電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)的研究-畢業(yè)論文(存儲(chǔ)版)

　　

【正文】 A/D轉(zhuǎn)換子程序的作用是將采樣到的電壓、電流值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，在連續(xù)采樣半個(gè)周期后，進(jìn)行數(shù)字濾波，通過再計(jì)算有效值作為采樣值，采樣次數(shù)為30次。致謝 本文是在導(dǎo)師 老師的精心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下完成的。 最后，向在我讀書期間所有關(guān)心和支持我的親人、老師、同學(xué)、朋友致以衷心的感謝和深深的祝福！參考文獻(xiàn)[1] 陸安定，陳渭. 電動(dòng)機(jī)節(jié)能改造實(shí)用手冊(cè)[M]. 上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，1994[2] [M].北京:中國電力出版社,2005.[3] 張自學(xué)，兆文清，王鋼. 國內(nèi)外新型抽油機(jī)[M].北京:石油工業(yè)出版社，1994 .[4] 劉洪智，[M].北京:石油工業(yè)出版社，1997.[5] 李玉生，王琪，[J].電源技術(shù)應(yīng)用，(11).[6] [J].2000,18.[7] 薄保中，[J].節(jié)能，2000,3.[8] 史玉升，電氣傳動(dòng)[J].2001,2.[9] 許宏綱，[J].2002,3.[10] 王愛霞，朱傳琴，閏敬東，董明霞。 通過理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐，自己的業(yè)務(wù)水平和能力得到了提高，我相信，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)還將繼續(xù)得到發(fā)展。在本課題中，電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)采用斜坡升壓軟起動(dòng)控制模式。 2）.I/O口的初始化 這部分主要是根據(jù)硬件電路的設(shè)計(jì)來確定單片機(jī)某些I/0口的初始狀態(tài)。 2).當(dāng)同類的需求較多時(shí)，可把程序放入庫中己備以后使用。 2).功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊化，以便于調(diào)試、連接、移植和修改。圖415為電機(jī)缺相保護(hù)原理圖。按下SB1, KM2線圈回路得電，KM2觸頭動(dòng)作，其觸點(diǎn)閉合，節(jié)能裝置主電路接通，運(yùn)行指示燈亮。 無功功率的電容直接補(bǔ)償就是將電力電容器直接接入進(jìn)入異步電動(dòng)機(jī)的三相電源上，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。 IO接口 繼電器輸出轉(zhuǎn)換就是用直流繼電器的輸出來控制交流接觸器，使之在抽油機(jī)節(jié)能控制器發(fā)生故障時(shí)短路晶閘管，使三相電直接加在電動(dòng)機(jī)上，從而既不影響抽油機(jī)的繼續(xù)工作，又對(duì)抽油機(jī)節(jié)能控制器起到保護(hù)作用。由于三相電源電壓信號(hào)和電流信號(hào)在相位上相差一個(gè)角度，所以電壓方波信號(hào)與電流方波信號(hào)也相差一個(gè)角度。和起到了保護(hù)A/D轉(zhuǎn)換器免受干擾信號(hào)沖擊的作用。采樣和檢測(cè)電路獲得的的電壓和電流信號(hào)為計(jì)算銅耗、鐵耗做準(zhǔn)備，控制電路里還利用來自三個(gè)電流互感器的電流進(jìn)行缺相保護(hù)。由于控制電路的輸入變量和輸出變量較少，所要求的運(yùn)算速度和精度不是很高。4. 4節(jié)能裝置控制部分控制電路是整個(gè)節(jié)能裝置的核心，接收檢測(cè)信號(hào)、發(fā)出指令，控制節(jié)能裝置的所有操作，如圖44所示，控制電路的系統(tǒng)構(gòu)成包括主控CPU，電壓、電流的采樣，電壓與電流的相位角檢測(cè)，A/D和D/A轉(zhuǎn)換，缺相保護(hù)，繼電器輸出，監(jiān)控和電源。若正負(fù)半周以同樣的移相角觸發(fā)和，則負(fù)載電壓有效值可以隨角而改變，實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓，圖43示出其波形。即把晶閘管作為開關(guān)將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)周期(工頻1周期為20ms)，然后再斷開數(shù)個(gè)周期，以改變通斷時(shí)間比值達(dá)到調(diào)壓的目的。晶閘管有三個(gè)電極：陽極、陰極和門極。節(jié)能控制系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖41所示。還可以由轉(zhuǎn)差率直接算出轉(zhuǎn)子銅耗的大小，故轉(zhuǎn)子銅耗又稱為轉(zhuǎn)差損耗或轉(zhuǎn)差功率： （337 ）對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載來說，由于輸入功率幾乎不變，所以當(dāng)降壓運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子銅耗將隨轉(zhuǎn)差率的增大而增大。下面討論降低電壓能否給電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來好處。 綜上所述，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在重載方式下運(yùn)行時(shí)，不允許電壓有較大變化，通常規(guī)定電壓的變化范圍為，而其在輕載方式下運(yùn)行時(shí)，允許電壓有較大的變化，變化范圍視負(fù)載的情況而定。這類負(fù)載一般有重載運(yùn)行方式和輕載運(yùn)行方式，對(duì)于這類負(fù)載中的運(yùn)行電動(dòng)機(jī)，當(dāng)其輕載運(yùn)行時(shí)，即使供電電壓變化較大，轉(zhuǎn)速變化仍然是很小的，電動(dòng)機(jī)總能保持穩(wěn)定運(yùn)行。