電動機(jī)節(jié)能技術(shù)的研究-畢業(yè)論文-免費(fèi)閱讀

　　

【正文】 本課題能得以順利完成，也與導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)是分不開的。延長電動機(jī)壽命，而且獨(dú)特巧妙的軟硬件設(shè)計，可時刻保證抽油機(jī)拖動電動機(jī)運(yùn)行在銅損耗等于鐵損耗的最低損耗狀態(tài)，明顯降低了抽油機(jī)驅(qū)動電動機(jī)的工作電壓和電流、使抽油機(jī)工作效率及功率因數(shù)提高、具有顯著的節(jié)能效果，在抽油機(jī)的整個工作周期中不改變交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，不影響抽油機(jī)的生產(chǎn)效率，且該新型抽油機(jī)節(jié)能控制裝置具有缺相、過載等保護(hù)功能，可有效、及時的防止電動機(jī)在缺相、過載時損壞。又由于起動轉(zhuǎn)矩大(為其額定轉(zhuǎn)矩的2倍)，會對負(fù)載產(chǎn)生沖擊，增加傳動部件的摩擦和額外維護(hù)，致使電動機(jī)發(fā)熱快，因此，在程序中設(shè)置軟起動子程序?qū)﹄妱訖C(jī)進(jìn)行降壓起動是很有必要的。自檢方法:先后向整個數(shù)據(jù)區(qū)分別送入0XOOH和OXFFH，再先后讀出比較，若不一樣，說明出錯。 模塊化編程是一種軟件設(shè)計方法，各模塊程序分別編寫、編譯和調(diào)試，最后模塊一起連接。由于電容值很小，所以迅速放電，使單片機(jī)的P10口檢測到低電平，這時單片機(jī)就可以判斷為出現(xiàn)了缺相的現(xiàn)象，于是使D/A轉(zhuǎn)換器輸出的控制電壓變?yōu)榱悖闺妱訖C(jī)停轉(zhuǎn)，保護(hù)了電動機(jī)。三相交流電通過節(jié)能裝置控制電機(jī)正常運(yùn)行時，KM3的觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，此時，固態(tài)繼電器SSR的觸點(diǎn)也斷開，電動機(jī)處于節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)。 節(jié)能裝置保護(hù)部分 外部線路斷相保護(hù) 三相電源C、B、A經(jīng)接觸器KM2后輸入到交流調(diào)壓環(huán)節(jié)，圖42中KM1和KM2均為交流接觸器。抽油機(jī)作為三相異步電動機(jī)的負(fù)載，在多數(shù)情況下經(jīng)常處于輕載運(yùn)行，功率因數(shù)不高，而且負(fù)載率愈低，功率因數(shù)愈低，浪費(fèi)電能更加顯著。當(dāng)GATE=“1”和TR=“1”時，計數(shù)器啟動受外部中斷信號INT1的控制，此時，只要INT1為高電平，計數(shù)器就開始計數(shù)，當(dāng)INT1為低電平時停止計數(shù)，利用這一特性就能夠測量這個正脈沖的寬度，即電壓和電流的相位角。 從電壓互感器引出的交流12V電壓加在U3, U4兩端，為限流電阻，為濾波電容， V穩(wěn)壓管和的雙向穩(wěn)壓后，輸入到雙比較器LM393的同相端，而LM393的反相端接地，成為過零比較器。P12在這里作為單片機(jī)的輸出端口，控制著晶體管和的通斷。將高電壓、大電流電流變換為安全的測量用電壓、電流信號，輸入測量、保護(hù)電路。單片機(jī)計算的銅耗、鐵耗以及它們的差值經(jīng)模糊控制器的模糊判決后，形成控制信號的精確量，然后通過D/A轉(zhuǎn)換變成模擬電壓信號，進(jìn)入KC6SM2型晶閘管觸發(fā)控制板，控制晶閘管的導(dǎo)通角，改變加在電動機(jī)定子電壓的有效值。三相交流調(diào)壓電路是三相對稱電路，所以任一時刻需要位于不同相中兩個晶閘管同時導(dǎo)通，工作時電路中一相電流必須和另一相構(gòu)成回路。在交流調(diào)壓器中，相位控制應(yīng)用較多，下面主要分析相位控制的交流調(diào)壓電路，先闡述作為基礎(chǔ)的單向交流調(diào)壓電路。5）當(dāng)門極未加觸發(fā)電壓時，晶閘管具有正向阻斷能力，這是一般二極管所不具備的。第五部分為節(jié)能裝置內(nèi)部故障保護(hù)部分。