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抽油机用电动机节能控制系统的研究

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III

抽油机用电动机节能控制系统的研究
[摘要]石油是国民经济的命脉，在国民经济中占有无与伦比的地位，但是我国石油在采油过程中的能耗过大情况令人堪忧。在油田应用领域，游梁式抽油机拖动系统是我国目前油田使用最普遍的一种有杆泵类采油设备，但是一直存在以下几个主要问题：一是系统效率比较低，大马拉小车的现象比较严重；二是游梁式抽油机的载荷特点带有冲击的周期性交变载荷，而且还存在发电问题；三是能耗较大，采油成本增加了；四是半负荷或者轻负荷问题十分严重，使抽油机在一个冲程里有相当一部分时间处于轻载运行。因此提高开采效率、降低采油成本，是目前油田采油亟待解决的问题。
论文介绍了国内外抽油机的发展概况及游梁式抽油机的工作原理，阐述了游梁式抽油机系统效率低下的原因。在此基础上，介绍了油田抽油机常用的节能方法并对其优缺点进行了分析，提出了一种基于变频调速和功率因数闭环控制的节能方案。游梁式抽油机节能装置的硬件部分以AT89C51单片机为核心，包括主电路、控制电路、驱动电路、保护电路、功率因数检测电路和能量回馈电路等部分。主电路采用交-直-交电压型结构；控制电路部分由脉宽调制芯片SA866AE产生SPWM控制信号。AT89C51单片机控制部分由显示电路、键盘电路、复位电路、记忆电功率因数计算电路和频率输出电路等组成；驱动电路选用IGBT专用驱动模块EXB841进行控制信号的放大；保护电路实现过流过压保护、短路保护等功能。软件部分包括SA866AE外接EEPROM初始化参数的设计、单片机控制程序和电机软启动程序，软件采用汇编语言编程。
[关健词]：游梁式抽油机 变频调速 单片机 功率因数闭环 能量反馈

Study of High-efficiency Saving Energy ControlTechonoly for Beam-balanced Pumping Unit
Student: Kong Xiaohong, Electronic&Information College
Guidance teacher: Zhu Qingxiang, Electronic&Information College
[Abstract] Oil is the vitals ofthe national economy，which is incomparable status in the national economy，but the energy oversize consuming and the exploitation inefficiency get onour anxiety in the course of the exploiting in our nation’s oil field．In the oil application field，the beam unit dragging system is a main sort of oil extraction with rod，which is the prevalent manner of our country oil exploitation。However，at present there are someproblems in oil extraction system with rod．System efficiency is very low,therefore，it is very serious the big horse hauls small cart；Load feature of the beam unitis periodical and alterative load with impact sometime there is a problem of generate electricity；It raises the oil extraction of cost due to large energy loss；The problem of halfload of light load is still serious，there is considerable time halfload in a stroke．Therefore，improving the exploitation efficiency,reduce the exploitation cost，which are the exigent problems in the course of exploiting oil.
This paper introduces the present internal and external situation of using the Beam-Pumping Units and analyses the working way of it. Then the paper discusses the cause of low efficiency of the Beam-Pumping Units. On the basis, by comparing different measures of saving energy that have been used in oil fields and pumping machine characteristics, a new saving energy scheme of VVVF and power factor loop control is proposed in this thesis. The controller of the Beam-Pumping Units is based on the AT89C51 single chip micro-computer. The hardware part is made of main circuit, drive circuit, control circuit, protection circuit, power factor and energy regeneration circuit etc. Main circuit adopts the structure of AC-DC-AC voltage source type. The main switch component uses IGBT power module.Control circuit selects pulse width modulation chip SA866AE that can iiigenerate SPWM control signal. The single chip micro-compute control part is power factor detection circuit and frequence output circuit etc. The IGBT drive circuit uses the special-purpose EXB841 module to carry on the
amplification of control signal. Protection circuit includes over-voltage protection, over-current protection, short-circuit protection. The software part comprise the initialization parameters designs of SA866AE’s EEPROM, the program of micro controlled unit and the program of motor soft start. The software programmed with the compilation language.
[Key words]:beam unit dragging system Variable Voltage Variable Frequency single chip micro-computers Power factor closed loop Energy Regeneration。