為任意負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之比，稱為任意負(fù)載時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，當(dāng)負(fù)載為額定值時(shí)； 為任意負(fù)載時(shí)阻轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，稱為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩率。知道了電動(dòng)機(jī)的總損耗和效率后，就可以確定任意負(fù)載下的功率因數(shù)和無功功率的變化情況，其關(guān)系式為 (325) 其中，為定子電流，為額定線電壓。可以從任意負(fù)載率下電動(dòng)機(jī)的總損耗公式中直接推算出效率和負(fù)載率的關(guān)系式： (324) 負(fù)載率對(duì)功率因數(shù)的影響 功率因數(shù)是電動(dòng)機(jī)的另一個(gè)性能指標(biāo)。下面將對(duì)這些影響進(jìn)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。當(dāng)電壓、頻率在額定值時(shí)，隨著負(fù)載的減小，電動(dòng)機(jī)的輸入功率、電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)隨之降低，而且對(duì)于任何類型的負(fù)載，電動(dòng)機(jī)都能保持穩(wěn)定運(yùn)行。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將下降。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。機(jī)械功率減去機(jī)械損耗和附加損耗，才是真正的輸出功率。由此可以得到三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的基本方程式為:0圖32 異步電動(dòng)機(jī)矢量圖 (31) 令: (校正系數(shù))則有 (32) (33) 三相異步電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系及損耗分析圖33 異步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖圖33為異步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖。 抽油機(jī)的負(fù)載特點(diǎn)決定了三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)不可避免地會(huì)出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。Mf0圖21 抽油機(jī)負(fù)荷曲線 從曲線上可以看出: 抽油機(jī)的轉(zhuǎn)矩是隨著曲柄轉(zhuǎn)角變化而周期性變化的。下沖程時(shí)，抽油桿依靠自重就可下行，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，因此，電動(dòng)機(jī)在上、下沖程的載荷是很不均勻的。機(jī)械采油可分為有桿泵采油、無桿泵采油和氣舉采油。第六部分為電動(dòng)機(jī)缺相保護(hù)部分。但銅損耗隨輸入電壓和負(fù)載率的變化而變化。三是啟動(dòng)時(shí)具有軟啟動(dòng)、運(yùn)行時(shí)帶過載、缺相等保護(hù)功能，且能按負(fù)載大小調(diào)壓，雖可實(shí)現(xiàn)一定的節(jié)能效果，但并未關(guān)心是否能保證電機(jī)的損耗最小。在電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，它采用PWM控制策略，應(yīng)用推理可以用最簡(jiǎn)潔的方式處理定子電壓補(bǔ)償問題。這樣，加裝了節(jié)能控制器的電動(dòng)機(jī)，不僅可以節(jié)約有功功率，也可以節(jié)約無功功率。 節(jié)能控制分為調(diào)壓節(jié)能和變頻節(jié)能兩種。提出了一種可以隨機(jī)采集在自然界廣泛存在的零星風(fēng)力的裝置，用于石油抽油泵的節(jié)能。當(dāng)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)工作電流小于空載電流，認(rèn)為抽油機(jī)空載，可停止抽油機(jī)工作，等待原油聚集。該控制系統(tǒng)主要由電量傳感器、晶閘管模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器等組成。而當(dāng)定子電流增加到臨界負(fù)載率對(duì)應(yīng)電流值時(shí)，如此時(shí)電動(dòng)機(jī)仍為Y接，則電動(dòng)機(jī)非但不節(jié)能反而浪費(fèi)電能，因此此時(shí)電動(dòng)機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)為△接。 維修困難，不適應(yīng)油田野外復(fù)雜的工況條件。 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(dòng)機(jī)。 3).選擇合適類型的電動(dòng)機(jī)。采用微機(jī)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(dòng)機(jī)的調(diào)速，節(jié)能效果可高達(dá)55%以上。 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(jī)制造工藝的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)的節(jié)能調(diào)速運(yùn)行控制裝置越來越多，呈百花齊放趨勢(shì)。