電動機節能技術的研究-畢業論文(已修改)

　

【正文】 摘要根據測量，油田用抽油機大部分時間在空抽、電機均在輕載狀態下運行，電機效率和功率因數都比較低，造成大量電能浪費。為此，依據銅耗等于鐵耗時，電動機效率、功率因數最高，最省電原理，設計一種抽油機電機自動控制的節能裝置。采用電動機調壓裝置，基于模糊控制理論，通過主電路中晶閘管的移相控制調節抽油機電機端電壓，進行實時控制。在滿足抽油機正常運轉的前提下，使電動機工作在銅耗等于鐵耗的狀態下，提高抽油機電動機的工作效率和功率因數，達到節能降耗的目的。該裝置在抽油機的整個工作周期中，不改變電動機的轉速，不影響抽油機的采油效率。具有軟啟動、缺相、過載保護等功能。是油田采油生產中較為理想的電動機控制裝置，具有廣泛的推廣使用價值。關鍵詞:抽油機。電動機。節能。單片機。銅耗。鐵耗ABSTRACT According to statistics,pomping unit in oilfields are working at empty situation with motor running under light load，so make the motor efficiency and power factor too lower,cause a large amount of electric energy Fuzzy control theory and adopting the working voltage of motor the line voltage of pump unit’s motor is a regulated by real time phase–shift meeting the usual running,the working efficiency and power factor are improved，so as to save the electric energy. Moreover, the device will not chang the rotational speed of the motor, during the whole work period of pumping the oil，and do not influent the petroleum production efficiency of the oil pumping device has the functions of starting softly、lacking phase,overload protection and so is the ideal device of motor controling in the oil field，and has the extensive using value.Keywords:Oil pumping rnachine。 Motor。 Energyconservatxan。 single–chip microputer Copper Losses。Iron Losse目 錄第1章 前言 1 課題來源 1 異步電動機的節能措施 1 國內外抽油機電動機節能技術發展綜述 2 本文所做的主要工作 7：“銅耗=鐵耗” 8 9 9 10第2章 抽油機的負載特性 11第3章 三相異步電動機運行特性分析 13 穩定運行時的三相異步電動機 13 13 三相異步電動機的功率關系及損耗分析 15 異步電動機的轉矩表達式 16 運行條件變化對電動機性能的影響 18 負載變化對損耗、效率、功率因數和轉矩的影響 19 21第4章 系統硬件設計 25 概述 25 抽油機節能裝置主電路 25 功率控制電路 27 29 電流采樣 30 與的相位角檢測 32 IO接口 33 無功功率補償 34 節能裝置保護部分 35 外部線路斷相保護 36 功率控制元件故障保護 36 電機缺相保護 36 37第5章 控制系統軟件設計 38第6章 結論 44致謝 45參考文獻 46第1章 前言 課題來源 能源是人類文明的基石，人類從遠古時代開始就按照自己的要求使用能源，創造出燦爛的文明和文化。我國能源發展戰略的總方針是“堅持開發與節約并重，把節約放在首位”，1998年1月1日《中華人民共和國節約能源法》的頒布和實施標志著我國的節能工作逐步走上了法制化的軌道。 據不完全統計，在實際使用中，約有65%的電動機裝置經常在輕載或空載狀況下工作，即存在所謂的“大馬拉小車”現象。