前言
1 前言
1.1 抽油机的国内外现状
在世界范围内，研究开发与应用抽油机已有100多年的历史。在这百余年采油实践中，抽油机发生了很大变化，特别是近20年来，世界抽油机技术发展较快，先后研究开发了多种新型抽油机。其特点是：增强了抽油机的适应性、可靠性、经济性和先进性；改善了抽油性能，降低了抽油机载荷与载荷变化范围，提高了抽油效率，减少了动力消耗，提高了抽油机平衡效果，改善了抽油机的运动特性、动力特性与平衡特性；增大了抽油机的使用范围，减小了抽油机体积和质量，强化了抽油机自动化与智能化程度。总之，抽油机的各项技术经济指标达到了有史以来的最高水平。
目前我国采用最广泛的是游梁式抽油机。游梁式抽油机具有结构简单、制造容易、可靠性高、耐久性好、维修方便、适应现场工况等优点，在采油机械中占有举足轻重的地位。在今后相当长的时间内仍是油田的首选采油设备，但是由于常规机本身的结构特征，决定了它平衡效果差，曲柄净扭矩脉动大，存在负扭矩、载荷率低、工作效率低和能耗大等缺点。在采油成本中，抽油机电费占30％左右，年耗电量占油田总耗电量的20％～30％，为油田电耗的第二位，仅次于注水。游梁式抽油机抽油系统的总效率在国内一般地区平均只有12％～23％，先进地区至今也不到30％。由此可见降低抽油系统高能耗的迫切与难度。经过20多年的不懈发展，正在不断涌现出各种各样的新型节能抽油机。
1.2 本课题的选题背景及意义
1.2.1 本课题的研究背景
游梁式抽油机采油是我国大陆上采油的主要方式，抽油机井占我国油井的80％。对于国内普遍应用的游梁式抽油机拖动系统而言，主要存在以下几个问题：一是大马拉小车的现象较严重；二是普通电动机的机械特性与抽油机不相适应；三是空抽问题十分严重；四是抽油机电动机发电时对电网造成不良影响。
游梁式抽油机平衡效果不好导致了抽油机的能耗加大，致使采油成本增加，另外还严重影响曲柄连杆机构、减速器及电动机的效率和寿命，同时也降低了抽油杆的可靠性。游梁式抽油机是惯性矩较大的机械设备，工作时带载启动，为了满足启动要求，游梁式抽油机一般都配备额定功率较大的电机来拖动。另外，抽油机的载荷是带有冲击性的交变载荷，为使拖动电机稳定运行并具有一定的过载能力，需要按照抽油机的最大扭矩来选配电机，然而抽油机所需要的平均功率并不大，因此，这使“大马拉小车”的现象尤为严重。因此，拖动电机长期在低效率、低功率因数的工况下运行，降低了整个抽油机系统的效率，浪费了大量的电能，从而增加了油田建设的投资。
游梁式抽油机在完成一个抽油周期(冲次)的过程中，上、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，游梁式抽油机都设计有配重悬锤。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，即使是同一口油井，随着开采过程的进行，井下液位也会发生较大变化，这些都直接影响着电机的运行，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，三相异步电机往往处于两种工作状态，即电机除工作在电动状态之外，在每个冲次期间，电机都会进入再生倒发电反馈制动状态运行一定时间。在现场实际运行的游梁式抽油机，几乎全都不同程度地存在着电机再生倒发电现象。短暂的发电运行是发动机的不良状态，在转差S的绝对值较小时，效率和功率因数等较低，由于异步电动机的发电运行必须从电网吸收滞后的无功功率用来励磁，因此，加重了电网的无功功率上的负担，降低了电网的功率因数cos。
另外，我国油田地质状况决定了大部分油井在经过一段时间的开采后就会出现抽空现象。在国外除中东石油国家外的油田同样存在油井抽空现象，具体表现为电动机轻载或接近空载运行。由于抽油机是按照油井最大化的抽取量来进行选择的，并且还留有设计余量。随着油井由浅入深的抽取，井下液面逐渐下降，泵的充满度越来越不足，直到最后发生抽空的现象，如果不加以控制，就会白白地浪费大量的电能。
1.2.2 本课题研究的实际意义
传统的游梁式抽油机或其它变型的抽油机，由于机械装备自身结构的限制，在设定的工作条件下，抽油机的运动特性限定了无法随时改变其冲程长度和冲次数。这就使得抽油机不可能完全适应井下抽油机泵的工作需要，因此地层中油通过抽油泵阀，不可能达到合理的动态协调，在这种情况下工作的抽油机-抽油泵系统，其工作泵效低，冲击载荷大，抽油机-抽油泵的事故多，能耗也比较高。在油井情况复杂时，上述弊端更为严重。
本课题针对上述抽油机普遍存在的实际问题以及抽油机拖动电机的具体情况，理论设计一种游梁式抽油机中，变压变频调速系统，改善抽油机电机的工作状态，解决游梁式抽油机电机由于“大马拉小车”而带来的功率因数和效率较低的问题。
1.3 本课题的研究内容
本课题以拖动游梁式抽油机的三相异步电机为控制对象，针对抽油机拖动系统存在的问题，拟将高功率因数的变频调速节能控制方案应用于抽油机，从而实现抽油机的最优控制。
所做的具体工作总结如下：
（1）针对抽油机节能所涉及到的基础知识包括异步电动机结构及其节能机理、SPWM波的原理及应用、电压波形整形和逆变原理、IGBT开关器件的工作原理等查看相关课本及资料，对抽油机节能原理有一个整体印象。
（2）在查阅、分析了国内外相关领域资料的基础上，对抽油机技术的发展、抽油机节能技术的发展与应用进行总结概述。
（2）针对游梁式抽油机拖动系统存在的现实问题，针对几种方案进行对比，提出一种闭环控制策略——在变频调速的基础上增加功率因数控制的节能方案。
（3）为实现系统的控制方案，对变频节能控制系统进行硬件和软件设计，包括主电路设计、变频装置（单片机控制电路）设计、IGBT驱动电路设计、保护电路设计、功率因数检测电路设计。为了使该系统达到最佳节能效果，在硬件设计中加入能回馈环节。

