電動機節能技術的研究-畢業論文(更新版)

　　

【正文】 如果負載在小于額定值的范圍內變化，且轉速為額定值時，電動機總能保持穩定運行。如果繼續增加負載，由于此導致功率因數又下降。 負載率對效率的影響及計算 電動機的效率一般是隨額定容量的增大而提高，相同容量電動機的效率則隨額定轉速的降低而降低。但是這樣一來，也就完全改變了電動機的運行條件，使得電動機長期偏離額定值運行。 運行條件變化對電動機性能的影響電動機運行條件的變化，主要是指電源(電壓、頻率)和負載(負載的大小)的變化。因此，超過點，電動機就進入不穩定運行狀態，故最大轉矩也稱為停運轉矩。 異步電動機的轉矩表達式由上節可知: (313)旋轉體的機械功率等于作用在旋轉體上的轉矩與它的機械角速度的乘積。%；而在小型異步電動機中，滿載時，可達額定輸出功率的1%～3%。 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。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。這表明，拖動抽油機的電機仍有部分時間工作在負功狀態。 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。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。第四部分為IO接口裝置通訊部分。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。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。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。但其主電路比后者要復雜一些。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。轉子繞組，輸入電能。系統工作可靠，并具有明顯的節能效果，%。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。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。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。 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。 4).小型鼠籠式異步電動機宜采用直接啟動方式。2).選擇合適的輸出功率。 (3)電動機的調速節能。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。 Energyconservatxan。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。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。節能。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。 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。 2).轉子串電阻調速。 4).選擇合適的配電電壓。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。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。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。工作原理如下圖11所示。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。裝置的核心是雙饋發電機。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。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。 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。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。這三種方案的性能價格比和節能效果都不是最理想的。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。 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。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。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。抽油機的工作頻率一般為6～12次/分，即工作周期為5～10秒。 抽油機帶載啟動，慣性矩較大。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 )轉子銅耗為 (38)電磁功率減去轉子繞組中的銅耗就是等效繞組上的損耗。綜上所述，可得功率關系式如下:輸入功率=定子銅耗+定子鐵耗+傳給轉子的功率，即: (310)傳給轉子的功率(電磁功率)=轉子銅耗+機械功率，即: (311)機械功率=機械損耗+附加損耗+輸出功率，即: (312)由以上分析可見，異步電動機在正常運行時，由于其轉速和主磁通近似不變，導致機械損耗和定子鐵耗也近似不變，故稱機械損耗和定子鐵耗為不變損耗。