摘要  针对游梁式抽油机电机运行过程中功率因数和效率较低的状况，研究开发了一种电机功率因数自调整及节能控制系统装置，其采用双向开关斩波式PWM交流调压方式，通过对定子电压的寻优控制，改善了电机的工作效率、节约电能，可使得抽油机电机始终运行于功率因数和效率最佳的工作状态。 
    关键字  功率因数；斩波式PWM；80C196KC单片机；Pspice仿真 
Research and application on bidirectional switch chopped mode PWMACvoltage regulating system 
FENG Xingtian ZHANG Jiasheng 
：(Electrical Engineering Department of Information and Control Engineering College of China University of Petroleum,Dongying Shangdong 257061,China) 
    Abstract  The driving motor of the beam-pumping unit widely used by every oil field is usually in an ineffective status, which leads to an obvious fall of work efficiency and power factor.This paper presents a new kind of system equipment in order to improve power factor, economize energy, reduce consumption and decrease production cost. The power factor and the work efficiency will always be in the high-point,with the application of power electronic technology,frequency control technique,high-speed full-control apparatus,high-performance single-chip microprocessor and high-frequency PWMcontolling mode. 
    Keywords  power factor，chopped mode PWM，80C196KC microprocessor，Pspice simulation  
   

１ 概述

目前，各油田普遍采用游梁式抽油机进行石油开采，抽油机在采油过程中，由于起动负荷大且地下油层出油量也不十分稳定，一昼夜内液位变化比较大，电机的工作负荷不稳定。为了生产的顺利进行，必须按大负荷状态配备电机，这就导致抽油机的驱动电机经常处于"大马拉小车"的运行状态，使电机的工作效率和功率因数明显下降[1]。另外，游梁式抽油机在完成一个抽油周期的过程中，上冲程和下冲程的负荷也不平衡，并且差别较大，为了改善这种不平衡状态、减小工作电机的容量、提高工作效率、节约电能，游梁式抽油机都设有配重悬锤，尽管如此，由于配重悬锤的配重是固定的，而油井的工况是变化的，再加上配重悬锤机构的机械调整受到现场诸多条件的限制，使抽油机不能完全达到平衡。在实际运行中，电机往往处于电动状态和发电状态。发电能量在电网—电机—电网反复转换的过程中，既造成了一定能量损失又会对电网的正常供电造成一定程度的扰动，同时可能使电网与电机的功率因数再一次降低[2]。

本文介绍的双向开关斩波式PWM 交流调压系统，由交流电源控制变流器单元、不平衡馈能自动处理单元、检测与保护控制单元、单片机控制系统及运行状态显示单元组成，如图1所示。

保护控制单元除实现对本装置的保护之外，还可以完成对抽油机电机运行状态的监测，在电机出现过压、过流、过载、缺相等异常情况下自动发出声光报警。单片机系统控制模块作为整个系统的智能化控制核心，连续不断地通过检测与保护控制单元模块，对抽油机电机的电压、电流、功率因数和功率等参数进行实时监测，进而对电机的工作状态进行综合判断，并通过电源控制功率模块，对电机绕组的工作电压实施平滑控制。

交流电源控制变流器单元作为整个系统的核心部分，采用双向开关斩波式PWM 交流调压电路。下面着重分析双向开关斩波式PWM 交流调压电路，并借助于Pspice 工具软件进行了大量的计算机仿真研究。同时运用适当的单片机控制算法，对整个系统进行了实验研究。

２双向开关斩波式PWM交流调压电路分析

系统所使用的主电路是一种三相调压电路[3]，如图2 所示。它由三只串联开关VT1，VT2和VT3以及一只续流开关VN组成。当VT1，VT2和VT3导通时，VN关断，负载电压等于电源电压；当VT1，VT2和VT3关断时，VN导通，负载电源通过VN续流，负载电压为零。这样，控制VT1，VT2、VT3和VN的导通关断，就可以得到不同的负载电压，从而根据不同的电压要求来实现电压的调节控制。

在前文所述的控制方式下，输出电压在一个周期内的波形[4]如图3 所示。其中图3(a)为输入线电压波形；图3(b)为开关VT1，VT2 和VT3 的触发导通波形；图3（c）为VN 的触发导通波形，图3(b)与图3(c)波形为互补关系；图3(d)即是输出线电压波形。由图3 可见，这些波形和单相斩控式调压电路相同，可以用下式描述：