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方案论证
2 方案认证
2.1 游梁式抽油机的基本结构
抽油机是有杆深井泵采油的主要地面设备。游梁式抽油机主要由游梁-连杆-曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装置等四大部分组成。工作时，动力机将高速旋转动力通过皮带和减速箱传给曲柄轴，带动曲柄作低速旋转，曲柄通过连杆经横梁带动游梁作上下摆动，挂在驴头上悬绳器便带动抽油杆柱作往复运动。抽油机结构简图如图2-1所示。

图1 抽油机结构简图
1-刹车装置;2-电动机;3-减速箱皮带轮;4-减速箱;5-输入轴;6-中间轴;7-输出轴;8-曲轴;9-连杆轴;10-支架:11-曲柄平衡块:12-卜连杆;13-横架轴;14-横梁;15-游梁平衡块;16-游梁;17-游梁轴;18-驴头:19-悬绳器:20-底座
2.2 游梁式抽油机的节能机理
目前，抽油机拖动电动机主要从以下三个方面实现节能：
一、用新型电动机来改变异步电动机的硬机械特性，降低抽油机的启动能耗，如用超高转差率电机替代目前的普通电机。超高转差率电动机机械特性较软，使上冲程转速减慢，减小了驴头的速度和加速度，从而大大减小了抽油系统的动载和电机的峰值扭矩，其结果可使减速箱的扭矩减小 10%~20%，这既可节电，又可延长减速箱使用寿命和减少抽油杆断脱。但目前此类驱动电机因制造成本和销售价格较高，广泛使用受到一定限制。
二、人为地改变电动机的机械特性，以实现与负荷特性的柔性配合。如在电动机配电装置旁就地安装补偿电容器。加入电容后，将电动机所吸收的无功功率由电容来补偿，从而使电网输送的无功功率减少，功率损耗下降，达到节电目的。
三、提高电动机的负荷率和功率因数。如电磁滑差电动机、稀土永磁同步电动机、变频调速电动机、电动机调压装置等。
1）电磁滑差电动机
电磁滑差电动机又名“电磁调速异步电动机”,其特点是在笼型异步电动机轴上装有一个电磁滑差器,并由晶闸管控制装置离合器励磁绕组的电流,改变这一电流,即可调节离合器的输出转速。滑差电动机的优点为结构简单,运行可靠,维护方便,加工容易,能平滑调速用闭环系统可扩大笼型异步电动机的调速范围;其缺点是必须增加滑差离合器设备,调速时效率低,在负载转矩小于10%电磁转矩时,可能失控(即存在不可控区)。
2）永磁同步电动机
这种电动机采用封闭式外壳结构，适用于户外工作环境，而外形结构和安装尺寸与Y系列电动机完全相同，现场换用非常方便。它除保留了原异步电机结构简单、使用方便、经久耐用等优点外，还具有如下特点：运行效率高，额定效率可达到 94%以上；运行功率因数高，额定功率因数设计在0.95左右，且在轻载时还高于额定值，甚至在一定范围内还呈现容性，起到补偿功率因数的作用，保证了整个冲程内的自然平均运行功率因数在 0.90 以上；装机功率平均降低 30%左右，启动电流减小，动态启动转矩倍数提高，改善了电动机的启动性能。
但永磁同步电动机本身是硬特性，运行中无转差，和高转差电机相比，没有消减振动载荷的能力，反会增大对减速箱齿轮的冲击损害。另外由于铁硼钕材料本身的居里点目前只在120℃～130℃，一旦电机烧毁，转子就会失磁，若再充磁就需要专用设备，这给用户带来不便。此外转子极数已定，不能适应参数调整的需要实行变极调速，对现有旧电机的改造也很困难。
3）调压节能装置
调压节能装置的基本原理是根据电动机的负荷率的变化，不断调节电动机的输入端电压，使电动机运行在最佳状态。抽油机运行时，电动机的输入电压随着抽油机井的载荷变化自行调节，即载荷小时电动机的输入电压下降，载荷大时电动机的输入电压升高。因此，降低输入电压，减少了电动机的损耗，提高了电动机的运行效率，同样能达到节能的目的。调压节能装置的节电率在 15%左右，节电率与负荷率成反比。