尤其在我國石油企業中普遍使用的用來驅動有桿采油泵的游梁式抽油機電動機，其所采用的驅動電動機絕大部分為鼠籠式異步電動機，工作時承受周期性變化的負荷，平均負荷率一般為30%以下，有的甚至更低。負載的變化周期在5 ^20秒內不等。考慮到啟動負荷及復雜地質情況等因素的影響，大部分游梁式抽油機選用的驅動電動機的額定功率是工作周期輸出功率的2～3倍左右。以延長油田本部為例:2005年有游梁式抽油機18000余臺，具有很大的節能降耗潛力。類似這種異步電動機負載率低、效率不高、電能浪費的現象在我國工業生產中很普遍，因此，對其進行節能研究是十分必要的。 隨著電力電子技術、微電子技術、控制技術以及其他方面諸如電機制造工藝的發展，電動機的節能調速運行控制裝置越來越多，呈百花齊放趨勢。 目前在用的各種電動機控制裝置大部分是通過時序控制來達到節能目的，也有使用變頻調速裝置的，但變頻調速成本太高，維護較為困難，不適應油田實際。因此研制一種集各種節能控制裝置優點，又從根本上解決抽油機電動機節能控制問題的裝置是油田電力管理中的一個難點。 異步電動機的節能措施 在電動機應用方面的節能技術，雖然根據電動機的種類、用途或系統等有各種各樣的方法，但在作為現代企業動力源所使用的范圍內，有下列幾個方面: (1)用高效系列電動機取代一般的高耗能電動機。但這種電動機造價較高，而且經濟效果極大地取決于負載的情況，即對于長期工作于接近額定負載(}o%以上)連續運行的應用場合，其節能效果達到最佳。 (2)采用功率因數控制器(即異步電動機節電器)和制動器。 (3)電動機的調速節能。 1).高性能交流電動機變頻調速器。采用微機控制的大功率管逆變技術，利用交—直—交方式，用于交流異步電動機的調速，節能效果可高達55%以上。 2).轉子串電阻調速。(4)對老式高耗能異步電動機進行節能改造。(5)發展永磁電動機。(6)合理選擇異步電動機。1).選用節能型的電動機，如Y型，YX型等。2).選擇合適的輸出功率。，～1時，其功率因數和效率最高，因而一定要防止“大馬拉小車”現象發生，減少無功消耗。 3).選擇合適類型的電動機。 4).選擇合適的配電電壓。(7)加強運行管理。 1).對于輕載運行的電動機可采取降壓運行。 2).對于大多數存在周期性空載運行(約占全部工作時間的50%60%)的電動機，安裝空載自動斷電裝置，減少空載損失(空載時無功功率為額定負載時無功功率的60%70%)，提高功率因數。 3).對于不同容量的電動機，根據損耗種類采用不同的降損措施。 4).小型鼠籠式異步電動機宜采用直接啟動方式。 國內外抽油機電動機節能技術發展綜述 在機械采油井中應用最廣泛的是游梁式抽油機，具有結構簡單，工作可靠，制造容易等優點，但是耗能高，效率低，沖程和沖次調節不方便，所以實際運行中大都處于不平衡狀態，為了使抽油機順利啟動，按抽油機的最大負荷來選配驅動電動機，并留有一定裕量，而抽油機的平均轉矩一般只為最大轉矩的三分之一，因而拖動抽油機的電動機的負荷率也大約為30%，從而形成了“大馬拉小車”的現象。 近年來，國內各油田陸續采用了各種節能方法，取得了不少成果，其中比較成功的是高轉差電動機。但高轉差電動機從節能的角度看是不利的，不僅使轉差損耗增大，也使過渡過程損耗增加。 西安石油學院薄保中、米春亭、楊新海、江秀漢等基于以往的研究工作提出了抽油機由異步電動機驅動改為同步電動機驅動的設想，同步電動機選用的是具有自啟動能力的稀土永磁同步電動機。稀土永磁電動機是采用永久磁體代替勵磁繞組來激磁的電動機。其節能原理在于:同步電動機穩定運行在同步轉速，與異步電動機相比沒有轉差損耗。使用稀土永磁材料激磁，提高了功率因數，定子電流減小，銅損降低，提高了電動機效率。 從現場試驗和用戶反應來看，稀土永磁同步電動機還存在以下問題: 電壓過低時啟動困難。 在電壓高于440V時功率因數下降較快，消耗無功功率比異步電動機多。 維修困難，不適應油田野外復雜的工況條件。黑龍江八一農墾大學工程學院研制的單片機控制三相異步電動機節能保護器主要是利用電動機Y/△轉換。三相異步電動機Y/△轉換節能器，由于其結構簡單、成本低，是一種適合我國國情的電動機節能控制器。但傳統電動機Y/△轉換節能器的控制電路采用分立元件或集成電路設計，控制轉換電路轉換精度不高，轉換參數無法修改，這樣就造成電動機在Y/△轉換點附近發生頻繁轉換的現象，即臨界震蕩。從而使接觸器的壽命大為縮短，并且造成電動機功率明顯下降。