（3）電壓變化對功率因數(shù)的影響由于電壓降低總是使勵磁電流減小，轉(zhuǎn)子電流增大，盡管定子電流可能增大或者減小，但定子電流與電源電壓之間的相角總是減小的，因此，功率因數(shù)將隨電壓的增大而減小，隨電壓的減小而增大。降低的程度，隨電動機(jī)性能的不同而不同。 （2）轉(zhuǎn)子電流不應(yīng)超過額定值。利用式(328)可以方便地分析出不同性質(zhì)的負(fù)載在不同運(yùn)行方式下受電壓變化的影響。當(dāng)電壓降低時，轉(zhuǎn)矩將以平方倍下降。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩再繼續(xù)增大，且超過電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)就會因不能承載而不斷減速，直至停轉(zhuǎn)，或者由于轉(zhuǎn)子電流增大到超過允許值，使轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱而燒壞。當(dāng)負(fù)載增大時，定子電流中的有功分量增大，從而使功率因數(shù)很快上升，當(dāng)接近額定負(fù)載時，最大。同樣： (322)所以可變損耗可以寫為: (323) 即可變損耗與負(fù)載率的平方成正比。 在電動機(jī)的節(jié)能技術(shù)中，主要是采用隨負(fù)載變化的同時改變電動機(jī)的定子端電壓、定子頻率或定、轉(zhuǎn)子間的轉(zhuǎn)差等方法來達(dá)到既降低能耗又滿足上述條件的目的。從圖34的曲線可以看到，當(dāng)負(fù)載阻力矩接近零時，其轉(zhuǎn)差率接近于零，而此時的轉(zhuǎn)差率與最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率則相距較遠(yuǎn)，調(diào)壓范圍較大。即當(dāng)負(fù)載阻力矩為轉(zhuǎn)差率為時為穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)負(fù)載阻力矩為轉(zhuǎn)差率為時為非穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，為穩(wěn)定運(yùn)行和不穩(wěn)定運(yùn)行兩種狀態(tài)的臨界點(diǎn)。通過調(diào)壓，可以達(dá)到減小定、轉(zhuǎn)子銅耗和附加損耗的目的。在大型異步電動機(jī)中，附加損耗凡。 根據(jù)油田生產(chǎn)測試，抽油機(jī)電動機(jī)的平均負(fù)荷率一般在20%左右，少數(shù)負(fù)荷率高的也僅為30%，電動機(jī)的長期低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，造成了效率低，功率因數(shù)低，能耗高的狀況。抽油機(jī)啟動后，抽油桿開始上升，很快()就碰到了第一個最大阻力轉(zhuǎn)矩。在油田現(xiàn)場，用電流法診斷抽油機(jī)是否平衡時，一般地認(rèn)為當(dāng)平衡率≥，即認(rèn)為抽油機(jī)達(dá)到了平衡。 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。第2章 抽油機(jī)的負(fù)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。第三部分為U與I的相位檢測部分。通常把由鐵介質(zhì)發(fā)熱導(dǎo)致的功率損耗稱為‘鐵損耗’，銅介質(zhì)導(dǎo)致的損耗稱為‘銅損耗’，圖14給出了電動機(jī)銅損耗、鐵損耗同輸入電壓及負(fù)載率變化的特性曲線。因而開展抽油機(jī)的節(jié)能研究，提高其效率和功率因數(shù)、對提高石油產(chǎn)量、降低石油開采成本，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。節(jié)能控制器的輸入變量可多可少。調(diào)頻節(jié)電控制器的觸發(fā)電路與調(diào)壓節(jié)能控制器的控制電路基本一樣，(如圖13所示)。因此，隨電動機(jī)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(yīng)定子電壓就是要尋找的最佳電壓值。雙饋發(fā)電機(jī)有兩個能量輸入通道:電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，輸入機(jī)械能量。