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式中: 占空比D=T/Tc［T为图3(b)波形一个周期内的高电平时间，Tc则是其周期］；

Um为uab幅值；

φn=n仔D；

ωc=2仔/Tc。

为避免输出电压和电流中的偶次谐波，且保持三相输出电压对称，载波比K

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（K=T/Tc，式中T 为ua周期，必须选择为6的倍数）。

对于理想负载，输出电流i0为：

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式中：Z1为基波阻抗Z 1的模；

φ1为基波阻抗角；

Zn为对应角频率为n棕c+棕s次谐波的负载阻抗的模；

φn为Z n的相角；

Z‵n为对应角频率为n棕c-棕s次谐波的负载阻抗Z忆n的模；

φ‵n为Z‵n的相角。

3 主电路的Pspice仿真波形分析

使用Pspice 8.0 对双向开关斩波式PWM 交流调压主电路进行了仿真，得到了一系列的仿真波形,如图4所示。从图4（a）的输入相电压、输入相电流波形可以看出两波形的夹角（即功率因数角）已经很小，功率因数（约为0.9）已满足要求；而图4（b）的输出相电压、输出相电流波形已经达到功率因数近似为1 的程度；图4（c）的输入线电压、输出线电压波形体现了与原理分析结果的一致性。虽然各波形都近似正弦波，但通过仿真波形分析可知主电路存在换流电压尖峰，这对大功率器件的运行非常不利，需设计电路加以解决。

4 系统构成及实验结果分析

系统中单片机控制单元通过运用80C196KC 单片机[6]的高速输入器（HSI）和高速输出器（HSO）的功能来实现。设计电路采集功率因数角，作为高速输入器的触发事件，测量其宽度的变化来体现功率因数角的变化；然后根据角度的大小，调节高速输出器输出方波（即功率器件的开关频率）的占空比，进而实现调节输出电压的目的，从而提高功率因数及效率。

根据Pspice仿真所确定的设计参数，搭建了双向开关斩波式PWM 交流调压系统，其中主电路的开关器件选用大功率器件IGBT[7]；根据软件的控制流程及功能要求，运用汇编语言编写了单片机控制程序，产生控制IGBT 的触发信号来实现其通断，随后进行了调试实验。获得了一系列的实验波形如图5 所示。图5（a）是在输入电压110 V、占空

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比90%、开关频率900 Hz 且空载的条件下采集的，输出线电压为100 V；而图5(b)和图5(c)是在输入电压110 V、占空比90%、开关频率1.2 kHz 并加负载的条件下得到的，输出线电压为99 V。

从实验波形可以看出系统功率因数较高，波形近似正弦，但电压尖峰的问题比较明显，这与仿真结果相符。在实验过程中还发现软件调节功率器件的开关频率高时波形的谐波较小，正弦性更强；脉冲的占空比较大时波形也相对较好；加载时杂波干扰比较严重，尖峰也很大，空载的情况相对要好一些。

5 结语

通过分析比较，可以看出理论分析、Pspice电路仿真与实验结果基本一致，双向开关斩波式PWM 交流调压系统通过实时控制功率器件的开关频率，针对负载的变化进行相应的调压控制，有效实现了提高功率因数和效率的目的；并且电压、电流波形近似正弦波，而输出电压的杂波干扰和尖峰可通过吸收电路加以吸收，以消除谐波污染。

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参考文献： 
 
   

[1] 薄保中，苏彦民，侯立军.电力电子技术在抽油机电机节能中的应用前景[J]. .节能，2000，212（3）：

14-16.

[2] 萧南平.对游梁式抽油机节能问题的探讨[J].石油机械，1997，25（3）：41-43.

[3] 林渭勋.电力电子技术基础[M].北京：机械工业出版社，1990.

[4] 张加胜.交流调速系统[M].东营：石油大学出版社，1999.

[5] 高文焕,汪蕙.模拟电路的计算机分析与设计———Spice 程序应用[M].北京：清华大学出版社，1999.

[6] 孙涵芳.Intel 16 位单片机[M].北京：北京航空航天大学出版社，1996.

[7] 日本三菱电气.第三代IGBT和智能功率模块应用手册及DATABOOK[Z].1998.