電動機節(jié)能技術(shù)的研究-畢業(yè)論文-wenkub

　

【正文】 ，可構(gòu)成“隨機能量捕捉器”，在雜散自然能量的采集利用方面發(fā)揮影響。圍繞這一特點，不僅可以開發(fā)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。 上海交通大學信息與控制工程系許善鎮(zhèn)教授于1999年12月在上海交通大學學報上發(fā)表了一篇題名為《石油抽油泵節(jié)能的新構(gòu)思》的文章。 該抽油機控制系統(tǒng)綜合應用了傳感器技術(shù)、單片機技術(shù)和晶閘管技術(shù)，實現(xiàn)了抽油機控制的自動化和智能化。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。抽油機驅(qū)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(shù)碼管和發(fā)光二極管顯示指示不正常的狀態(tài)。 基于國內(nèi)抽油機控制系統(tǒng)的使用現(xiàn)狀和實際情況，結(jié)合國外抽油機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，清華大學自動化系和中國地質(zhì)大學工程學院聯(lián)合設計了以單片機為核心的晶閘管移相觸發(fā)控制的低成本抽油機控制系統(tǒng)。臨界負載率和定子電流間的關(guān)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(tài)而節(jié)約電能。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(jié)能運行狀態(tài)。但傳統(tǒng)電動機Y/△轉(zhuǎn)換節(jié)能器的控制電路采用分立元件或集成電路設計，控制轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換精度不高，轉(zhuǎn)換參數(shù)無法修改，這樣就造成電動機在Y/△轉(zhuǎn)換點附近發(fā)生頻繁轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象，即臨界震蕩。 在電壓高于440V時功率因數(shù)下降較快，消耗無功功率比異步電動機多。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。 國內(nèi)外抽油機電動機節(jié)能技術(shù)發(fā)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(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，制造容易等優(yōu)點，但是耗能高，效率低，沖程和沖次調(diào)節(jié)不方便，所以實際運行中大都處于不平衡狀態(tài)，為了使抽油機順利啟動，按抽油機的最大負荷來選配驅(qū)動電動機，并留有一定裕量，而抽油機的平均轉(zhuǎn)矩一般只為最大轉(zhuǎn)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(xiàn)象。 1).對于輕載運行的電動機可采取降壓運行。～1時，其功率因數(shù)和效率最高，因而一定要防止“大馬拉小車”現(xiàn)象發(fā)生，減少無功消耗。(5)發(fā)展永磁電動機。 1).高性能交流電動機變頻調(diào)速器。 異步電動機的節(jié)能措施 在電動機應用方面的節(jié)能技術(shù)，雖然根據(jù)電動機的種類、用途或系統(tǒng)等有各種各樣的方法，但在作為現(xiàn)代企業(yè)動力源所使用的范圍內(nèi)，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。類似這種異步電動機負載率低、效率不高、電能浪費的現(xiàn)象在我國工業(yè)生產(chǎn)中很普遍，因此，對其進行節(jié)能研究是十分必要的。尤其在我國石油企業(yè)中普遍使用的用來驅(qū)動有桿采油泵的游梁式抽油機電動機，其所采用的驅(qū)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。 single–chip microputer Copper Losses。銅耗。關(guān)鍵詞:抽油機。在滿足抽油機正常運轉(zhuǎn)的前提下，使電動機工作在銅耗等于鐵耗的狀態(tài)下，提高抽油機電動機的工作效率和功率因數(shù)，達到節(jié)能降耗的目的。摘要根據(jù)測量，油田用抽油機大部分時間在空抽、電機均在輕載狀態(tài)下運行，電機效率和功率因數(shù)都比較低，造成大量電能浪費。該裝置在抽油機的整個工作周期中，不改變電動機的轉(zhuǎn)速，不影響抽油機的采油效率。電動機。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。Iron Losse目 錄第1章 前言 1 課題來源 1 異步電動機的節(jié)能措施 1 國內(nèi)外抽油機電動機節(jié)能技術(shù)發(fā)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(wěn)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(guān)系及損耗分析 15 異步電動機的轉(zhuǎn)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(shù)和轉(zhuǎn)矩的影響 19 21第4章 系統(tǒng)硬件設計 25 概述 25 抽油機節(jié)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(jié)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(tǒng)軟件設計 38第6章 結(jié)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(chuàng)造出燦爛的文明和文化。負載的變化周期在5 ^20秒內(nèi)不等。 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)以及其他方面諸如電機制造工藝的發(fā)展，電動機的節(jié)能調(diào)速運行控制裝置越來越多，呈百花齊放趨勢。但這種電動機造價較高，而且經(jīng)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(xù)運行的應用場合，其節(jié)能效果達到最佳。采用微機控制的大功率管逆變技術(shù)，利用交—直—交方式，用于交流異步電動機的調(diào)速，節(jié)能效果可高達55%以上。(6)合理選擇異步電動機。 3).選擇合適類型的電動機。 2).對于大多數(shù)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(shù)。 近年來，國內(nèi)各油田陸續(xù)采用了各種節(jié)能方法，取得了不少成果，其中比較成功的是高轉(zhuǎn)差電動機。