該控制系統(tǒng)1999年5月在大慶油田采油五廠進(jìn)行了試驗(yàn)。通過三相電壓、電流和有功功率傳感器把抽油機(jī)電動機(jī)的工作參數(shù)轉(zhuǎn)換成0～5V的電壓信號，經(jīng)過12位A/D轉(zhuǎn)換器MAX197進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲和顯示。利用計算機(jī)通過一定的算法控制雙向晶閘管的通斷比，使電動機(jī)輸出功率與負(fù)載匹配，達(dá)到降耗、節(jié)能的目的。單片機(jī)控制的三相異步電動機(jī)Y/△轉(zhuǎn)換節(jié)能器可對電動機(jī)的Y△和△Y轉(zhuǎn)換的臨界負(fù)載電流值分別進(jìn)行設(shè)定，并可加入一定的回差值，從而解決了接觸器頻繁轉(zhuǎn)換的問題，同時該節(jié)能器還具有△/Y降壓啟動和電動機(jī)的斷相、過載等保護(hù)功能，對于變載工作的電動機(jī)可取得較好的節(jié)能效果，并保護(hù)電動機(jī)的安全。使用稀土永磁材料激磁，提高了功率因數(shù)，定子電流減小，銅損降低，提高了電動機(jī)效率。 3).對于不同容量的電動機(jī)，根據(jù)損耗種類采用不同的降損措施。1).選用節(jié)能型的電動機(jī)，如Y型，YX型等。 (2)采用功率因數(shù)控制器(即異步電動機(jī)節(jié)電器)和制動器。考慮到啟動負(fù)荷及復(fù)雜地質(zhì)情況等因素的影響，大部分游梁式抽油機(jī)選用的驅(qū)動電動機(jī)的額定功率是工作周期輸出功率的2～3倍左右。 Motor。具有軟啟動、缺相、過載保護(hù)等功能。采用電動機(jī)調(diào)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(diào)節(jié)抽油機(jī)電機(jī)端電壓，進(jìn)行實(shí)時控制。單片機(jī)。 據(jù)不完全統(tǒng)計，在實(shí)際使用中，約有65%的電動機(jī)裝置經(jīng)常在輕載或空載狀況下工作，即存在所謂的“大馬拉小車”現(xiàn)象。因此研制一種集各種節(jié)能控制裝置優(yōu)點(diǎn)，又從根本上解決抽油機(jī)電動機(jī)節(jié)能控制問題的裝置是油田電力管理中的一個難點(diǎn)。(4)對老式高耗能異步電動機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。(7)加強(qiáng)運(yùn)行管理。 西安石油學(xué)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(jī)由異步電動機(jī)驅(qū)動改為同步電動機(jī)驅(qū)動的設(shè)想，同步電動機(jī)選用的是具有自啟動能力的稀土永磁同步電動機(jī)。三相異步電動機(jī)Y/△轉(zhuǎn)換節(jié)能器，由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，是一種適合我國國情的電動機(jī)節(jié)能控制器。對應(yīng)于這一定子電流的負(fù)載率稱為臨界負(fù)載率。在空氣開關(guān)和晶閘管之間設(shè)計三相電的相序和缺相檢測電路，檢測抽油機(jī)驅(qū)動電動機(jī)供電是否正常。可根據(jù)抽油機(jī)運(yùn)行的載荷工況，自動通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出0～10V電壓，實(shí)時控制晶閘管的移相觸發(fā)相位，控制其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)抽油機(jī)電動機(jī)的輸出功率，達(dá)到節(jié)能目的。從結(jié)構(gòu)上看，雙饋發(fā)電機(jī)與常見的感應(yīng)發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)無太大的差別，但它卻有一個引人注目的特點(diǎn)，即對軸上輸入轉(zhuǎn)速無任何特殊的要求。在變頻節(jié)能控制中，可以充分利用當(dāng)今豐富的單片機(jī)資源優(yōu)勢，提高控制器的可靠性，降低開發(fā)成本。