值得注意的是，调压节能装置调压时的谐波分量较大，电动机运行时容易引起过热；当控制角达到一定值时，还会导致电动机冲击振动，降低其寿命。另外，调压节能装置成本太高，抽油机在户外工作，环境恶劣，设备损坏后油田无法自行维护。
4）变频调速电动机
这种方案是在普通三相异步电动机电源上加变频控制装置，降低了电动机的容量，负荷率得到较大提高，变频器的输入功率因数接近1，并且改变了上、下冲程的速比，也改善了抽油系统的配合。这种方案无论从电动机本身还是从系统配合上都达到了节能目的。目前存在的问题是，发电时不能回馈，要通过电阻把发电能量放掉。另外，一次投入大，现场管理难度大，而且变频器本身也有功率损耗（约3%），变频器的谐波对电网有影响，并会使电动机附加损耗增大。但随着电力电子及各种控制技术的发展，变频调速技术存在的问题必将得到很好的解决，因此，鉴于变频调速技术在节能方面的优越性，它将是今后抽油机节能研究的重点。
2.3 异步电机节能方案的确定
异步电动机具有结构简单、价格便宜、可靠运行、维护方便等优点，虽在调速性能上比不上直流电动机，但人们已研制出各种各样的异步电动机的调速方式，根据异步电动机的转速方式，
(1)
异步电动机的调速方式有以下三种：
(1) 变极调速。
(2) 变频调速。
(3) 改变转差率s调速。
改变电动机定子的磁极对数，通常用改变定子绕组的接法来实现。这种方法适用于鼠笼式异步电动机，因为它的转子无固定的极对数，它的极对数随定子数而定。而绕线式异步电动机要改变极对数必须定、转子同时改变接线，结构复杂，操作麻烦，另外它是有级调速，对抽油机来说，不宜采用变极调速。
改变转差率s调速包括转子电路串电阻调速、改变定子电压调速和串级调速等，这些调速方法的共同特点是在调速过程中都产生大量的转差功率，并消耗在转子电路里，很不经济，因此在游梁式抽油机的改造中很少采用。
改变频率调速：如果转差率波动范围较小或者变化非常小的时候，n与频率就成线性关系，随着n的增大而提高。异步电机转速的变化快慢是可以调节的，当电源频率改变时电机的转速相应的加快或者变慢。利用变频调速的技术时，尽可能的维持主磁通维持原有值，这样对系统的控制是有利的，当大于的时候，激励电流变大是由磁路饱和引起的变大，这样功率因数值也会降低；若小于，则电机转矩下降。为了问题的方便电子漏阻抗很小，可以省去不考虑的情况下，其中为系统平稳运转时的主磁通，得
(2)
在变频的过程中，为让保持定值不变，此时应让的比值为定值。下面先推导电机变频前后电磁转矩的关系。由上式，最大电磁转矩为
（3）
由于频率不是常量，，故，其中
要想让电机负载全部都能达到电流的额定值，并且电机处在转速不同的时候，也就是说电机不停的在运转，那么磁通会发生变化，同时转矩也会随之变动，如果处在基频之上的话，转矩下降的同时，转速就会升高，由以上判断磁通和转矩都是不变的，因为工作模式是在基频之下。
通过以上理论得知，异步电机变频调速的特点如下：
1．无级调速是可以的，频率连续自由调节；
2．电动机在变频调速过程时调速范围比较宽；
3．恒功率调速是在基频之上，而恒转矩调速是在基频以下。
1）基频以下调速
由式(2)可知，在定子相电压不变的情况下，若单单降低定子的频率，这样会使磁通量增大很多。便会有主磁路过饱和，励磁电流急剧增大，铁耗增加，功率因数下降，电机容量得不到充分的利用。因此，在调节定子频率同时，也应适当改变定子电压，以保持磁通不变，或者保持电机的过载能力不变。电机过载能力为
（4）
式中：
——电机过载倍数；
——最大转矩；
——额定转矩。根据电机学原理，将最大转矩公式代入上式中可得：
（5）
式中，常数，、为定、转子绕组的漏电感。
若令电压随频率作正比变化，则：
（6）
对于恒转矩负载，，可得：
（7）