其節(jié)能原理在于:同步電動機穩(wěn)定運行在同步轉(zhuǎn)速，與異步電動機相比沒有轉(zhuǎn)差損耗。 維修困難，不適應油田野外復雜的工況條件。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。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(jié)能反而浪費電能，因此此時電動機應轉(zhuǎn)為△接。 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(jié)能與安全監(jiān)控方法。該控制系統(tǒng)主要由電量傳感器、晶閘管模塊、單片機系統(tǒng)、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器等組成。數(shù)據(jù)載波接口空氣開關(guān)晶閘管電動機缺序與相序檢測DA轉(zhuǎn)換器電流檢測電壓檢測功率檢測電動機溫度檢測A/D轉(zhuǎn)換器單片機系統(tǒng)數(shù)碼顯示程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)回放卡圖11 控制系統(tǒng)工作原理圖 通過D/A轉(zhuǎn)換器DAC1210輸出0～10V電壓控制晶閘管模塊的移相觸發(fā)相位，實現(xiàn)抽油機電動機的軟啟動、軟停機和調(diào)整電動機的供電電壓，以便調(diào)整電動機輸出功率，減少電動機的鐵損和銅損，從而達到節(jié)能降耗的目的。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。和國外抽油機控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)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(fā)，可通過電力載波或其它數(shù)據(jù)傳輸方式實現(xiàn)抽油機遠距離控制。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(jié)能。雙饋發(fā)電機是隨著電力電子技術(shù)發(fā)展而崛起的一種電機新品種，即是常規(guī)電機的一種應用革新。 節(jié)能控制分為調(diào)壓節(jié)能和變頻節(jié)能兩種。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。這樣，加裝了節(jié)能控制器的電動機，不僅可以節(jié)約有功功率，也可以節(jié)約無功功率。～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(qū)動電動機負載系統(tǒng)電動機調(diào)壓主電路緩沖電路保護電路電流檢測波形整形A/D轉(zhuǎn)換微分推理圖12 調(diào)壓節(jié)能控制器原理框圖 在調(diào)壓節(jié)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(jié)電約60%。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。 4。在油田實際測試，電能浪費嚴重。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(diào)壓，雖可實現(xiàn)一定的節(jié)能效果，但并未關(guān)心是否能保證電機的損耗最小。交流電動機中，除軸和殼體外，幾乎所有的質(zhì)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(zhuǎn)換的運行過程中，也將部分電能轉(zhuǎn)化成熱能，從而導致了電動機的功率損失。但銅損耗隨輸入電壓和負載率的變化而變化。第二部分為節(jié)能裝置控制部分。第六部分為電動機缺相保護部分。軟件主程序由以下幾個模軟起動，A/D轉(zhuǎn)換，計算銅耗、鐵耗及其差值，控制子程序，D/A轉(zhuǎn)換和輸出控制電壓子程序。機械采油可分為有桿泵采油、無桿泵采油和氣舉采油。 抽油桿柱和油柱運動所產(chǎn)生的振動載荷。下沖程時，抽油桿依靠自重就可下行，電動機處于發(fā)電運行狀態(tài)，因此，電動機在上、下沖程的載荷是很不均勻的。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(zhuǎn)平衡。Mf0圖21 抽油機負荷曲線 從曲線上可以看出: 抽油機的轉(zhuǎn)矩是隨著曲柄轉(zhuǎn)角變化而周期性變化的。 抽油機啟動時，抽油桿一般處于最低位置，所需啟動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩相對較小。 抽油機的負載特點決定了三相異步電動機驅(qū)動抽油機不可避免地會出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。 油田生產(chǎn)中有可能出現(xiàn)各種故障，如油井結(jié)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(xiàn)象。由此可以得到三相異步電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(shù))則有 (32) (33) 三相異步電動機的功率關(guān)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。附加損耗一般不易計算，往往根據(jù)經(jīng)驗估算。機械功率減去機械損耗和附加損耗，才是真正的輸出功率。這樣，異步電動機的定子電流和負載電流的變化，可引起定、轉(zhuǎn)子銅耗和附加損耗的變化。由轉(zhuǎn)子電流和定子電壓的關(guān)系，可以推得另一關(guān)系式如下: （317）上式說明電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，電壓的變化將引起電磁轉(zhuǎn)矩的變化。從圖中可以看到，電動機可以工作在1或2的狀態(tài)，從平衡的角度容易知道，1為穩(wěn)定平衡點，2為非穩(wěn)定平衡點。此時，電動機的轉(zhuǎn)速將下降。空載時，負載阻力矩幾乎為零，同時，轉(zhuǎn)子繞組的電流非常小，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速，此時，調(diào)壓控制的約束條件將為轉(zhuǎn)差率的增加不能使電動機停運。當電壓、頻率在額定值時，隨著負載的減小，電動機的輸入功率、電磁轉(zhuǎn)矩也會隨之降低，而且對于任何類型的負載，電動機都能保持穩(wěn)定運行。也就是說，這個措施應使電動機在負載變化的整個過程中，能滿足兩個條件:一是電動機的機械特性始終能滿足工作機械的負載特性要求，使系統(tǒng)保持穩(wěn)定運行，二是電動機的效率在整個負載變化過程中始終處于最佳狀態(tài)，保持電動機運行的經(jīng)濟性。下面將對這些影響進行一些具體的分析，以便根據(jù)不同的條件采取合理的節(jié)能措施。