單片機控制的三相異步電動機Y/△轉換節能器可對電動機的Y△和△Y轉換的臨界負載電流值分別進行設定，并可加入一定的回差值，從而解決了接觸器頻繁轉換的問題，同時該節能器還具有△/Y降壓啟動和電動機的斷相、過載等保護功能，對于變載工作的電動機可取得較好的節能效果，并保護電動機的安全。三相異步電動機的損耗主要由鐵損和銅損兩部分構成，鐵損正比于電動機端電壓的平方，電動機Y/△轉換節能的實質是降低電動機的端電壓。電機由△接法改為Y接法時，定子電壓下降為△接法時的，同時電動機軸輸出功率下降為△接法時的，鐵損也降為△接法時的，此時如果電動機定子電流減小或增加不多，則電動機處于節能運行狀態。而當定子電流增加到臨界負載率對應電流值時，如此時電動機仍為Y接，則電動機非但不節能反而浪費電能，因此此時電動機應轉為△接。電動機定子電流主要是由電動機軸輸出功率即電動機負載功率決定的。對應于這一定子電流的負載率稱為臨界負載率。臨界負載率和定子電流間的關系為: (11)式中 一定子線電流一電機額定電流一空載勵磁電流一臨界負載率 由上式可知，只要測得電動機定子電流就可以算出電動機的臨界負載率，從而使電動機自動運行于Y接或△接狀態而節約電能。 華中理工大學的史玉升和梁書云提出了一種三相異步電動機的節能與安全監控方法。利用計算機通過一定的算法控制雙向晶閘管的通斷比，使電動機輸出功率與負載匹配，達到降耗、節能的目的。由于采用了單片機控制，所以系統具有良好的“柔性“和性能價格比，基于這種技術的節能系統適合于經常工作于空載或輕載的電動機變負載工況下。 基于國內抽油機控制系統的使用現狀和實際情況，結合國外抽油機控制系統的發展趨勢，清華大學自動化系和中國地質大學工程學院聯合設計了以單片機為核心的晶閘管移相觸發控制的低成本抽油機控制系統。該控制系統主要由電量傳感器、晶閘管模塊、單片機系統、A/D和D/A轉換器等組成。工作原理如下圖11所示。在空氣開關和晶閘管之間設計三相電的相序和缺相檢測電路，檢測抽油機驅動電動機供電是否正常。抽油機驅動電動機啟動和工作過程中一旦不正常，立即停止工作，并有數碼管和發光二極管顯示指示不正常的狀態。數據載波接口空氣開關晶閘管電動機缺序與相序檢測DA轉換器電流檢測電壓檢測功率檢測電動機溫度檢測A/D轉換器單片機系統數碼顯示程序存儲器數據存儲器數據回放卡圖11 控制系統工作原理圖 通過D/A轉換器DAC1210輸出0～10V電壓控制晶閘管模塊的移相觸發相位，實現抽油機電動機的軟啟動、軟停機和調整電動機的供電電壓，以便調整電動機輸出功率，減少電動機的鐵損和銅損，從而達到節能降耗的目的。通過三相電壓、電流和有功功率傳感器把抽油機電動機的工作參數轉換成0～5V的電壓信號，經過12位A/D轉換器MAX197進行模數轉換，進入單片機系統進行數據處理、存儲和顯示。根據所檢測到的抽油機電動機工作電流和有功功率的變化，實時判斷電動機的載荷大小和工況。當電動機工作電流超過額定電流和最高工作溫度超過額定工作溫度時停止抽油機工作，從而保護電動機。當抽油機電動機工作電流小于空載電流，認為抽油機空載，可停止抽油機工作，等待原油聚集。根據所設定的停機時間，抽油機停止工作一段時間后，控制系統自動啟動抽油機，從而實現抽油機停機節能。可根據抽油機運行的載荷工況，自動通過D/A轉換器輸出0～10V電壓，實時控制晶閘管的移相觸發相位，控制其輸出電壓，從而調節抽油機電動機的輸出功率，達到節能目的。 該抽油機控制系統綜合應用了傳感器技術、單片機技術和晶閘管技術，實現了抽油機控制的自動化和智能化。和國外抽油機控制系統相比，該系統具有較高的性能價格比和較好的功能擴充性，如在此基礎上進一步開發，可通過電力載波或其它數據傳輸方式實現抽油機遠距離控制。該控制系統1999年5月在大慶油田采油五廠進行了試驗。系統工作可靠，并具有明顯的節能效果，%。 上海交通大學信息與控制工程系許善鎮教授于1999年12月在上海交通大學學報上發表了一篇題名為《石油抽油泵節能的新構思》的文章。提出了一種可以隨機采集在自然界廣泛存在的零星風力的裝置，用于石油抽油泵的節能。裝置的核心是雙饋發電機。從結構上看，雙饋發電機與常見的感應發電機和同步發電機無太大的差別，但它卻有一個引人注目的特點，即對軸上輸入轉速無任何特殊的要求。圍繞這一特點，不僅可以開發出零星風能的采集利用裝置，而且對于其他任何具有明顯零顯、雜散特性的自然能量(如波浪、潮汐等)的采集也同樣適宜。雙饋發電機是隨著電力電子技術發展而崛起的一種電機新品種，即是常規電機的一種應用革新。雙饋發電機有兩個能