摘要 針對游梁式抽油機電機運行過程中功率因數和效率較低的狀況，研究開發了一種電機功率因數自調整及節能控制系統裝置，其采用雙向開關斬波式PWM交流調壓方式，通過對定子電壓的尋優控制，改善了電機的工作效率、節約電能，可使得抽油機電機始終運行于功率因數和效率最佳的工作狀態。
關鍵字 功率因數；斬波式PWM；80C196KC單片機；Pspice仿真
Rebbbbbb and application on bidirectional switch chopped mode PWMACvoltage regulating system
FENG Xingtian ZHANG Jiasheng
：(Electrical Engineering Department of Inbbbbation 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-perbbbbance 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機進行石油開采，抽油機在采油過程中，由于起動負荷大且地下油層出油量也不十分穩定，一晝夜內液位變化比較大，電機的工作負荷不穩定。為了生產的順利進行，必須按大負荷狀態配備電機，這就導致抽油機的驅動電機經常處于"大馬拉小車"的運行狀態，使電機的工作效率和功率因數明顯下降[1]。另外，游梁式抽油機在完成一個抽油周期的過程中，上沖程和下沖程的負荷也不平衡，并且差別較大，為了改善這種不平衡狀態、減小工作電機的容量、提高工作效率、節約電能，游梁式抽油機都設有配重懸錘，盡管如此，由于配重懸錘的配重是固定的，而油井的工況是變化的，再加上配重懸錘機構的機械調整受到現場諸多條件的限制，使抽油機不能完全達到平衡。在實際運行中，電機往往處于電動狀態和發電狀態。發電能量在電網—電機—電網反復轉換的過程中，既造成了一定能量損失又會對電網的正常供電造成一定程度的擾動，同時可能使電網與電機的功率因數再一次降低[2]。
本文介紹的雙向開關斬波式PWM 交流調壓系統，由交流電源控制變流器單元、不平衡饋能自動處理單元、檢測與保護控制單元、單片機控制系統及運行狀態顯示單元組成，如圖1所示。
保護控制單元除實現對本裝置的保護之外，還可以完成對抽油機電機運行狀態的監測，在電機出現過壓、過流、過載、缺相等異常情況下自動發出聲光報警。單片機系統控制模塊作為整個系統的智能化控制核心，連續不斷地通過檢測與保護控制單元模塊，對抽油機電機的電壓、電流、功率因數和功率等參數進行實時監測，進而對電機的工作狀態進行綜合判斷，并通過電源控制功率模塊，對電機繞組的工作電壓實施平滑控制。
交流電源控制變流器單元作為整個系統的核心部分，采用雙向開關斬波式PWM 交流調壓電路。下面著重分析雙向開關斬波式PWM 交流調壓電路，并借助于Pspice 工具軟件進行了大量的計算機仿真研究。同時運用適當的單片機控制算法，對整個系統進行了實驗研究。
２雙向開關斬波式PWM交流調壓電路分析
系統所使用的主電路是一種三相調壓電路[3]，如圖2 所示。它由三只串聯開關VT1，VT2和VT3以及一只續流開關VN組成。當VT1，VT2和VT3導通時，VN關斷，負載電壓等于電源電壓；當VT1，VT2和VT3關斷時，VN導通，負載電源通過VN續流，負載電壓為零。這樣，控制VT1，VT2、VT3和VN的導通關斷，就可以得到不同的負載電壓，從而根據不同的電壓要求來實現電壓的調節控制。
在前文所述的控制方式下，輸出電壓在一個周期內的波形[4]如圖3 所示。其中圖3(a)為輸入線電壓波形；圖3(b)為開關VT1，VT2 和VT3 的觸發導通波形；圖3（c）為VN 的觸發導通波形，圖3(b)與圖3(c)波形為互補關系；圖3(d)即是輸出線電壓波形。由圖3 可見，這些波形和單相斬控式調壓電路相同，可以用下式描述：
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式中: 占空比D=T/Tc［T為圖3(b)波形一個周期內的高電平時間，Tc則是其周期］；
