（电力电子与电力传动专业论文）基于arm控制器的抽油机无功补偿与状态监测的研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 检测电路、信号调理电路以及主开关管驱动电路的设计过程。 竣算法为基懿，文章中奔绍了轰巍内核c p 馨痰惩子s 粥控裁 器的软件设计过程，给出了从主程序到a d 转换、外中断、 串翻控制、定时器控制等每一个环节的流程图以及设计恩路。 对油田抽油机的实时监测功能是漱控制电路中褥到的测 量值通过串豳与p c 通信，并在上位机w i n d o w s 环境下应用 ￥i s 鞋a lb a s i c 软释编程绘割甑人辊交甄器面，实时显拳对抽 油机监测的参数值，软件中有过压过流错误报警功能，通过 软件的改动研监测不阕的参数，无须改动硬彳牛电路。 对s v g 的枣b 偿效鬃仿真文申食绍了使用燃孔a b s l 崩l i 骶 动态仿真软件，应用其中的s i l p o e r s y s t e m s 电力系统仿真 元律摩搭建瓣无功帮谐波电流麓仿真模型，给寝了算法模块 的搭建方法与仿真结果的分析。在仿真的基础上，本文研制 了1 0 k v a r 静止无功功率发生器的实验装置。通过具体试验 与结熙的分糖，验证了文中靛控制理谂，软终编写及参数选 择的正确性。 关键词；无功补偿，s v g ，矢壁变换，a l j i l ，状态监测 r e s e a r c h0 nr e a e tfv ep o w e rc o 黼p e n s a tio n a n de o n d i t l 0 nm o n t o r l n go fp u m p i n g m a c hin e sb a s e d0 na r mp r o c e s s o r 焱8 s l r a e 了 t 魏ep r e s e n tp h i n g 描a e h 主n e st 王t 主l 主z e d i no 主王f 主e l 鑫 c h a n g et h e 主rs t r o 款ep e r 主o d 主c a l l y 羊h 主sr e s u 王七s 主n 王o w 8 v e r a g ep o e rf a e t o ra n di n t r o d u e e s l i g hh a r m o n i c 霄a v o s t ot h ep o w e rs u p p l ys y s t e m 主nt h ef i e l d s t h i sp h e n o m e n o n a f f e c t sp o w e rn e th e a v il y t os o l 、，et h i sp r o b l e m ， t h 主st h e s i sd e s i g n e dak i n d o fd e v i c ec a ll e ds t a t i cv a rp o w e rg e n e r a t o r ( s v gf o r s h o r t ) s v gs y s t e mc a np r o m o t et h ep o w e rf a c 七o ro ft h e p o w e rn e ta n dt h i ss y s t e mc a na l s oc o r r l p e n s a t eh a r 如o n i c w a v e s b a 8 e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y ， a d o p t e dt r a d i t i o n a li p ， i qa r i t h m e t i ca n dv 0 1 t a g e c o r i l p e n s a t i o ni nd cs i d e ，s v gs y s t e mi nt h i st h e s i su s e d p o p u l a rc p un o 、忸d a y s 一一a r mc o r ec p us 3 c 4 4 b o x 。 a st h e j l 衷交逶丈学殒士擎靛论文 c o n t r 0 1u n i to ft h es v gs y s t e m ，i t i su s u a l l yc a l l e d e m b e d d e d s y s t e m t h em a i nc i r c u i tw a st h r e ep h a s e v o 圭t a g es t y 圭ee o 魏v e r t e r 。 罩。