與同類其他節(jié)能裝置相比，具有技術(shù)簡單、效率高的特點(diǎn)，且調(diào)壓控制器的成本可做得很低，其節(jié)能效率還可進(jìn)一步提高。 ，對不同的電動機(jī)可以采用同樣的推理軟件，它可自動跟蹤負(fù)載變化，取得較好的節(jié)能效果。由于抽油機(jī)負(fù)載呈周期性變化，現(xiàn)運(yùn)行的抽油機(jī)驅(qū)動電機(jī)幾乎全為大馬拉小車，負(fù)載率和效率都很低，統(tǒng)計結(jié)果表明最高效率不超過30%。：“銅耗=鐵耗” 在油田的長期工作和實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)除新油田的開采初期，新井產(chǎn)能較高，抽油機(jī)電動機(jī)可滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)外，絕大部分抽油機(jī)電動機(jī)均處于輕載狀態(tài)，甚而有很大一部分油井在大部分時間里處于空抽狀態(tài)，因而電動機(jī)功率因數(shù)低，效率低，電能的浪費(fèi)十分嚴(yán)重。由于抽油機(jī)負(fù)載的周期性變化特性，要使抽油機(jī)的電動機(jī)運(yùn)行時損耗最小，效率最高，應(yīng)實(shí)時計算電動機(jī)的銅損耗和鐵損耗，通過比較調(diào)整電動機(jī)的輸入電壓，這便是本課題開發(fā)研制的新型抽油機(jī)用高效晶閘管節(jié)能裝置設(shè)計的理論依據(jù)。控制電路的系統(tǒng)構(gòu)成包括主控CPU，節(jié)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(zhuǎn)換部分_，缺相保護(hù)部分，鍵盤部分，繼電器輸出部分，看門狗電路和電源部分。 抽油機(jī)工作時，其驢頭懸點(diǎn)承受的載荷主要有: 抽油桿自重，油管內(nèi)、柱塞上的油柱重，油管內(nèi)外油柱對柱塞下端的壓力構(gòu)成的靜載荷。為了解決這一問題，通常的辦法是給抽油機(jī)增加平衡重。 當(dāng)出現(xiàn)負(fù)扭矩時，減速器主動輪將變?yōu)楸粍虞啞Ｔ谶x配電動機(jī)功率時為了不影響生產(chǎn)，一般按最大扭矩來選配電動機(jī)。這部分等效損耗實(shí)際上是傳輸給電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的機(jī)械功率即: (39) 電動機(jī)在運(yùn)行時，會產(chǎn)生軸承以及風(fēng)阻等摩擦阻轉(zhuǎn)矩，這也要損耗一部分功率，把這部分功率叫做機(jī)械損耗，用表示。定、轉(zhuǎn)子銅耗則隨電流的平方關(guān)系而變化。當(dāng)電動機(jī)運(yùn)行時，若負(fù)載短時突然增大，隨后又恢復(fù)正常，則只要總的制動轉(zhuǎn)矩不大于最大電磁轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)仍能穩(wěn)定運(yùn)行，但若大于最大電磁轉(zhuǎn)矩，則電動機(jī)將停轉(zhuǎn)下來。另一方面，外加電壓不能下降太多，因?yàn)椋妷旱淖兓瘜⒁鹱畲筠D(zhuǎn)矩的變化，當(dāng)最大轉(zhuǎn)矩下降為低于負(fù)載額定轉(zhuǎn)矩時，電動機(jī)將停止轉(zhuǎn)動。這就是說，電動機(jī)輸入功率的絕對值看起來雖然降低了，但是相對損耗卻提高了，使電動機(jī)處于一種不經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)，造成了電能損失，這當(dāng)然是不希望的。以及根據(jù)上述相應(yīng)的改變確定電動機(jī)的發(fā)熱、損耗、有功功率、無功功率、功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩等的情況，以便衡量所采用的改變運(yùn)行條件的節(jié)能措施是否經(jīng)濟(jì)合理、對不同性質(zhì)的負(fù)載的效果及應(yīng)用范圍。為了建立磁場，電動機(jī)需要從電源吸取很大的無功電流，在正常條件下，勵磁電流是不隨負(fù)載變化的，而轉(zhuǎn)子電流卻隨負(fù)載的增減而增減。