CN2588658Y - 螺杆泵自适应变频驱动及电量监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型螺杆泵自适应变频驱动及电量监测装置是一种新型油田采油设备的电控系统，其具有以下技术特征：通过对采油工况的检测分析采用自适应控制方式对低成本、经济型变频系统的输出电压、频率进行控制来调节感应电动机的转速。同时通过电流、电压传感器检测系统输入的电流、电压，采用IC卡读写器读取系统的电参量数据。本实用新型其组成包括：三相整流电路、逆变电路、单片机控制单元、脉宽调制专用集成电路、功率驱动电路、保护电路、显示电路以及IC卡读写装置及相应系统软件。

Description

螺杆泵自适应变频驱动及电量监测装置

所属领域

本实用新型涉及的是一种采油系统的电驱动装置，具体的说是螺杆泵的电驱动和电量分析装置。

背景技术

螺杆泵采油装置是油田的一种较新的采油装置，在建设成本和运行效率方面较游梁式抽油机和潜油泵式抽油系统有较大的优势。普通的螺杆泵的电控系统是接触器开关控制的电控柜，存在起动电流大、系统速度不可调的问题；采用市场目前通用变频器的成本较高，同时在控制方面存在一些配套问题。

技术方案

本实用新型的目的在于提供一种螺杆泵自适应变频驱动及电量监测装置，是一种高性能的螺杆泵电控装置，满足螺杆泵电驱动的需要。是一种新型油田采油设备的电控系统，其优点是通过对采油工况检测分析采用自适应控制方式对低成本、经济型变频系统的输出电压、频率进行控制来调节感应电动机的转速。并通过电流、电压传感器检测系统输入电流、电压量，采用IC卡读写器读取系统电参量数据。

本实用新型其组成包括：三相整流电路1、逆变电路2、单片机控制单元3、脉宽调制专用集成电路4、功率驱动电路5、保护电路、显示电路以及IC卡读写装置及相应系统软件组成，其特征在于：整流滤波环节采用限流电阻R控制电容充电电流的软起动，逆变电路由三个IGBT半桥模块构成；电机采用三相Y接工作方式，采用二个电流霍尔传感器进行电流采样，由单片机和脉宽调制专用集成电路构成控制回路，脉宽调制产生的SPWM触发信号经光电隔离，由驱动模块驱动使逆变电路工作于SPWM方式，通过软件编程实现VUVF控制。

所述的16位单片机为80C196KC、程序存储器为2764、地址锁存器为74LS573、键盘输入电路、串行显示电路以及正弦波产生电路SA8282组成。单片机具有16位×16位乘法指令和8位A/D转换口；脉宽调制(PWM)专用集成电路为SA8282三相脉宽调制(PWM)发生器，是可编程的电机正弦波脉宽调制(SPWM)驱动波形发生器。功率驱动电路采用EXB841功率放大器件，放大控制信号，驱动主开关器件绝缘栅双极晶体管IGBT。EXB841的6脚经快速二极管D1、D2接至绝缘栅双极晶体管IGBT的漏极，检测V_DS的高低来判断是否短路。若发生短路，通过内部电路使EXB841的3脚电位逐步下降，关断IGBT。当14脚为开通信号时，即低电平，EXB841的15、14脚有10mA的电流流过，内部光耦导通，使3脚输出+15V的驱动电压，通过电阻R2对绝缘栅双极晶体管IGBT的栅源极等效电容进行充电，使开通信号具有较好的前沿陡度；当14脚为关断信号时，即高电平，绝缘栅双极晶体管IGBT的栅、源极之间施加-5V的反向偏压，并由二极管D3形成放电回路使绝缘栅双极晶体管IGBT迅速关断。保护电路包括：硬件恒流斩波控制、软件电流控制、驱动信号硬件封锁的三级电流保护功能以及过温、过压保护功能。所述的恒流斩波控制利用载波信号作为同步信号，其中Ig为电流给定信号，If为由电流霍尔传感器得到的电动机绕组电流反馈信号，RPHT’为三相脉宽调制(PWM)发生器SA8282六路输出信号中的一路，经过同向门IC1、电阻R1、电容C1和异或门IC2形成一个与RPHT’具有相同时刻上升沿的小脉冲信号，经过反向器IC3后作为IC4 D触发器(74LS74)的时钟信号，CON1为过电流信号。当实际电流小于给定电流时，CON1为高电平，RPHT’经过一段脉冲延时后得到输出信号RPHT；当电流反馈值大于给定值时，CON1为低电平，立即封锁D触发器的输出，即RPHT为低电平，从而使功率开关器件IGBT关断，使绕组电流迅速下降，当绕组电流小于给定电流时，控制端CON1重新置为高电平，此时只有在IC4的3脚(CLK)为上跳沿时，才使RPHT具有跟随RPHT’的输出。所述的软件电流控制为当电动机绕组电流超过给定电流时，可以通过96单片机的高速输入口HSI进行中断，在中断程序中通过减小电压控制字的值达到抑制绕组电流的目的，并以电流反馈小于软件电流给定作为HSI中断出口条件，即通过查询单片机输入口P0.4的状态实现。所述的硬件封锁利用三相脉宽调制(PWM)发生器SA8282的SETTRIP管脚进行故障保护。当出现故障时，将SETTRIP管脚置为高电平，此时通过内部锁存器快速封锁6路PWM输出，保护功率开关器件，故障情况通过SA8282的TRIP脚接一个发光二极管进行显示。所述的过温保护在线路板上采用AD590进行温度检测，将温度信号转换为模拟电压信号，并由单片机的A/D口读入，线路板的温度保护可由软件灵活进行设定；绝缘栅双极晶体管(IGBT)的过温保护是在散热片上靠近IGBT的附近安装一片AD590进行温度检测，实现方法与线路板的温度保护类似。采用IC卡读写器读取系统电参量数据。

