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：

upload=jpg]UploadFile/2007-5/200753018262787480.jpg[/upload]

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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