Iron Losse目 錄第1章 前言 1 課題來源 1 異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能措施 1 國內(nèi)外抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)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(jī)的負(fù)載特性 11第3章 三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性分析 13 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的三相異步電動(dòng)機(jī) 13 13 三相異步電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系及損耗分析 15 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式 16 運(yùn)行條件變化對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的影響 18 負(fù)載變化對(duì)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(shè)計(jì) 25 概述 25 抽油機(jī)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(cè) 32 IO接口 33 無功功率補(bǔ)償 34 節(jié)能裝置保護(hù)部分 35 外部線路斷相保護(hù) 36 功率控制元件故障保護(hù) 36 電機(jī)缺相保護(hù) 36 37第5章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 38第6章 結(jié)論 44致謝 45參考文獻(xiàn) 46第1章 前言 課題來源 能源是人類文明的基石，人類從遠(yuǎn)古時(shí)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。電動(dòng)機(jī)。摘要根據(jù)測(cè)量，油田用抽油機(jī)大部分時(shí)間在空抽、電機(jī)均在輕載狀態(tài)下運(yùn)行，電機(jī)效率和功率因數(shù)都比較低，造成大量電能浪費(fèi)。關(guān)鍵詞:抽油機(jī)。 single–chip microputer Copper Losses。類似這種異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載率低、效率不高、電能浪費(fèi)的現(xiàn)象在我國工業(yè)生產(chǎn)中很普遍，因此，對(duì)其進(jìn)行節(jié)能研究是十分必要的。 1).高性能交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速器。～1時(shí)，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。 國內(nèi)外抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)發(fā)展綜述 在機(jī)械采油井中應(yīng)用最廣泛的是游梁式抽油機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，制造容易等優(yōu)點(diǎn)，但是耗能高，效率低，沖程和沖次調(diào)節(jié)不方便，所以實(shí)際運(yùn)行中大都處于不平衡狀態(tài)，為了使抽油機(jī)順利啟動(dòng)，按抽油機(jī)的最大負(fù)荷來選配驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，并留有一定裕量，而抽油機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩一般只為最大轉(zhuǎn)矩的三分之一，因而拖動(dòng)抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率也大約為30%，從而形成了“大馬拉小車”的現(xiàn)象。 在電壓高于440V時(shí)功率因數(shù)下降較快，消耗無功功率比異步電動(dòng)機(jī)多。電機(jī)由△接法改為Y接法時(shí)，定子電壓下降為△接法時(shí)的，同時(shí)電動(dòng)機(jī)軸輸出功率下降為△接法時(shí)的，鐵損也降為△接法時(shí)的，此時(shí)如果電動(dòng)機(jī)定子電流減小或增加不多，則電動(dòng)機(jī)處于節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)。 基于國內(nèi)抽油機(jī)控制系統(tǒng)的使用現(xiàn)狀和實(shí)際情況，結(jié)合國外抽油機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，清華大學(xué)自動(dòng)化系和中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院聯(lián)合設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心的晶閘管移相觸發(fā)控制的低成本抽油機(jī)控制系統(tǒng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)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(shí)停止抽油機(jī)工作，從而保護(hù)電動(dòng)機(jī)。 上海交通大學(xué)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(xué)學(xué)報(bào)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。兩個(gè)能量輸入通道輸入的機(jī)械能和電能，經(jīng)氣隙磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換疊加，在恒頻率、電壓控制支持下，當(dāng)轉(zhuǎn)軸輸入的機(jī)械功率小于(或大于)負(fù)載功率時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)從電網(wǎng)、經(jīng)變頻器和轉(zhuǎn)子繞組吸入(或回饋)電功率給予補(bǔ)足(或扣除).