附图说明

图1为本实用新型系统的总体结构图；

图2为本实用新型单片机控制单元电路图；

图3为本实用新型驱动单元电路图；

图4为本实用新型恒流斩波控制环节电路图；

图5为过流保护电路图；

图6为软件电流保护电路图；

图7为本实用新型显示电路图；

图8为本实用新型系统软件流程图；

实施方案

如图1所示，装置采用限流电阻R控制电容充电电流的软起动方式，控制起动时的绕组电流，待正常运行时由时间继电器控制将电阻R短路，三相交流电压经整流全部加在电容滤波C上；逆变电路由三个绝缘栅双极晶体管IGBT模块构成；采用电流霍尔传感器进行电流采样；由16位单片机80C196KC和专用脉宽调制PWM电路芯片SA8282相结合构成控制回路；脉宽调制电路SA8282产生的正弦波脉宽调制SPWM触发信号经光电隔离、功率放大驱动绝缘栅双极晶体管IGBT，使逆变电路工作于SPWM方式。系统通过软件编程实现恒定压频比VVVF控制。系统具有完备的电流保护的功能，并且将“恒流斩波技术”应用到系统的保护上，长时间运行表明装置的保护功能完善，控制系统设计合理。

单片机控制单元如图2所示。该环节由16位单片机80C196KC、程序存储器2764、地址锁存器74LS573、键盘输入电路、串行显示电路以及正弦波产生电路SA8282组成。采用96系列单片机是因为其具有16位×16位乘法指令和8位A/D转换口，可以省去外部的A/D采样电路，从而简化了硬件电路设计。

脉宽调制PWM专用集成电路SA8282，SA8282是英国Mitel公司推出的数字式三相脉宽调制PWM发生器，是一种可编程的电机正弦波脉宽调制(SPWM)驱动波形发生器。其主要特点是：1.工作频率高；2.工作方式灵活；3.具有保护电路功能；4.由SA8282构成的系统具有结构简单、控制方便的特点，易于与计算机进行接口。

功率驱动电路，采用功率放大器件EXB841对控制信号进行放大，驱动主开关器件绝缘栅双极晶体管IGBT。六路功率驱动电路的结构相似，其中的一路见图3。EXB841中的6脚通过快速二极管D1、D2接至绝缘栅双极晶体管IGBT的漏极，以检测V_DS的高低来判断是否发生短路。若发生短路，通过内部电路使EXB841的3脚电位逐步下降，关断IGBT。当14脚为开通信号时即低电平，EXB841的15、14脚有10mA的电流流过，其内部光耦导通，从而使3脚输出为+15V的驱动电压，通过电阻R2对绝缘栅双极晶体管IGBT的栅源极等效电容进行充电，保证开通信号具有较好的前沿陡度；当14脚为关断信号时，即高电平，绝缘栅双极晶体管IGBT的栅、源极之间施加-5V的反向偏压，并由二极管D3形成放电回路使绝缘栅双极晶体管IGBT迅速关断。

保护电路，保护电路的作用是保证功率开关器件能在正常工作条件下运行，当系统出现异常情况时能够及时检测出故障信号并能够及时封锁系统的输出，切断主回路的电源，使系统停止工作，以保证功率器件不受损坏。本系统具有硬件恒流斩波控制、软件电流控制、驱动信号硬件封锁的三级电流保护功能以及过温、过压保护功能。各部分的工作原理如下：