图2 恒压频比控制特性
1-无补偿 2-带定子压降补偿
所以，若能保持电压与频率成正比调节，则在调速过程中既能使过载能力不变又能满足磁通不变。在基频以下调速时，频率变小，最大转矩不变，而启动转矩减小。电压较小，定子漏磁阻抗压降所占的分量比较显著，不能再被忽略。这时，需要人为调高电压，补偿定子压降，以便维持电机具有足够的启动转矩。带压降补偿的控制特性如图2中的直线2所示，没有补偿的控制特性如直线1所示。在实际应用中，由于负载的大小不同，需要补偿的定子压降值也不一样。
2）基频以上调速
在基频以上调速时，频率可以从往上增高，但电压U却不能增加的比额定电压U1N还要大，最多只能保持U=U1N，由式(2)可知，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。
把基频以下和基频以上情况结合起来，就可得图3所示三相异步电动机变频调速控制特性。如果电动机在不同转速下都具有额定电流，则电机都能在温升允许条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，属于“恒转矩调速”的性质，而在基频以上，基本上属于“恒功率调速”[24]。

图3 异步电机变压变频调速特性
本文采用变频调速SPWM技术作为改造游梁式抽油机的主要技术，同时以单片机作为数据采集、处理、信号变换和传递的控制部件，用霍尔电压传感器和电流传感器检测电动机的定子方的电压、电流，获得功率因数数据，作为节能控制装置实现闭环控制的依据。
2.4 变频调速的脉宽调制（PWM）控制技术
2.4.1 PWM控制的基本原理
脉冲宽度调制型变频电路通常称为 PWM（Pulse Width Modulation）型变频电路。这种PWM型变频电路主要有以下特点：
（1）可以得到相当接近正弦波的输出电压；
（2）整流电路采用二极管，可获得接近1的功率因数；
（3）只用一级可控的功率环节，电路结构较简单；
（4）通过对输出脉冲宽度的控制即可改变输出电压，大大加速了变频控制装置的动态响应。
由于上述原因，在自关断器件出现并成熟后，PWM控制技术就得到了很快的发展。PWM型逆变电路得到了广泛的应用，现在PWM控制技术已成为电力电子技术中一个非常重要的组成部分，它对提高电力电子装置的性能，推动电力电子技术的发展起着巨大作用，也是本课题使用的主要技术。
在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积，这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把输出波形用傅氏变换分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异，例如图4(a)、(b)、(c)所示的三个窄脉冲形状不同，图4(a)为矩形脉冲，图4(b)为三角形脉冲，图 4(c)为正弦半波形脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么，当它们分别加在同一惯性环节上时，其输出响应基本相同。脉冲越窄，其输出的差异越小，当窄脉冲变为图2-3(d)的单位脉冲函数时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。

