電動機節能技術的研究-畢業論文-文庫吧

【正文】 量輸入通道:電機的轉軸，輸入機械能量。轉子繞組，輸入電能。兩個能量輸入通道輸入的機械能和電能，經氣隙磁場轉換疊加，在恒頻率、電壓控制支持下，當轉軸輸入的機械功率小于(或大于)負載功率時，系統將自動從電網、經變頻器和轉子繞組吸入(或回饋)電功率給予補足(或扣除).這一特征說明雙饋發電機在正常運行時，以它為核心，可構成“隨機能量捕捉器”，在雜散自然能量的采集利用方面發揮影響。 節能控制分為調壓節能和變頻節能兩種。在調壓節能控制中，不是根據功率因數的變化來控制電動機的定子電壓，而是由定子電流的大小及電流的變化率的變化趨勢來控制定子電壓，這樣可以使控制回路的接線方式非常簡單。在變頻節能控制中，可以充分利用當今豐富的單片機資源優勢，提高控制器的可靠性，降低開發成本。眾所周知，在輕負載下，適當降低電動機定子電壓，定子電流將隨之減少，且電動機的輸出功率仍可保持不變。在固定負載下，定子電壓降低到一定程度后，定子電流不但不會降低，反而會逐步增大，這種情況一般是不允許的。因此，隨電動機定子電壓的變化，逐步跟蹤其定子電流的變化軌跡，定子電流由緩慢降低到突然增大一瞬間所對應定子電壓就是要尋找的最佳電壓值。實驗表明，在接近滿載的情況下，電動機的定子電壓仍可適當降低。節能控制器的根本目的在于:在保證負載需求的情況下，盡可能地降低系統輸入功率。這樣，加裝了節能控制器的電動機，不僅可以節約有功功率，也可以節約無功功率。實驗結果表明，在一般負載下，應用調壓節能控制器，可節電5%～10%，在空載運行方式下，可節約有功功率70%左右。與同類其他節能裝置相比，具有技術簡單、效率高的特點，且調壓控制器的成本可做得很低，其節能效率還可進一步提高。電動機調壓節能控制器由如圖12所示的幾個主要部分組成，其中推理主要由軟件完成，這樣可以最大限度地減少控制器的硬件成本。～380V電壓過零檢測單片機信號控制光電隔離波形整形基極驅動電動機負載系統電動機調壓主電路緩沖電路保護電路電流檢測波形整形A/D轉換微分推理圖12 調壓節能控制器原理框圖 在調壓節能控制器中主要采用兩種控制方式，即PWM方式與通斷方式，兩者在不同的負載下各有特點，對慣性較大的負載，采用通斷控制方式可在保持輸出波形不失真的同時，模擬自然風運行，節電約60%。調頻節電控制器的觸發電路與調壓節能控制器的控制電路基本一樣，(如圖13所示)。但其主電路比后者要復雜一些。在控制方式上，以保持電動機氣隙磁通恒定為目標，即在正常調節過程中，始終保持u/f基本不變，在調頻的同時自動調節電動機定子電壓。在電動機低速運行時，它采用PWM控制策略，應用推理可以用最簡潔的方式處理定子電壓補償問題。 綜合節能控制器的設計、開發過程，并與傳統的節能控制方法相比較，不難發現模糊節能控制器具有以下顯著特點: ，它甚至可以不考慮電動機的詳盡運行過程，基于幾條簡單的實驗曲線即可開始模糊節能控制器的設計過程。 ，對不同的電動機可以采用同樣的推理軟件，它可自動跟蹤負載變化，取得較好的節能效果。 ，包容面大而廣，具有較強的自適應能力。 4。節能控制器的輸入變量可多可少。在電動機節能控制器設計過程中，雖然選擇了較少的控制變量，但取得了較好的控制效果，同時也節約了用于測量的傳感器。 ，主要推理工作及PWM生成策略均由軟件實現。負載系統電動機保護電路波形整形A/D轉換微分推理單片機信號控制光電隔離波形整形基極驅動電動機調壓主電路緩沖電路電流檢測圖13 PWM控制器原理框圖保護整流濾波～380V 本文所做的主要工作 抽油機是我國石油行業的傳統設備，也是采油過程中的主要耗電設備，據不完全統計，我國各油田現正在服役的抽油機共有十四萬多臺，其用電量約占油田總用電量的80%左右。由于抽油機負載呈周期性變化，現運行的抽油機驅動電機幾乎全為大馬拉小車，負載率和效率都很低，統計結果表明最高效率不超過30%。由于交流電機為感性負載，配置大，負荷小，負載滯后角較大，造成其功率因數十分低。在油田實際測試，，電能浪費嚴重。因而開展抽油機的節能研究，提高其效率和功率因數、對提高石油產量、降低石油開采成本，具有十分重要的現實意義。