璎e e 毫t l er e 莲疆主r e 瓣e 魏专， 专羲i s t h e s isg a v et h ef o r m u l ao fh o wt oc h o o s et h ep a r a m e t e r s o ft h em a i nc i r c u i t ， t h er e a c t o ru s e df o rf i l t e ra n d e 捱p 8 e 主t o r 毽s e d 知rr e g u 圭a 专主鞋gt 纛ew l v e s 。t h e 瓤8 r 莲箨a r e p 氇r to ft h es v gs y s t e ma l s oi n t r o d u c e dt 量l em e a s u r e c i r c u i t ， t h es i g n a lr e g u l a t i n gc i r c u i ta n dt h od r i v e c 童r e u i t 。 b 8 s e do n 蠊ea r i t h l 珏e t 主c ， t h 童st h e s i sg 料et 量l e f 王o we 量l a r to ft h e8 0 f t w a r ep a r t d e s i g na n ds h o r t l y in t r o d u c e dt h ea d ss o f t w a r e t h ec o m m u n i c a 屯i o nf u n c t i o no ft h i ss y s t e mw a sb a s e d o ns e r 主a 圭 p o r 七 娟王e 量王 f i 珏i s b e d屯魏ed a t a i 魏t e r e 珏a n g e b e t w e e nc f ) ua n dp c ，t h e niti n t r o d u c e dt h ei n t e r f a c eo n p cm o n i t o rw h i c hw a sp r o g r 删n e db yv i s u a lb a s i c ，s ot h a t t h e 臻。珏主t o rs h o w e 纛t h ef 主j 静r e so ft h ep a r 醐e t e r s 藏主e 廷 c a ni n t e r a c tb e t w e e np ea n de n g i n e e r a l s ot h ep cm o n i t o r s h o w e dt h ef i g u r e so ft h ep a r a m e t e r sw i t ht h ef u n c t i o n a b s r n c r o fe r r o ra l e r tw h e nt h ev o l t a g e so rt h ec u r r e n tv a l u e m o r et h a nt h er a t i n gv a l u e t h ed i f f e r e n tp a r a 皿e t e r sc a n b em o n i t o r e d 七h r o u g hm o d i f yt h es o f t w a r e ，h a r d 耽r e n e e d n tt ob ec h a n g e d t h er e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i c w a v e sm o d e lo fs v gw a ss e tu p b ym a t l a b s i 哪l i n l ( d y n 锄i c s 。f t w a r e t h es i m p o w e r s y s t e m1 i b r a r yo fp 。w e rs y s t e m s i m u l a t i o np a r t so fm a t l a b s i m u l i n kw a su s e dt os e tu p t h em a i nc i r c u i to fs v gs y s t e m t h i st h e s i ss h o w e dt h e m e t h o do fh o wt oe s t a b l i s ht h ea r i t h m e t i c o d u l e a n d a n a l y z e dt h er e s u l t so ft h es i 叫1 a t i o n b a s e do nt h es i m u l a t i o n ， t h ed e v i c eo fa 1 0k v a r s v gs y s t e mw a ss e