由于大于，有了一定的剩余轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)就能不斷加速至額定轉(zhuǎn)速，為了避免起動時間過長，導(dǎo)致起動電流過大使繞組發(fā)熱，要求電動機(jī)有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩，以縮短起動時間，減少發(fā)熱。可見，電動機(jī)在負(fù)載變化時的實(shí)際承載能力與負(fù)載率成反比，負(fù)載越小，承載能力越大，系統(tǒng)越能穩(wěn)定運(yùn)行；負(fù)載變大，承載能力就降低，如果，承載能力就小于額定承載能力，電動機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性將降低。任意負(fù)載時，電動機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件是使，即。所以對于變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，不僅調(diào)壓范圍大，而且由于阻轉(zhuǎn)矩的下降，使得轉(zhuǎn)子電流也跟著下降，這就不會出現(xiàn)象恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載那樣轉(zhuǎn)子過熱的問題，也不會出現(xiàn)不穩(wěn)定的問題，顯然在這種場合采取調(diào)壓方法是可行的，節(jié)能效果也比恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載好得多。而對于變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，情況就大不一樣了。5）定子銅耗定子銅耗取決于定子電流的大小。第二部分為節(jié)能裝置控制部分。2）當(dāng)晶閘管承受正向電壓，即0時，僅在門極承受正向電壓( 0)的情況下晶閘管刁一能導(dǎo)通。這種控制方式電路簡單，功率因數(shù)高，適用于有較大時間常數(shù)的負(fù)載，缺點(diǎn)是輸出電壓或功率調(diào)節(jié)不平滑。交流調(diào)壓的原理就是利用晶閘管導(dǎo)通角的變化來改變輸出電壓的有效值以實(shí)現(xiàn)對負(fù)載電路輸入電壓的調(diào)節(jié)。另外，來自互感器的電壓、電流信號還進(jìn)入電壓與電流的相位角檢測電路，獲得它們之間的相位角，單片機(jī)利用得到的相位角來計算電動機(jī)的銅耗和鐵耗。P87LPC762的主要特性如下：1）操作頻率為20MHz時，除乘法和除法指令外，加速80C51指令執(zhí)行時間為300～600ns。從電壓互感器取出的信號經(jīng)過橋式整流后，由電容濾波，形成的直流電壓信號再經(jīng)分壓，加在電位器RP1上，VS1為穩(wěn)壓管。為此，將來自電流互感器的電流信號流經(jīng)一個電阻，然后從該電阻兩端取出電壓信號，再進(jìn)行整流、濾波、采樣，圖中和的作用都是為了濾除高頻干擾，保護(hù)A/D轉(zhuǎn)換器。該矩形波利用二極管的單相導(dǎo)電性，使二極管的輸出端波形僅為正脈沖。在任意時刻，如果有必要使電動機(jī)全壓運(yùn)行，可以按下S1鍵，這樣也能夠短路晶閘管，使電動機(jī)運(yùn)行于全壓狀態(tài)。當(dāng)采用電容量為，即電容電流為的電容器補(bǔ)償后，由圖可見，補(bǔ)償后的無功功率為，補(bǔ)償后的功率因數(shù)為，由圖可得以下兩式: (44) (45)圖411 電容器直接補(bǔ)償相量圖上式中為無功功率補(bǔ)償率，即每單位有功功率所需的電容器補(bǔ)償值，其單位為kvar/kW。A相斷開時，KM2線包斷電，KM2觸點(diǎn)打開，也會使三相電路自動斷開，電動機(jī)停轉(zhuǎn)。缺相保護(hù)主要是利用了光禍合器件的特性。 4).運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)標(biāo)志化指示。主程序流程圖如圖51所示。 4).電機(jī)參數(shù)初始化 這一部分主要是三相異步電動機(jī)的勵磁參數(shù)的設(shè)定，由于電動機(jī)型號一旦確定，其勵磁參數(shù)也隨之確定，這部分根據(jù)電動機(jī)型號，設(shè)定、和。設(shè)置輸出電壓初值開始圖54 軟啟動子程序流程圖延時500ms輸出電壓加5輸出電壓等于200V?延時5s設(shè)電壓初始值為200V延時500ms輸出電壓加20輸出電壓等于380V?返回