图4 形状不同而充量相同的各种窄脉冲
上述结论是PWM控制的重要理论基础。下面分析如何用一系列等幅而不等宽的脉冲代替一个正弦半波。
把图5(a)所示的正弦半波波形分成等份，就可把正弦半波看成由此相连的脉冲所组成的波形。这种脉冲宽度相等，都等于，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（冲量）相等，就得到图5(b)所示的脉冲序列。
假设图中正弦波可表示成，矩形脉冲幅值为，第i个矩形脉冲宽度为，其中心点相位角为，则根据面积相等的等效原则，

（8）
当 n值较大时，有
（9）
（10）
这就是说，第i个脉冲的宽度与该处正弦波值近似成正比，因此各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM 波形。像这样脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM波形，称为 SPWM（Sinusoidal PWM）波形。

图5 PWM控制的基本原理示意图
在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交-直-交变频装置中，整流电路采用不可控的二极管电路即可，PWM 逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。
上面说明了 PWM 控制的基本原理。按照上述原理，在给出了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM 波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来，按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的 PWM 波形。但是，这种计算很繁琐，正弦波的频率、幅值变化时，结果都要变化。较为实用的方法是采用调制的方法，即把所希望的波形作为调制波（Modulating wave），把受调制的信号作为载波（Carrier wave），通过对载波的调制得到所希望的 PWM 波形。在SPWM中常用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度和宽度成线性关系且左右对称，当它与一个正弦调制信号波相交时，如在交点时刻控制
电路中功率开关器件的通断，就可以得到一组幅度相等而脉冲宽度正比于对应区间正弦波曲线函数值的矩形脉冲，这正是 SPWM 所需要的结果。
按调制脉冲的极性不同，PWM 可分为单极性和双极性调制方式。在调制信号的半个周期内载波只在一个方向变化，所得到的 PWM 波形也只是在一个方向变化的控制方式称为单极性 PWM 控制方式；而在双极性方式中调制信号的半个周期内，载波是在正负两个方向变化的，所得到的波形也是在两个方向变化的。
2.4.2 SPWM型逆变电路的控制方式
在PWM逆变电路中，载波频率与调制信号频率之比称为载波比。在不考虑死区时间情况下，载波比N越高，输出电压波形中谐波含量越少，也就是说输出波形越接近正弦波。在实际应用中，应考虑到死区时间的影响以及开关损耗，载波频率一般不超过20kHz。根据载波和调制波是否同步及载波比的变化情况，SPWM逆变电路可以分为异步式、同步式和分段式三种控制方式。
（1）异步控制方式 载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步方式。在异步调制方式中，调制信号频率变化时，通常保持载波频率固定不变，因而载波比N是变化的。这样，在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉冲相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称。同时，半周期内前后 1/4 周期的脉冲也不对称。
当调制信号频率较低时，载波比N较大，半周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称的影响都较小，输出波形接近正弦波。当调制信号频率增高时，载波比N就减小，半周期内的脉冲数就减少，输出脉冲的不对称性影响就变大，还会出现脉冲的跳动。同时，输出波形和正弦波之间的差异也变大，电路输出特性变坏。对于三相 PWM 型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。因此，在采用异步调制方式时，希望尽量提高载波频率，以使在调制信号频率较高时仍能保持较大的载波比，相应地减少固有谐波含量，改善输出特性，以减轻电动机的谐波损耗和转矩脉动。当今，变频装置以MOSFET 和 IGBT 为开关器件，开关频率较高，N值足够大，因此基本上都采用异步调制方式。
（2）同步控制方式 载波比N等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式称为同步调制。在基本同步调制方式中，调制信号频率变化时载波比N不变。调制信号半个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。在三相 PWM 逆变电路中，通常共用一个三角波载波信号，且取载波比N为 3 的整数倍以使三相输出波形严格对称，同时，为了使一相的波形正负半周镜对称，N应取为奇数。
当逆变电路输出频率很低时，因为在半周期内输出脉冲的数目是固定的，所以由 PWM调制而产生的附近的谐波频率也相应降低。这种频率较低的谐波通常不易滤除，如果负载为电动机，就会产生较大的转矩脉动和噪声，给电动机的正常工作带来不利影响。
（3）分段同步控制方式 实际工程应用中，多采用“分段同步控制”方式，该方式结合了同步控制方式和异步控制方式的优点，而克服了两者的不足。在低频运行时，使载波比呈有级增大，在有级地改变逆变器输出电压半波内 PWM 脉冲数目的同时，保持其半波和三相对称的关系，从而改善了系统的低频运行特性，并可消除由于逆变器输出电压波形不对称所产生的不良影响。
2.4.3 SPWM控制信号的生成方法
根据上述 PWM 逆变电路的基本原理和控制方法，可以用模拟电路构成三角波载波电路和正弦调制波电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制，就可以得到 SPWM 波形，但这种模拟电路结构复杂，难以实现精确控制，这种方法已很少使用。
目前，SPWM 波形的生成和控制多用数字方法来实现。具体的可以用微机软件法生成 SPWM 波形，也可以采用大规模集成电路芯片或电动机专用调速控制芯片等方法来产生 SPWM 波形。
微机软件产生 SPWM 波的方法，有表格法、随时计算法、实时计算法。前两种方法没有实时处理功能，动态响应时间较慢。第三种方法要有数学模型，常用的有自然采样法、规则采样法（又分为对称规则采样法和不对称规则采样法）、谐波消去法、等效面积法等。这些方法其效果受到指令功能、运算速度、存储容量和兼顾其他算法功能的限制，有时难以有很好的实用性。其调制频率以及系统动态响应速度都不是太高，很难适应高频电力电子器件高开关频率的需要。
专门用于产生 SPWM 波形的大规模集成电路芯片也得到了广泛应用，比如 Mullard 公司的HEF4752，这种芯片可以输出三对互补的 SPWM信号用来驱动三相桥式逆变电路，从而实现交流电机的变频调速；Siemens 公司的 SLE4520，其开关频率和输出频率分别可达 20kHz 和2.6kHz，有三个输出通道提供三相逆变桥 6 个 20mA 电流的驱动信号，可用来驱动 IGBT 逆变电路；Mitel 公司的 SA4828、SA866AE 等。采用专用芯片可简化硬件电路和软件设计，降低成本，提高可靠性。
另外，为了满足电动机高性能复杂控制的需要，也可采用数字信号处理器（Digital Signal Processing，DSP）、现场可编程逻辑阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）或复杂可编程逻辑器件（ComplexProgrammable Logical Device，CPLD）等方案产生SPWM信号，但设计成本和复杂性会大幅提高。
鉴于简单灵活控制、性能和成本等各方面考虑，本文所设计的变频装置采用微处理器和专用 SPWM 芯片相结合的方式来产生SPWM驱动信号。微处理器选用美国 Atmel 公司的 AT89C51 八位通用单片机，专用SPWM 芯片选用 Mitel 公司的三相PWM交流电机脉宽调制芯片SA866AE，通过单片机对SA866AE的控制产生 SPWM信号来驱动主电路的IGBT进行逆变。