t u p t h ec o n t r 0 1s t r a t e g ya n dt h e p a r 劬】e t e r sc a l c u l a t i o nm e t h o di nt h i st h e s i sh a db e e n v e r i f i e db yt h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t k e m r d s ：r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，s v g ，a r m ，v e c t o r t r a n s f o r m a t i o n ， c o n d i t i o nm o n i t o r i n g 问题的提出 第一章问题的提出 1 1 油田抽油机工作情况概述 油田的抽油机分为游梁式抽油机( 俗称磕头机) 和无游梁式抽油机 两种。游梁式抽油机具有结构简单、制造容易、可靠性高、工作持久、 适应工况条件好等优点，但游梁式抽油机也存在不足之处，如效率低下、 用电成本高等缺点。无游梁式抽油机有长冲程无游梁抽油机、螺杆泵抽 油机等，它具有功率因数高、效率高等优点。这些优点是衡量抽油机的 重要的因素，所以抽油机的发展方向是无游梁式抽油机。但由于历史原 因，游梁式抽油机却被广泛应用在我国油田系统中，使用游梁式抽油机 的油田总数约占机械采油油田总数的7 5 ，每天需要消耗大量的能源， 其电费开支占采油系统费用支出的6 0 以上。虽然游梁式抽油机同无游 梁式抽油机相比有很多弊端，由于数量多、采油成本较低等原因，游梁 式抽油机在一段时期内还会占据抽油机市场的主导地位，近期内不可能 被取代。 抽油机负载是油田配电系统中的主要用电负载，也是决定整个配电 网功率因数的关键。因此，有必要对抽油机的负载特点、抽油机电机的 运行特性以及参数的变化进行研究，为无功补偿方案的确定和装置的 设计提供依据。 为了研究抽油机的负载特性，本文参考了中原油田和江汉油田实际 测量的数据，得到了一些实际运行的参数。图卜l 为油田系统认可的抽 油机工作扭矩变化曲线。 北隶交通丈学硕士学位论文 魄m 3 0 0 2 0 0 l o e o 一1 0 0 ： 令。一 123 4 ! 席 78 曩 ( a ) 抽油孰扭挺曲线 纽) 羊h e 孙f 建瓣ee 鞋f 擘eo ft h e u 班贰娃惑溉e 矗i 矗e 魄 f 辩穗渣瓤电流电壅浚影 ( b t h ee u r r e n ta n dv o l t g ec u f v eo ft h en m p i n g 衄c h i n e 嗣l 一1 抽油机工作波形 f i g 1 一lw o 破i n gc u r v eo f t h ep u m p i n g c h i n e 由潮l 1 8 、圈卜1 b 中撼渣电爹毛的褪矩，、媳滚j 、电压掰这三个 实际豹貔纛量，我翻媛定转遴露傈持额定转速不变，置电辊始终娥予 非饱和状态。从图中我们w 以看出所测抽油机的一个上下冲程的周期犬 约为7 1 4 s ，( 每台抽油机个上下冲程周期并不样，一般在3 7 s 急闻 2 | 主删 燃 凇 瑚 。 问题的提出 变化) ，在一个机器周期内电压的变化与电流交优福反，电流速大电 压越低。电压的波动并不是很大，约为额定电鹾的5 。与之相比毫 流波动却非常的利嚣，在下冲程瓣一段孵闼斑电滚最大对甚至达到了 1 7 2 矗。正是由予这种原因的存在，导致受载功率只十几乎瓦的抽油机必 矮装憩额定功率比负载功率太好几倍的电动机( 一般来说负载大约必占 电机额定功率的l 3 左右) ，这是为了保证电机在额定的发热范隘内。 由此导致电机长期赴在菲额定功率下工作，能赣损耗檄大，采取节蘸 降耗盼措施非常有登要0 1 。 从攮矩鼗线可以看出电规在工作麴对候可黥有甄鼬不同的工作状 态：一秘是电帆带动机械负荷运行，此时电机的转差率关系为o 无转功率替接理谂 式中 ，压 。3 2 麟j 1 一三 一三 22 o 巫一连 22 ( 2 2 1 ) 在网2 3 所示的矢擞图中，p 。，e ，和j 。、如分别可以会成为电压矢量口 和电流失量， b eb l 参p l 8 e - e 。+ 郎；i 芒 吼 f - 屯+ 一纠鼹 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 萄2 3 伐一坐标系申的电蕊电流矢量 f i g 2 3 ￥o l t a g e8 砖e u f r e n ￥e e t 艇i 摭疆一8f e f e f e n e ef f 8 燕e 1 7 北京变通大学硕士学位论文 由图2 3 器出三相电路瞬时鸯功电流矗鄹瞬时无功电流矗分别为矢爨j 在矢量p 及其法线上的投影。