恒流斩波控制，本系统中加入了硬件恒流斩波的控制功能，到目前为止，还未见在变频器中有此项技术的应用。电流恒流控制通常采用的方法是：将三相电流反馈信号与电流给定信号进行比较，根据误差控制功率开关管的导通和关断，系统的结构简单，但该方法却有两大缺点：第一，电流控制精度和功率器件开关频率相互制约，因此电流控制精度受限制，影响转矩的平稳性；第二，开关频率与电流控制精度和电机的参数有关，无法预知，因此不适合高开关频率、大功率的场合。本系统利用载波信号作为同步信号，具体电路如图4所示：其中Ig为电流给定信号，If为由电流霍尔传感器得到的电动机绕组电流反馈信号，RPHT’为三相脉宽调制PWM发生器SA8282六路输出信号中的一路，经过同向门IC1、电阻R1、电容C1和异或门IC2形成一个与RPHT’具有相同时刻上升沿的小脉冲信号，本系统取为500ns，经过反向器IC3后作为IC4D触发器74LS74的时钟信号，CON1为过电流信号。为了分析方便忽略正反馈电阻R4的作用，当实际电流小于给定电流时，CON1为高电平，RPHT’经过一段脉冲延时后得到输出信号RPHT；当电流反馈值大于给定值时，CON1为低电平，立即封锁D触发器的输出，即RPHT为低电平，从而使功率开关器件IGBT关断，使绕组电流迅速下降，当绕组电流小于给定电流时，控制端CON1重新置为高电平，此时只有在IC4的3脚CLK为上跳沿时，才使RPHT具有跟随RPHT’的输出，这样就保证了开关管的开关频率不大于载波频率。由于该控制环节只与载波频率有关，而与负载无关，因此有较好的应用价值。

软件电流控制，电路结构见图6，系统在硬件保护的同时还具有软件保护的功能，即当电动机绕组电流超过给定电流时，可以通过96单片机的高速输入口HSI进行中断，在中断程序中通过减小电压控制字的值达到抑制绕组电流的目的，并以电流反馈小于软件电流给定作为HSI中断出口条件，即通过查询单片机输入口P0.4的状态实现。

硬件封锁电路结构见图5。即利用三相脉宽调制PWM发生器SA8282的SETTRIP管脚进行故障保护。当出现故障时，将SETTRIP管脚置为高电平，此时通过内部锁存器快速封锁6路PWM输出，从而保护功率开关器件，故障情况可以通过SA8282的TRIP脚接一个发光二极管进行显示。

过温保护，任何电子元件以及功率器件都有一个工作范围，温度过高、过低会影响系统的正常工作。本系统具有两种温度保护功能：在线路板上采用AD590进行温度检测，将温度信号转换为模拟电压信号，并由单片机的A/D口读入，线路板的温度保护可由软件灵活进行设定；绝缘栅双极晶体管IGBT的过温保护是在散热片上靠近IGBT的附近安装一片AD590进行温度检测，实现方法与线路板的温度保护类似。

欠压保护，本实用新型具有欠压保护的功能。欠压保护的目的是避免功率开关元件IGBT出现欠压驱动，若出现欠压驱动，则绝缘栅双极晶体管IGBT极易出现烧坏，因此当电源欠压时停止系统工作。

过压保护的功能

本实用新型具有过压保护的功能。过压保护的目的是避免过压运行时产生的高电压击穿功率开关元件IGBT。

显示电路

显示电路如图7所示，由串行显示驱动芯片MAX7219和两片4位7段LED数码管组成，在运行时用来显示频率和电流值。该电路构成简单，最大限度地节省了单片机的资源。

系统软件

系统软件的流程如图8所示，由于变频系统的SPWM波形由专用集成电路SA8282实现，输出频率和电压是由相应的控制字决定，因而减少了程序的运算量，简化了系统的结构，提高了单片机控制的实时性。

本实用新型具有以下优点。

1、低成本经济型变频器

本实用新型变频调速装置由单片机和电机专用集成电路等构成，变频器采用绝缘栅双极晶体管IGBT作为主开关元件，具有完善的保护功能。采用恒定压频比VVVF工作方式，用软件实现正弦波脉宽调制SPWM的波形优化和功能控制。长时间的运行表明装置具有良好的特性，同时与现有的通用变频器相比具有成本低、使用方便的特点。

2、自适应频率调节

本实用新型采用自行研制的变频器对螺杆泵拖动电动机进行控制。关键技术是如何根据油层深度、原油密度以及泵体和传动机构的不同参数灵活地控制变频器的输入。采用一般经典的反馈控制很难对采油装置进行优化控制，因此采用模型参考自适应控制方法解决这一关键。

3、采用IC卡的电量测取方法

本实用新型为了配合油田采油部门对油井的运行状态的分析，需要提取油井采油装置的运行电量参数。采用IC卡读写器读取电流、电压值。

Claims (10)