對式(310)，應用函數取極值的必要條件，當時，最大電磁轉矩為: (318) ～，進一步推導可以知道任意轉差率時的轉矩和最大轉矩之比為: (319) 最大電磁轉矩對電動機來說具有重要意義。而同時，轉子電流也必須增加X倍以保證輸出轉矩的不變。但是電動機的效率不會因此而保持不變，相反，會隨著負載的減小而降低，而且在負載減小到一定程度后，效率會有大幅度的下降。本節將著重分析運行條件的變化對電動機性能的影響，說明如何改變運行條件，使得電動機節能和允許改變條件的程度。從異步電動機的等效電路圖可知:對于電源來說，異步電動機相當于一個電阻和電感互相串并聯的電路，功率因數總是小于1的。 負載率與電磁轉矩和轉差率的關系電動機在轉子中感應的電流與旋轉磁場相互作用而產生轉矩，使電機旋轉，并拖動機械設備一起轉動，其工作過程是：在正常方式下，當電動機起動時，電動機的起動轉矩首先必須大于負載的機械阻轉矩，電動機才能順利起動。當轉速接近額定轉速或轉速變化很小時，轉矩率在數值上等于負載率。而在重載時，如果電壓降低，轉速就會很快下降，使電動機失去穩定，直至停轉，降低電壓節能的措施是否可行，、電壓、轉矩、轉子電流和轉差率之間的關系，列出以下關系式： 　　　　　　 （328） 由上式可知，電動機可承受的負載轉矩不僅與電壓的平方成正比，與負載率成反比，而且還與電動機本身的承載能力有關。 （2）變轉矩負載 當電壓降低時，轉差S升高，轉速將隨之有一定程度的降低，同時阻轉矩也跟著降低，～的線性工作段可以穩定工作，而且在TS曲線的下降段也能穩定工作。 由前面的分析可知： （329） （330） （331）可見，影響電動機輸入功率、效率和功率因數的主要原因是電動機的輸出功率和電動機本身的損耗，那么電壓的變化對這三者有什么影響呢?簡析如下:（1）電壓變化對輸出功率的影響由前分析可知，對于恒轉矩負載，無論是在重載還是在輕載狀況下，電動機的輸出功率常數，基本不變。對于變轉矩負載，因其輸入功率君隨電壓的降低而降低，轉子銅耗要比恒轉矩負載小得多，其值為： （338）其中表示在，時電動機的最大機械輸出功率，如忽略定子損耗，近似等于時的輸入功率。～380VK節能裝置抽油機M～圖41 抽油機系統構成 抽油機節能裝置主電路抽油機節能裝置的主電路系統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。晶閘管的通斷規律為：1）當晶閘管承受反向陽極電壓，即0時，不論門陰極承受何種電壓，晶閘管都處于關斷狀態。這里晶閘管起到一個通斷頻率可調的快速開關的作用。b 波形圖a 調壓電路20圖43 晶閘管單向交流調壓電路及其波形 由上圖可以看出，改變控制角，可得到不同的負載電壓波形，角越大，在每個周期中晶閘管的導通角越小，加在該相負載上的電壓有效值越小；反之，角越小，加在負載上的電壓有效值越大，從而使電路起到調壓的作用。圖44 控制裝置控制電路的系統構成框圖輸入電壓電流采樣A/D轉換A/D轉換主控CPU電壓與電流的相位差對應的角度檢測缺相保護部分監控部分繼電器輸出控制交流接觸器AC380VM～ 抽油機節能裝置主電路中的電壓和電流經電壓互感器和電流互感器進入電壓、電流采樣輸入部分進行采樣，采樣后的信號進入A/D轉換器，形成數字量，進入單片機進行處理。因此選用P87LPC762為主控CPU。VD2VD5VD1VD6RP1VS1U1U2UP12VD4VD7VD3VD8RP2VS2I1I2IP12圖48 電壓、電流的采樣電路圖如圖48所示為電壓、電流的采樣電路圖，上圖為電壓采樣圖，下圖為電流采樣圖。對電流信號采樣，需要先將電流信號轉化為電壓信號，A/D轉換器才能對其進行采樣。二極管和構成與門，兩路方波信號作為這個與門的兩路輸入，與門的輸出信號為這兩路方波信號“相與”的結果，為一矩形波。如圖410所示，當某一晶閘管因損壞而短路時，單片機將檢測到電流的異常增大，這時就會通過P17口發出一低電平控制信號，經反相器VT3后加在電流放大器VT4的基極，使VT4飽和導通，這樣，直流固態繼電器SSR線包兩端就加上了+24 V的直流電壓，其觸點閉合，使交流接觸器KM3線包兩端通電(見圖42), KM3的觸點閉合，這時，KM3就短接了晶閘管，使三相電直接加在電動機上，電動機處于全壓運行狀態。如圖411所示，異步電動機的有功功率為，無功功率為，有功電流為，功率因數為。在電動機運行過程中，若電網電源有一相由于某種原因突然斷開(假如是B相)，則交流接觸器KM1線圈斷電，KM1的觸點打開，這時KM2回路斷開，KM2線圈也斷電，KM2的觸點打開，使得節能裝置主電路自動斷開，電動機停止運轉，避免了三相缺相運行時電動機的損壞，同理可分析C相斷開時的運行過程。三相電流分別從三個電流互感器的6個端口，、和、引入，經過缺相保護部分進行檢測。 3).程序存儲器、數據存儲器的規劃合理，既節約內存容量，又使操作方便。3).模塊化編程使得要解決的問題與特定模塊分離，很容易找到錯誤的模塊，大大簡化了調試。 3).全局變量初始化 在程序中自定義的一些全局變量和標志位狀態的初始化。斜坡電壓起動控制模式是指在起動過程中，通過控制晶閘管導通角，使電動機端電壓從初始電壓(由用戶設置)開始平滑按斜坡函數關系上升，然后，待電流穩定后，再上升至電源電壓，這樣，電動機的起動轉矩大，起動時間短，起動電流小，該子程序的流程圖如圖54所示。由于自己能力所限，論文中肯定也存在許多不足之處，懇請各位老師給予批評指正。電動機D–Y技術在抽油機上的應用[J].電工技術雜志，2000,3[11] MicroProcessorbased AdaPtive Power Factor Correcter for Nonliner Loads[J].IEE