即 p 。c 0 8 妒 ( 2 2 4 ) # 。8 m 妒 ( 2 - 2 5 ) 式串，妒4 致一锻。 三辍瞧路瓣彝季蠢功( 有葵) 磅率定义爻壤压矢量聍鹃搂帮兰相电路 瞬时恶功( 毒功) 魄流矗( 矗) 戆黎积。郧 p 篁攒， ( 2 2 6 ) 譬2 掰_ ( 2 2 7 ) 将式( 2 2 4 ) ，( 2 2 5 ) 代入式( 2 2 6 ) ，( 2 2 7 ) 中，并写成矩阵形式， 褥 阱e 三捌 浯。8 ， 把式( 2 一1 9 ) ，( 2 2 0 ) 代入上式，可德蹬热晕对于三媚患压、电流瓣 表达式 p 。气。+ b + 吱c ( 2 2 9 ) g 2 去酝一毫+ 轨一乞免+ 瓴一气翻 ( 2 咖) 由上丽两个公式可以得出三相电路的有功功率和无功功率。 有了上面的一些简单概念，在下文给出计算三相电路无劝和谐波电 流的两种常箝的检测方法，分剐为p 、q 运算方式和i 。、i 。逐算方式。 1 8 无功功率补偿理论 2 2 。lp 、q 运算方式 该稔灏方法的框图觅图2 4 。该方法根据定义公譬= ( 2 2 8 ) 算出p 、 叮，经低通滤波器( l p f ) 得p 、口的直流分艇p ，鼋。电网电压无畸变 窿】。c m c 茹【言】2 ；c 。c 一【言】 。一。， 热c w 陋习c 撕确勋潲流髓弘 北京交通大学硕士学健论文 鼙瑶缛滋丘，磊、五憨无功耧谐波分量叠搬懿电滚或分。 2 ，2 + 2 ；，、l 。逵冀方式 热隧2 5 孛熬i 。、i ；运葬方式，该算法审需要鼹戮a 辕魄露邀篷 岛同相位的正弦信号占如。 和对威的余弦信号叩甜“他们由一个锁 桐环和一个正、余弦倍号发生电路得到。根据定义( 2 2 4 ) 、( 2 2 5 ) 可 以计算出、矗，经l p f 滤波得出矗、厶的直流分量。一、。在这里一、 1 q 是由厶、k ，七产生的，因此幽。一、即可计算出厶。知，丘。 曲 陆 l 畦 鹤2 5 ，、i 。运冀方式 f i g 2 5ip 、iq r i t l m e t i c 进而计算出厶、厶、如。见公式( 2 3 2 ) ，( 2 3 3 ) ，( 2 3 4 ) 。式中p 、 t 由、f ，经l p f 滤波求得，j 。，f ，是三相通过3 2 变化的两相静止 电流值，翔蓠文所述。其中翰z 且 叫兰：嗣浯。， i c o s 耐一s j l l 耐i，oo 无砖功率 偿理捻 黔m = ：= 嘲 2 【= ：捌蠢】浯。， 卜骨c 。墨：硼浯。， 剡是巍给定电压缓毽，减去实黼检测的幸 偿电蘧餐珏遥避p i 调节后得 北京交通大学硕士学位论文 蘩调节信号幺鸯籍赘矗直流分餐串去。 图2 6 合直流侧电压补偿的i ，、i 。避算方式 f i g 2 6ip 、i 日a r it l l 田e ti cw i t hv o lt a g ec o m p e n 8 ti o n 采用直流俩电压补偿的原函要了解有功功率和光功功率的在赢流 侧和交流俩传递的过程。瞬时无功功率的传递在2 1 小节已经讲述，它 是在三相电路之间传递的。而有功功率之和为三相电路有功功率的和， 即如果不考虑损耗，贝有功功率全部传递到魔流侧。下面用佛、岱表示 电源侧瞬时有功功率和瞬时无功功率，伽、鲫表示s v g 交流侧瞬时有功 功率和瞬时无功功率，肛、啦表示负载侧瞬时有功功率和瞬时觅功功率。 由于负载电流中有谐波，使得觑，吼中含有交流分量，即分别由直流分 鬓p t 、呶积交滚分量p t 、g t 糖残擗。当s 聪爝予李 缮无臻功率辩翔谐 波时，渍足下戏 p r 兰一p ( 2 3 5 ) q y 一一日三 ( 2 3 6 ) p s 器尹工+ p y 暑p 五 ( 2 3 7 ) 覃s4 鼋工+ 即9 0 ( 2 3 8 ) 由上式可以看出有功功率和无功功率交换过程。s v g 提供的是负载 有功功率的交流分艟，符号为负；同时提供了负载的无功功率。电源只 2 2 无珊功率 偿理论 需隳提供负载有功功率的直流分量，不需要提供无功成分。上述对瞬时 功率在赢流侧和交流侧的交换过程同样适用于i 。、i 。算法中电流的分析 过程。这样就需要辩壹流蘩j 电藤迸镎控裁，浚反馈有劝电流静形式来掇 供骞功功率。 2 。3 静止无功功率发生器( 列壤) 系统缀实现 简单的讲，s v g 的摹本原瓒就是将自换向桥斌交流器邋过电抗器或 者瘫接势联裂邀霸主逶当熬调带桥戴电路交流铡输爨瞧露鹣穗位帮稻 值绒者鸯接控制交流侧电流，就可以使该电路吸收或畿发出满足要求鲍 无功电流，实现动态补偿的目的“1 。 嚣2 7s ￥g 戆基本霹理 f i g 2 7b 8 s i cp r i n c i p l eo fs v g 如餮2 7 掰示，通过经典的s v g 模型把系统分为4 个部分，分别是 电爨捡溅繇节、指令毫滚运算黪繁、滚滚跟踪控剿舔繁帮枣 褛毫流发垒 北京交通太学硕士学位论文 环节( 包括驱动电路和难电路) 。