1.一种螺旋泵自适应变频驱动及电量监测装置，其组成包括：三相整流电路、逆变电路、单片机控制单元、脉宽调制专用集成电路、功率驱动电路、保护电路、显示电路以及IC卡读写装置及相应系统软件组成，其特征在于：整流滤波环节采用限流电阻R控制电容充电电流的软起动，逆变电路由三个IGBT半桥模块构成；电机采用三相Y接工作方式，采用二个电流霍尔传感器进行电流采样，由单片机和脉宽调制专用集成电路构成控制回路，脉宽调制产生的SPWM触发信号经光电隔离，由驱动模块驱动使逆变电路工作于SPWM方式，通过软件编程实现VUVF控制。

2.根据权利要求1所述的螺旋泵自适应变频驱动及电量监测装置，其特征在于：16位单片机为80C196KC、程序存储器为2764、地址锁存器为74LS573、键盘输入电路、串行显示电路以及正弦波产生电路SA8282组成。单片机具有16位×16位乘法指令和8位A/D转换口；

3.根据权利要求1所述的螺旋泵自适应变频驱动及电量监测装置，其特征在于：脉宽调制(PWM)专用集成电路为SA8282三相脉宽调制(PWM)发生器，是可编程的电机正弦波脉宽调制(SPWM)驱动波形发生器。

4.根据权利要求1所述的螺旋泵自适应变频驱动及电量监测装置，其特征在于：功率驱动电路采用EXB841功率放大器件，放大控制信号，驱动主开关器件绝缘栅双极晶体管IGBT。EXB841的6脚经快速二极管D1、D2接至绝缘栅双极晶体管IGBT的漏极，检测V_DS的高低来判断是否短路。若发生短路，通过内部电路使EXB841的3脚电位逐步下降，关断IGBT。当14脚为开通信号时，即低电平，EXB841的15、14脚有10mA的电流流过，内部光耦导通，使3脚输出+15V的驱动电压，通过电阻R2对绝缘栅双极晶体管IGBT的栅源极等效电容进行充电，使开通信号具有较好的前沿陡度；当14脚为关断信号时，即高电平，绝缘栅双极晶体管IGBT的栅、源极之间施加-5V的反向偏压，并由二极管D3形成放电回路使绝缘栅双极晶体管IGBT迅速关断。

5.根据权利要求1所述的螺旋泵自适应变频驱动及电量监测装置，其特征在于：保护电路包括：硬件恒流斩波控制、软件电流控制、驱动信号硬件封锁的三级电流保护功能以及过温、过压保护功能。

6.根据权利要求5所述的螺旋泵自适应变频驱动及电量监测装置，其特征在于：所述的恒流斩波控制利用载波信号作为同步信号，其中Ig为电流给定信号，If为由电流霍尔传感器得到的电动机绕组电流反馈信号，RPHT’为三相脉宽调制(PWM)发生器SA8282六路输出信号中的一路，经过同向门IC1、电阻R1、电容C1和异或门IC2形成一个与RPHT’具有相同时刻上升沿的小脉冲信号，经过反向器IC3后作为IC4 D触发器(74LS74)的时钟信号，CON1为过电流信号。当实际电流小于给定电流时，CON1为高电平，RPHT’经过一段脉冲延时后得到输出信号RPHT；当电流反馈值大于给定值时，CON1为低电平，立即封锁D触发器的输出，即RPHT为低电平，从而使功率开关器件IGBT关断，使绕组电流迅速下降，当绕组电流小于给定电流时，控制端CON1重新置为高电平，此时只有在IC4的3脚(CLK)为上跳沿时，才使RPHT具有跟随RPHT’的输出，。

7.根据权利要求5所述的螺旋泵自适应变频驱动及电量监测装置，其特征在于：所述的软件电流控制为当电动机绕组电流超过给定电流时，可以通过96单片机的高速输入口HSI进行中断，在中断程序中通过减小电压控制字的值达到抑制绕组电流的目的，并以电流反馈小于软件电流给定作为HSI中断出口条件，即通过查询单片机输入口P0.4的状态实现。

8.根据权利要求5所述的螺旋泵自适应变频驱动及电量监测装置，其特征在于：所述的硬件封锁利用三相脉宽调制(PWM)发生器SA8282的SETTRIP管脚进行故障保护。当出现故障时，将SETTRIP管脚置为高电平，此时通过内部锁存器快速封锁6路PWM输出，保护功率开关器件，故障情况通过SA8282的TRIP脚接一个发光二极管进行显示。

9.根据权利要求5所述的螺旋泵自适应变频驱动及电量监测装置，其特征在于：所述的过温保护在线路板上采用AD590进行温度检测，将温度信号转换为模拟电压信号，并由单片机的A/D口读入，线路板的温度保护可由软件灵活进行设定；绝缘栅双极晶体管(IGBT)的过温保护是在散热片上靠近IGBT的附近安装一片AD590进行温度检测，实现方法与线路板的温度保护类似。

10.根据权利要求1所述的螺旋泵自适应变频驱动及电量监测装置，其特征在于：采用IC卡读写器读取系统电参量数据。

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