变频控制装置的硬件与软件设计
3 变频控制装置的硬件与软件设计
3.1 变频控制装置的硬件设计
3.1.1 变频控制装置的设计思想
游梁式抽油机变频控制装置拟根据驱动电动机实际负载的变化情况，实时控制电动机端电压的变化；同时进行电动机输出电压、电流相位检测，实时控制电机功率因数，降低电机的损耗，提高电机效率，最终实现游梁式抽油机节能降耗的目的。
除此之外，本装置还具有欠/过压保护、过流/过载保护、缺相保护、漏电保护，防谐波窜扰、故障切换报警及来/断电保护等功能。
图6是节能控制装置的原理框图。整个系统由主电路部分、控制电路部分、驱动电路部分以及保护电路部分等组成。主电路部分由AC/DC整流电路和 IGBT 逆变电路构成，380V 交流电压经二极管整流模块整流，大电容滤波后送到 IGBT 三相逆变器，功率开关器件选用第三代IGBT及续流二极管，由逆变器送出频率可变的交流电供给电动机。

图6 节能控制装置设计方案框图
控制电路部分采用微处理器和专用PWM脉宽调制芯片SA866AE相结合的方式来产生 SPWM 驱动信号，微处理器选用美国Atmel公司的8位通用单片机AT89C51。
驱动电路采用 IGBT 专用驱动模块 EXB841，其内部设有保护电路，并有报警输出端，设计相应的外围电路，使它接收来自波形发生器的信号，经光电隔离驱动 IGBT 模块。
保护电路由脉宽调制芯片 SA866AE 的 SETTRIP 引脚引出，具有过压保护功能，当电机发生故障时可以迅速关