綜觀國內現用的抽油機電驅動裝置，可將其分為三種:一是直接起動、運行時帶過載和缺相保護，這種方法可防止在缺相和過載時燒壞電機，但沒有軟啟動功能，電機的起動電流大，運行時加到電機上的電壓為固定值，功率因數仍得不到提高。二是應用變頻調速裝置，該方案隨負載大小的不同，通過變頻而調節抽油機驅動電機的轉速，具有較好的節能效果，但由于變頻器成本高，維護工作量大，且調速影響采油效率等因素而沒有得到廣泛的應用。三是啟動時具有軟啟動、運行時帶過載、缺相等保護功能，且能按負載大小調壓，雖可實現一定的節能效果，但并未關心是否能保證電機的損耗最小。這三種方案的性能價格比和節能效果都不是最理想的。：“銅耗=鐵耗” 在油田的長期工作和實踐中，發現除新油田的開采初期，新井產能較高，抽油機電動機可滿負荷運轉外，絕大部分抽油機電動機均處于輕載狀態，甚而有很大一部分油井在大部分時間里處于空抽狀態，因而電動機功率因數低，效率低，電能的浪費十分嚴重。 因此，在各油田進行了廣泛調研的基礎上，根據抽油機負載的特點和三相異步電動機的工作原理，吸收國外先進技術，研制了一種新型抽油機電機高效節能控制裝置，與以往的調壓與軟啟動抽油機控制裝置相比，吸收了前述三種方案的優點，按抽油機負載的周期性變化，通過單片機應用C語言編程計算電機的銅損耗和鐵損耗，根據電機在銅損耗等于鐵損耗時總損耗最小的原理、借助于模糊控制理論，通過主電路中晶閘管的移相控制，調節加到抽油機驅動電機定子側的輸入電壓，保證運行中電機的銅損耗與鐵損耗相等，降低抽油機的總損耗，提高其工作效率和功率因數，達到節能降耗的目的。交流電動機中，除軸和殼體外，幾乎所有的質量都是鐵和銅，這些銅和鐵在電動機進行電磁能和機械能轉換的運行過程中，也將部分電能轉化成熱能，從而導致了電動機的功率損失。通常把由鐵介質發熱導致的功率損耗稱為‘鐵損耗’，銅介質導致的損耗稱為‘銅損耗’，圖14給出了電動機銅損耗、鐵損耗同輸入電壓及負載率變化的特性曲線。PU0123UP1234ab圖14 電動機銅損耗、鐵損耗同輸入電壓及負載率變化的機械特性曲線 (a)電動機銅鐵損耗和總的損耗P輸入電壓U變化關系 (b)銅損耗和鐵損耗P負載率的不同與輸入電壓U變化曲線1電機總的功率損耗2鐵損耗3銅損1負載率90%的銅損耗曲線 2負載率70%的銅損耗曲線3負載率50%的銅損耗曲線4鐵損耗由圖14 (a)電動機銅損耗與鐵損耗和總的損耗同輸入電壓變化的曲線可知:當銅損耗和鐵損耗相等時，電動機的總損耗最小。又由圖14 (b)電動機的銅損耗和鐵損耗與輸入電壓的變化曲線可知:電動機的鐵損耗不隨負載率變化而變化。但銅損耗隨輸入電壓和負載率的變化而變化。在輸入電壓不變時若負載變化，‘銅損耗=鐵損耗’的平衡就會被破壞。由于抽油機負載的周期性變化特性，要使抽油機的電動機運行時損耗最小，效率最高，應實時計算電動機的銅損耗和鐵損耗，通過比較調整電動機的輸入電壓，這便是本課題開發研制的新型抽油機用高效晶閘管節能裝置設計的理論依據。 節能裝置結構 抽油機節能裝置的按功能可以劃分為六個部分:第一部分為功率控制電路部分。第二部分為節能裝置控制部分。第三部分為U與I的相位檢測部分。第四部分為IO接口裝置通訊部分。第五部分為節能裝置內部故障保護部分。第六部分為電動機缺相保護部分。 控制電路是整個抽油機用高效晶閘管節能裝置的核心，所有信號的輸入、輸出、檢測、計算、推理和控制都要經過控制電路得以實現和完成。控制電路的系統構成包括主控CPU，節能裝置電壓、電流的采樣輸入部分，U電壓與1的相位角檢測部分，A/D和D/A轉換部分_，缺相保護部分，鍵盤部分，繼電器輸出部分，看門狗電路和電源部分。控制系統軟件以控制理論為基礎，采用C51語言進行程序設計，選用Keil uVision2為開發環境塊構成:初始化參數采用模塊化編程，設計軟件整體流程。軟件主程序由以下幾個模軟起動，A/D轉換，計算銅耗、鐵耗及其差值，控制子程序，D/A轉換和輸出控制電壓子程序。第2章 抽油機的負載特性 油田在開采初期，地層能量較高，有部分油井可以自噴。隨著開采時間的延長，油層自然能量逐漸衰竭，必須采用機械采油方式。機械采油就是在地面通過機械設備把原油從油井中采出地面。