具体的实现过程见图2 8 ，圈中的电 爨检测建透过曩感器裣灏到电流伍和同步静电疆值，给澈指令电流运算 环节进行数学运算，本装置采用带直流侧电压补偿的i ，、i 。算法( 见前 一节论述) ，计算出来的指令电流值减去实际补偿电流德，这个电流诶 麓值送入滞环比较器，滞环比较器设定带宽在一定范豳内，使其产生控 制i g b t 开关管的p 删脉冲波，滞环比较器出j f 乏的脉冲信号最后送给电 滚发生龌节，也靛是图巾绘出熟鞋i g 默蔻主要舞关譬静自挟彝褥式电 路。由于滞环比较器产嫩的脉冲信号幅度不够大，i g b t 的门极触发信 譬又是激压蘩，掰鞋竣诗了门极驱动电鼹，秀缣铲 g 驸开逶关叛对鹃 过电压，及短路电流过大，装置中包含了吸收电路和短路保护电路等保 护措施，使褥本装置更翻适用予实际工渡现场。本系统弓i 入的童流侧电 涨的控制环节使得补偿电流有更加良好的跟随性能。 图2 8s v g 系统框图 f i g 2 8s y s t e 毽f f 矗m eo f s v g 无囊璃事耱髅毽谂 2 4 本章小结 本章首先分缮了必予瞬时无功功翠豹一些基本概念帮歙谈，其中着 黧介绍了本章中后面用剿的矢量变换的熬本知识。有了这些概念的基础 上，文中给出了两种常用的计算谐波和笼功分量的运算方法，详细介绍 了本设计中使用的i 。、i 。运算方法以及蠹流侧电压补偿的p i 环节。最 瑟零拳给壅了文孛莰诗豹s ￥g 系统豹挺圈，篱要套缮了浸谤懋潞。 北京交通大学硕士学位论文 第三章静止无功功率豁偿系统硬传设计 3 系统的总体结构 耄繁漭述了s ￥g 车 偿原遴鞫一般s 珏系统豹褐成。下嚣奔缮一下 本文设计的s v g 系统的总体结构，如图3 一l 。 装置中捂建了四象限p 瓣交流器为执行视构的主电路，产生补偿邀 流；直溅懊4 支撑电容并联形式，提高了辩压等缀；交流侧辕出端使用平 波电抗器减小p 删变流器产生的商次谐波；系统在控制上采用两个单独 阙巧控露；壹溅懿| 电压朗矮帮掺令电淀耀环回黪，电匿溺繇来稳定蹇雾罄 侧电压值，补偿交直流侧有功功率交换引起的直流侧电聪变化，电流闭 舔矮寒硷溅绘是与辏凄稳镶差，佬赣密羰黥绘定；输密鹣嘲豫摔电流 采用滞环控制方滤( 又叫瞬时值比较方式) ，加快了电流的响应速度， 瓣定了赧流翡误差蓬懑，较戳经静三角渡比较方式有翡霰的优势；本装 鼹中用到的控制拣片是以a 删絮构内核的s 3 c 4 4 b o x 为主c p u 设计的数 字控制电路，它蹙一种典有丰富外豳接潮的3 2 位c p u 。i g b t 驱动电路 主芯片采用m 5 7 9 6 2 l ，片内集成了保护瞧跷，具蠢过压过渡自费保护功 能。 静虫冤 由功事 搂系缀鹾捧设计 墨3 一ls 聪系统总谁框躅 f i g 3 1m a i nf r 拄m eo fs v gs y s t e m 下瑟奔绥一下零系统绪梅特赢： 1 与众不同的是本设计采用a 雕内棱的s 3 c 4 4 8 0 x 为按制电路的c 粕， 猩以前的设计中前所未有，因为a r m 内核的c p u 主要应用于移动设铸和 p 激静嚣臻设餐上，在工照瘫嗣缀少。但是爨为它事富豹舞蘑接弱节 销了很多外围漱路，使控制电路麓化，节省了设计人员灼设计周甥。它 编程效率非常商，通过移植现在流行的l i n u x 或者简单的u c 0 s i i 操作 系统碍苏实瑗复杂翡麓辘。 2 由予设计中补偿了电网巾的谐波，贝4 对李 偿的实时性能要求菲常裹， 系统在设计过稷中充分考虑了这点，提高了补偿的精度，动态性能和线 髓度。 3 采用m 5 7 9 6 2 l 驱动芯片，芯片中毫低压逶道必鹈黼离，农嚣压避匿 保护时低压电路部分不受影响。 4 电路同多信弩通_ 毽过零捻漏电路提供，在每个阕麓中同步一次，所 以不会产生由予过零不准确产生的误差黪积累。 静止无璃磅事耱楼系缝璐捧设计 。l 照霉善鼍 始p ￥+ 2 ￥，l e ￥。$ ￥1 l l l； i 自 h防 惑 墨 l 。 乙 1 ，j h _- 9 。，一卜 l 墅l l d 0 l 。s 一 1 图3 2 典型输出特性曲线“” f i g 。3 2 零y p i e i ee 驻r v 尊o ft h e0 珏t p 牲te h a r 最e t e r 图3 2 为埘b h 6 0 d 1 0 0 典型输出特性曲线，图巾横轴为c 、e 间的魄 压，级轴为集电檄电流。无擎楗现象的i g b t 输出曲线图分为正向阻断区， 瞧秘区，敖大医，；篷垃撰坏送裙击穿嚣( 溪孛未稼疆) 。痘该鬻密，输 出特性上的每一点均是在一定栅压脉宽条件下测定的，不圆的躲宽其 输出特性怒有所不同的。 图3 3 安全工作区岛反向安全工作区1 f i g + 3 3s 锨a 埘r e v e r s eb i 8 s 醐s 懿 北京交通犬学硬士学位论