油田抽油機節能綜合保護裝置控制電路的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明電路涉及一種油田抽油機節能綜合保護裝置的主控制模塊，屬于電子電路 設計領域。
【背景技術】
[0002] 抽油機節能裝置是實現抽油機高效節能的節能設備，而如何使該裝置能夠動態快 速響應電機的運行狀態進行適度無功補償是控制電路需要解決的關鍵問題。本發明電路是 將采集的電壓、電流信號通過硬件計算與系列波形變換得出功率因數，然后將實際功率因 數與設定基準值比較，根據比較結果輸出對應控制信號，使無功補償及時、有序、適度地進 行。

【發明內容】

[0003] 該發明電路是為油田抽油機節能綜合保護裝置高效節能的性能得以安全、可靠、 合理地實現而發明設計的，其技術方案可概括如下：
[0004] 1、為得到電機的功率因數，采集電機運行的電壓、電流信號，通過硬件計算得出Ua 與Ia的相位差Φ。
[0005] 由于我們需要的電機功率因數是相電壓Ua和相電流Ia的夾角余弦值cosΦ，而實際 使用電參量傳感器只能采集到的是線電壓Uab與電流Ia，所以我們需要將U ab和Ia的夾角Ψ減 去其二者的自然相位差30°即可得到Φ，即Φ = Ψ -30°。
[0006] 2、將相位差Φ轉換為對應數量的計數脈沖。
[0007] 通過倍頻電路IC7和IC8將采集的工頻信號十倍頻，即平分1024份，這樣經過一系 列門電路與二進制計數芯片可把相位差Φ轉換為對應數量的計數脈沖1024Φ/360,并以此 作為計數器的時鐘輸入信號。
[0008] 3、采用低功耗、高可靠性，并行接口鐵電存儲器IC21存儲相位差對應余弦值。
[0009] 以上述計數器輸出量（即相位差對應的計數脈沖個數)作為存儲器IC21地址，以相 位差Φ(0~180°)對應的余弦值(即功率因數，這里轉換為16進制數表示)作為數據輸出。
[0010] 4、通過模/數轉換電路IC20和IC19將功率因數轉換為模擬電壓信號與給定的基準 值做差比較。
[0011] 5、根據上述比較結果和設定的誤差范圍得出無功補償的狀態信號UP、Ud。
[0012] ①^令功率因數偏低，需投入補償電容；
[0013] ②功率因數過高，需切斷補償電容； >〇
[0014] ③功率因數適中，補償保持當前狀態。 Ud =°
[0015] 6、根據上述UP、Ud信號，合理設計硬件邏輯控制電路，實現補償電容的有序投切。
[0016] 補償電容分為三組，編號I、2、3，投入順序為：I、2、3，切斷順序為:2、I、3，且每組投 切間隔為〇.5s。（第3組最后投切的原因是該組電容設計為大容量，不適宜頻繁投切，否則影 響穩定性。）
[0017] 7、設計20s延時啟動電路，使該發明電路上電20s后工作。
[0018] 8、設置故障檢測信號。
[0019]故障檢測信號可控制邏輯電路的輸出信號，即當故障發生時，故障信號可封鎖該 發明電路的輸出;反之，沒有故障，該電路可正常運行、輸出。
[0020]該發明電路的有益效果：
[0021] 1、通過合理地設計電路，恰當地選取電子器件，將采集的電壓、電流信號經硬件電 路計算與轉換得到所需的實際功率因數；
[0022] 2、直接對我們需要改良的電參量-功率因數進行采集與調節，使節能裝置無功補 償更及時、節能效果更理想；
[0023] 3、邏輯控制電路的合理設計，實現了補償電容的有序投切；
[0024] 4、采用延時電路，可對電路板進行上電保護，并接有故障檢測信號，確保節能裝置 安全運行。
【附圖說明】
[0025]圖1為電機運彳丁中電壓Uab和電流Ia彳目號米集的電路原理圖。
[0026]其中I為采集的電流信號;PE為接地信號；Tl為電流互感器；Ia為變換后的電流信 號;Ua、Ub為米集的線電壓信號:T2為電壓互感器;Uab為變換后的線電壓信號。
[0027]圖2為51.2ΚΗζ方波信號發生電路原理圖。
[0028]其中CP為51.2ΚΗζ方波信號。
[0029] 圖3為計算電壓信號Ua與電流信號Ia相位差的電路原理圖。
[0030] 其中85CP為85個脈沖計數信號;CPl為相位差前30°對應的脈沖信號;CP2為相位差 除去前30°后對應的脈沖信號;CP3為相位差超過90°時的脈沖控制信號;CR為相位差的反向 信號;R為ICl 1的輸出信號。
[0031] 圖4為計算電機功率因數的電路原理圖。
[0032] 其中OUT為實際功率因數對應的電壓值;Ql~Q8為IC17的輸出信號;01~08為IC21 的地址輸入信號;DO~D7為IC21的數據輸出信號。
[0033]圖5為設定實際功率因數與基準值之間誤差范圍的窗口電路原理圖。
[0034]其中REF為基準源電壓;*U為實際功率因數與設定值的差值;U-為*U的下限值;U+ 為*U的上限值;UP*IC26的輸出電壓;Ud為IC27的輸出電壓。
[0035]圖6為輸出控制補償電容器投切信號的邏輯控制電路原理圖。
[0036]其中⑶為故障檢測信號;0UT1、0UT2為IC35分頻輸出信號;QOl~Q03為輸出控制信 號。
[0037] 圖7為實際功率因數偏低時補償電容控制信號波形圖。
[0038] 圖8為實際功率因數過高時補償電容控制信號波形圖。
[0039] 圖9為20s延時電路原理圖。
[0040] 上述附圖中:Rxx代表電阻;Cxx代表電容;Dxx代表二極管;ICxx代表集成電路。并且各 圖中標號一致的部分均代表相同的信號。
【具體實施方式】
[0041] 請參閱附圖，下面結合附圖對本發明的實施作詳細描述：
[0042] 1、電機運行中電壓、電流信號的采集與處理。
[0043]①采集電機運行中的電流信號I，首先經過精密電流互感器Tl，再通過并聯電阻 R25將電流信號轉換為電壓信號，然后依次經過由1?17、036、1?18、037組成的兩級1^低通濾波 電路，1(：1、1?19、1?26、1?47組成的運算放大電路，102、1?58組成的過零比較電路以及反相器1〇3 得到清晰、無抖動的電流信號Ia，如圖1。
[0044] ②采集電機運行中的線電壓Uab，經過精密電壓互感器T2和同樣的兩級低通濾波電 路、運算放大電路、過零比較電路以及反相器IC6得到穩定的電壓信號U AB，如圖1。
[0045] 該部分對于電流、電壓信號的濾波處理采用型號與參數一致的元件，目的是確保 Uab與Ia的相位差不受濾波電容的影響。
[0046] 2、通過硬件電路獲取相電壓Ua與相電流Ia相位差Φ。
[0047]①將50Hz方波信號進行10倍頻(均分1024份）
[0048]如圖2所示，采用鎖相環芯片IC7(IC7可選用4046等集成電路)與二進制串行計數/ 分頻芯片IC8構成十倍頻電路，倍頻輸出信號CP為50HzUAB信號10倍頻后得到的51.2KHz方波 信號。該電路中C5、C6與R13的參數匹配很關鍵，并且需要選用精度較高的電容才可以得到 穩定的CP信號。
[0049]②計算相位差Φ。
[0050]