機械采油可分為有桿泵采油、無桿泵采油和氣舉采油。而使用最為廣泛的就是游梁式抽油機，其原理是通過抽油機、抽油桿帶動抽油泵作上下往復運動，將原油從數百至數千米的地下抽汲到地面上來。 抽油機工作時，其驢頭懸點承受的載荷主要有: 抽油桿自重，油管內、柱塞上的油柱重，油管內外油柱對柱塞下端的壓力構成的靜載荷。 抽油桿柱和油柱運動所產生的慣性載荷。 抽油桿柱和油柱運動所產生的振動載荷。 柱塞和泵筒間、抽油桿及其接箍和油管間的半干摩擦力，抽油桿和油柱間、油柱和油管間以及油柱通過抽油泵游動閥的液體摩擦力。 其中，慣性載荷、振動載荷、摩擦力和原油的物性(如粘度)、抽油機的運動特性 (沖程和沖次)、油井井身結構密切相關，是一個變量，一般稱動載荷。 抽油機在上沖程時，驢頭懸點需提起抽油桿柱和油柱，電動機對外作正功。下沖程時，抽油桿依靠自重就可下行，電動機處于發電運行狀態，因此，電動機在上、下沖程的載荷是很不均勻的。而懸點運動的加速度和速度的變化又加劇了這種不均勻性，載荷的不均勻性嚴重地影響了四連桿機構、減速箱和電動機的壽命，也惡化了抽油桿的工作條件。為了解決這一問題，通常的辦法是給抽油機增加平衡重。如在抽油機的曲柄、游梁后端或同時在曲柄和游后端增加平衡塊，以其達到抽油機一抽油泵裝置的平衡運轉。但是由于影響抽油機動載荷的因素較多，造成抽油機很難用自身平衡的辦法做到運轉平衡。在油田現場，用電流法診斷抽油機是否平衡時，一般地認為當平衡率≥，即認為抽油機達到了平衡。這表明，拖動抽油機的電機仍有部分時間工作在負功狀態。圖21是抽油機減速器凈扭矩曲線，即負載轉矩曲線。Mf0圖21 抽油機負荷曲線 從曲線上可以看出: 抽油機的轉矩是隨著曲柄轉角變化而周期性變化的。抽油機的工作頻率一般為6～12次/分，即工作周期為5～10秒。 當出現負扭矩時，減速器主動輪將變為被動輪。如負扭矩較大，將發生從動輪沖擊主動輪，影響減速器齒輪的壽命。 抽油機啟動時，抽油桿一般處于最低位置，所需啟動轉矩只需克服靜磨擦力及原油的表面張力的影響，因此，所需轉矩相對較小。抽油機啟動后，抽油桿開始上升，很快()就碰到了第一個最大阻力轉矩。因此，它一方面要求電動機具有較大的靜啟轉矩，克服靜磨擦力。另一方面，要求電機具有較大的平均啟動轉矩，以便使電機在第一個最大阻力轉矩到來之前，超過電機臨界(最大轉矩轉速)，使電機進入穩定工作狀態。 抽油機的負載特點決定了三相異步電動機驅動抽油機不可避免地會出現“大馬拉小車”的現象。 抽油機帶載啟動，慣性矩較大。在選配電動機功率時為了不影響生產，一般按最大扭矩來選配電動機。抽油機啟動后，正常工作時的平均轉矩與最大扭矩相比要低1/3,所以電動機輸入功率僅為額定功率的1/3，不可避免出現“大馬拉小車”的局面。 油田生產中有可能出現各種故障，如油井結蠟、砂卡、扶正器損壞等，因此，在在選配電動機功率時也要增加一些裕量，這進一步加劇了“大馬拉小車”的現象。 根據油田生產測試，抽油機電動機的平均負荷率一般在20%左右，少數負荷率高的也僅為30%，電動機的長期低負荷運轉，造成了效率低，功率因數低，能耗高的狀況。 抽油機負荷的周期性變化，反應在電動機上主要是電流功率因數的變化，因此上可以將電流或功率因數作為依據來對抽油機系統進行控制。第3章 三相異步電動機運行特性分析 穩定運行時的三相異步電動機三相異步電動機穩定運行時的單相等效電路如圖31所示:圖31 異步電動機等效電路圖圖中: 、為定子繞組電阻、漏抗和電流、為轉子繞組電阻、漏抗和電流、為勵磁電阻、電抗和勵磁電流為附加電阻其矢量圖如圖32所示。由此可以得到三相異步電動機轉子旋轉時的基本方程式為:0圖32 異步電動機矢量圖 (31) 令: (校正系數)則有 (32) (33) 三相異步電動機的功率關系及損耗分析圖33 異步電動機的功率流程圖圖33為異步電動機的功率流程圖。其中 為從電源輸入的有功功率 （34） 為定子銅耗 ( 35 ) 正常運行情況下的三相異步電動機，轉于鐵損耗很小，可以忽略不計，因此，電動機的鐵損耗等于定子鐵損耗 ( 36) 從圖31等效電路中可以看出，通過空氣隙傳遞到轉子方面的電磁功率PM等于轉子回路全部電阻上的損耗，即: ( 37