Um為uab幅值；
φn=n仔D；
ωc=2仔/Tc。
為避免輸出電壓和電流中的偶次諧波，且保持三相輸出電壓對稱，載波比K
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（K=T/Tc，式中T 為ua周期，必須選擇為6的倍數）。
對于理想負載，輸出電流i0為：
[upload=jpg]UploadFile/2007-5/200753018262780023.jpg[/upload]
式中：Z1為基波阻抗Z 1的模；
φ1為基波阻抗角；
Zn為對應角頻率為n棕c+棕s次諧波的負載阻抗的模；
φn為Z n的相角；
Z‵n為對應角頻率為n棕c-棕s次諧波的負載阻抗Z憶n的模；
φ‵n為Z‵n的相角。
3 主電路的Pspice仿真波形分析
使用Pspice 8.0 對雙向開關斬波式PWM 交流調壓主電路進行了仿真，得到了一系列的仿真波形,如圖4所示。從圖4（a）的輸入相電壓、輸入相電流波形可以看出兩波形的夾角（即功率因數角）已經很小，功率因數（約為0.9）已滿足要求；而圖4（b）的輸出相電壓、輸出相電流波形已經達到功率因數近似為1 的程度；圖4（c）的輸入線電壓、輸出線電壓波形體現了與原理分析結果的一致性。雖然各波形都近似正弦波，但通過仿真波形分析可知主電路存在換流電壓尖峰，這對大功率器件的運行非常不利，需設計電路加以解決。
4 系統構成及實驗結果分析
系統中單片機控制單元通過運用80C196KC 單片機[6]的高速輸入器（HSI）和高速輸出器（HSO）的功能來實現。設計電路采集功率因數角，作為高速輸入器的觸發事件，測量其寬度的變化來體現功率因數角的變化；然后根據角度的大小，調節高速輸出器輸出方波（即功率器件的開關頻率）的占空比，進而實現調節輸出電壓的目的，從而提高功率因數及效率。
根據Pspice仿真所確定的設計參數，搭建了雙向開關斬波式PWM 交流調壓系統，其中主電路的開關器件選用大功率器件IGBT[7]；根據軟件的控制流程及功能要求，運用匯編語言編寫了單片機控制程序，產生控制IGBT 的觸發信號來實現其通斷，隨后進行了調試實驗。獲得了一系列的實驗波形如圖5 所示。圖5（a）是在輸入電壓110 V、占空
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比90%、開關頻率900 Hz 且空載的條件下采集的，輸出線電壓為100 V；而圖5(b)和圖5(c)是在輸入電壓110 V、占空比90%、開關頻率1.2 kHz 并加負載的條件下得到的，輸出線電壓為99 V。
從實驗波形可以看出系統功率因數較高，波形近似正弦，但電壓尖峰的問題比較明顯，這與仿真結果相符。在實驗過程中還發現軟件調節功率器件的開關頻率高時波形的諧波較小，正弦性更強；脈沖的占空比較大時波形也相對較好；加載時雜波干擾比較嚴重，尖峰也很大，空載的情況相對要好一些。
5 結語
通過分析比較，可以看出理論分析、Pspice電路仿真與實驗結果基本一致，雙向開關斬波式PWM 交流調壓系統通過實時控制功率器件的開關頻率，針對負載的變化進行相應的調壓控制，有效實現了提高功率因數和效率的目的；并且電壓、電流波形近似正弦波，而輸出電壓的雜波干擾和尖峰可通過吸收電路加以吸收，以消除諧波污染。
作者簡介：
參考文獻：
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[4] 張加勝.交流調速系統[M].東營：石油大學出版社，1999.
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[7] 日本三菱電氣.第三代IGBT和智能功率模塊應用手冊及DATABOOK[Z].1998.
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