這一特征說明雙饋發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，以它為核心，可構(gòu)成“隨機(jī)能量捕捉器”，在雜散自然能量的采集利用方面發(fā)揮影響。節(jié)能控制器的根本目的在于:在保證負(fù)載需求的情況下，盡可能地降低系統(tǒng)輸入功率。在控制方式上，以保持電動(dòng)機(jī)氣隙磁通恒定為目標(biāo)，即在正常調(diào)節(jié)過程中，始終保持u/f基本不變，在調(diào)頻的同時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子電壓。 ，主要推理工作及PWM生成策略均由軟件實(shí)現(xiàn)。二是應(yīng)用變頻調(diào)速裝置，該方案隨負(fù)載大小的不同，通過變頻而調(diào)節(jié)抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，具有較好的節(jié)能效果，但由于變頻器成本高，維護(hù)工作量大，且調(diào)速影響采油效率等因素而沒有得到廣泛的應(yīng)用。又由圖14 (b)電動(dòng)機(jī)的銅損耗和鐵損耗與輸入電壓的變化曲線可知:電動(dòng)機(jī)的鐵損耗不隨負(fù)載率變化而變化。第五部分為節(jié)能裝置內(nèi)部故障保護(hù)部分。機(jī)械采油就是在地面通過機(jī)械設(shè)備把原油從油井中采出地面。 抽油機(jī)在上沖程時(shí)，驢頭懸點(diǎn)需提起抽油桿柱和油柱，電動(dòng)機(jī)對(duì)外作正功。圖21是抽油機(jī)減速器凈扭矩曲線，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線。另一方面，要求電機(jī)具有較大的平均啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以便使電機(jī)在第一個(gè)最大阻力轉(zhuǎn)矩到來之前，超過電機(jī)臨界(最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速)，使電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。第3章 三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性分析 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的三相異步電動(dòng)機(jī)三相異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的單相等效電路如圖31所示:圖31 異步電動(dòng)機(jī)等效電路圖圖中: 、為定子繞組電阻、漏抗和電流、為轉(zhuǎn)子繞組電阻、漏抗和電流、為勵(lì)磁電阻、電抗和勵(lì)磁電流為附加電阻其矢量圖如圖32所示。在任意負(fù)載時(shí)，按定子電流與額定電流比值的平方成正比折算。在異步電動(dòng)機(jī)中，機(jī)械功率就是電磁轉(zhuǎn)矩乘以轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度，所以 (314)又因?yàn)? (315)所以: (316)式中，為轉(zhuǎn)矩因數(shù)，是氣隙每極磁通量，是轉(zhuǎn)子繞組的相數(shù)，是轉(zhuǎn)子繞組每相的匝數(shù)，是轉(zhuǎn)子繞組的基波繞組因數(shù)。120圖34 異步電動(dòng)機(jī)曲線 從以上有關(guān)公式可以得出下面的近似結(jié)論：滿載時(shí)，當(dāng)外加電壓降低X倍時(shí)，為保證輸出轉(zhuǎn)矩不變，轉(zhuǎn)差率必須隨之增加X的平方倍。電動(dòng)機(jī)在額定工況附近運(yùn)行時(shí)具有最好的經(jīng)濟(jì)性，但在實(shí)際運(yùn)行中，電動(dòng)機(jī)不可能始終保持額定條件運(yùn)行，因?yàn)樨?fù)載總是不斷變化的，運(yùn)行條件也會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化，從而影響到電動(dòng)機(jī)的效率。而偏離額定值，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)負(fù)載特性的基本參數(shù):電勢(shì)、磁通、磁化電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)差、轉(zhuǎn)速、定、轉(zhuǎn)子的電流及相位等一系列的變化，而且這些變化對(duì)不同性質(zhì)的負(fù)載具有不同的影響。當(dāng)容量和轉(zhuǎn)速不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的效率將隨負(fù)載率的變化而變化。所以電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)的高低還與空載電流和額定電流之比有關(guān)。根據(jù)推導(dǎo)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載率的關(guān)系可寫為： （326）式中，為電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比。但如果在負(fù)載變化的同時(shí)，也改變電源電壓，電動(dòng)機(jī)是否能繼續(xù)保持穩(wěn)定運(yùn)行呢?下面將對(duì)兩類不同性質(zhì)的負(fù)載進(jìn)行分析： （１）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 如切削車床、傳送運(yùn)輸機(jī)械和本文緒論中提到過的游梁式抽油機(jī)中的起重電動(dòng)機(jī)等，其阻轉(zhuǎn)矩為常數(shù)。另外，對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，轉(zhuǎn)差率只允許在0～的范圍內(nèi)變動(dòng)才