验等。图9为电机运行频率45 Hz时，通过高压隔离器降压后采集的相电压及线电流波形，可见三相桥式逆变电路采用两点式SPWM控制得到的输出相电压为五电平PWM波。

图7 抽油机实验模型图

图8 控制实验台前面板图

图9 电机侧输入电压及电流波形

4 结语

本文为石油院校电气工程专业设计了一套抽油机变频节能控制实验平台。该实验平台能够实现抽油机软启停、实时变频调速节能增效控制、“倒发电”馈能再利用等实验，能够服务于我校电气工程专业的“电机控制综合实践”课程，还能为后期抽油机群控综合实验的设立奠定基础。该实验平台有助于石油院校电气工程等专业的学生深入了解抽油机的工作特点、学习交流变频调速技术在油田采油中的应用、掌握电机驱动控制系统设计方法，有利于培养和提高学生的工程实践能力和解决现场实际问题的能力，为他们将来更快更好地适应石油领域岗位工作提供基础。

References)

[1] 陈伯时, 陈敏逊. 交流调速系统[M]. 北京: 机械工业出版社, 2013.

[2] 张加胜, 张磊. 电力电子技术[M]. 青岛: 中国石油大学出版社, 2008.

[3] 孙铁成, 韩景薇, 刘策, 等. 基于PC机控制的交流变频调速实验平台设计[J]. 实验技术与管理, 2012,29(8):55-60.

[4] 冯兴田, 张加胜, 刘希臣. 数控式电机软起动综合实验平台建设与管理[J]. 实验技术与管理, 2014,31(8):92-95.

[5] 王玉彬, 马文忠. 异步电动机动态节能综合实验平台研制[J]. 实验技术与管理, 2016,33(6):77-81.

[6] 张学鲁, 季祥云, 罗仁全. 游梁式抽油机技术与应用[M]. 北京: 石油工业出版社, 2001.

[7] 李海亮. 游梁式抽油机系统动力学分析及节能控制策略研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2010.

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[9] 高月民, 尹传庆. 抽油机的调速节能控制理论探讨与实践[J]. 电气应用, 2009,28(8):50-54.

[10] 张荣岭, 叶雪荣, 李剑锋, 等. 基于DriveLogix的新型长冲程抽油机教学实验模型[J]. 实验室研究与探索, 2009,28(11):50-52, 56.

[11] 王春凤, 薛文轩. 变频器拖动异步电机调速实验[J]. 实验技术与管理, 2014,31(10):86-88.

[12] 刘和平. dsPIC通用数字信号控制器原理及应用—基于dsPIC30F系列[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 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

国家自然科学基金青年基金项目(51507191)；中国石油大学(华东)重大教学改革项目(JY-A201401)；中国石油大学(华东)教学改革项目(JY-B201612)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(15CX02113A)

李祥林(1984—)，男，山东泰安，博士，讲师，主要从事电机分析设计与控制的教学与研究.

E-mail：xianglinli@upc.edu.cn

TM301.2；G484

A

1002-4956(2017)06-0097-05