電動機節能技術的研究-畢業論文(專業版)

　　

【正文】 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。 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。 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。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。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。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。因此選用P87LPC762為主控CPU。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。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。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。 （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。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。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。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。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。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。抽油機的工作頻率一般為6～12次/分，即工作周期為5～10秒。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。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。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。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。裝置的核心是雙饋發電機。工作原理如下圖11所示。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。 4).選擇合適的配電電壓。 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。節能。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。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。2).選擇合適的輸出功率。 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。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。系統工作可靠，并具有明顯的節能效果，%。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。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。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。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。這表明，拖動抽油機的電機仍有部分時間工作在負功狀態。 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。 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。 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。 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。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。 利用式(328)進行分析時，應注意到:轉差率與調壓系數的平方成反比變化，但轉速的平方成正比，負載阻轉矩只受運行方式(重載和輕載)、負載性質(恒轉矩或變轉矩)的影響，兩者不能混淆。（2）電壓變化對電動機的損耗影響 電動機的損耗，: (332) 電壓變化對各項損耗的影響如下: 1）機械損耗 機械損耗與轉速成正比，由于電壓變化所引起的轉速變化不大，因此可認為 常數 (333) 2）附加損耗 附加損耗與電流的平方成正比，與電壓的平方成反比 (334)3）定子鐵耗當電壓接近額定值時，電動機的磁路趨于飽和:當電壓低于額定值時，鐵耗近似地與外加電壓的平方成正比，即 （335）4）轉子銅耗轉子銅耗的大小主要取決于轉子電流的大小，而轉子電流的大小又取決于電壓和負載的大小，如式(331)所示。第六部分為電動機缺相保護部分。單相交流調壓電路如圖43所示，其中晶閘管和反并聯連接與負載電阻R串聯接到交流電源上。當需要甩開節能裝置或晶閘管出現故障時，單片機發出一控制信號，由直流固態繼電器控制交流接觸器KM3，使其觸點接通，工頻三相電源直接加于三相異步電動機定子繞組上。圖中晶體管和的作用是:開始時單片機的P12口為高電平，使和飽和導通，則U端和I端為低電平。圖中用來獲取電壓信號，穩壓管用來使輸入單片機的脈沖電壓穩定在5V左右，小電容可以濾除輸入電壓信號的尖峰，保護單片機免受干擾信號的沖擊。接通電源時，KM1的線圈通電，所以KM1的觸點閉合。圖412 缺相保護部分P10在電機運行過程中，檢測電路不斷對電流、電壓信號進行監測，發現電流超出給定值時，由CPU發出信號，接觸器動作，切斷主回路電源，起到到短路和過載保護作用。上電自檢子程序流程圖如圖52所示:圖52 上電自檢子程序流程圖開始將0寫入首址讀出校驗是否為0？下一個地址檢測完畢？A出錯處理返回A將255寫入首址讀出校驗是否為255？下一個地址檢測完畢？NNNNYY 。具有時序控制功能，為油田實現有序采油、降低成本提供條件。在學習及課題的設計和研制過程中，導師 在學習及生活、課題研究中一直都給予我極大的關心和幫助。開始CPU內部寄存器初始化圖53 初始化參數子程序流程圖I/O口初始化全局變量初始化電機參數初始化返回 由于三相異步電動機全壓起動時，起動電流是其額定電流的5～7倍，這需要電網有很大的容量，而且還會降低電器控制設備的使用壽命，影響其它電氣設備的正常運行。 遵循以上原則，根據功能的要求，采用模塊化編程，設計軟件整體流程圖。 功率控制元件故障保護這一部分主要由交流接觸器KM3和控制電路中的直流固態繼電器SSR構成。電力電子成套裝置與其他非線性裝置工作時要產生諧波電流并消耗無功功率，特別是晶閘管相控裝置工作時產生的諧波就更大，圖42中的三相晶閘管調壓器工作時基波電流滯后于電網電壓，要消耗大量的無功功率，而且它本身還會產生大量的諧波電流，這種電力電子裝置是較大的諧波源，在它的輸入側會產生大量的諧波電流。圖49是U和1相位角的檢測原理圖。使用片內上電復位時不需要外接元件；、電流采樣由一個電壓互感器和三個電流互感器構成。在圖42中使用的是三相交流調壓電路，相當于三個單相晶閘管交流調壓電路的組合，電路中晶閘管承受的電壓、電流就是每相間的單相調壓器需要考慮的數值，所不同的是晶閘管承受的電壓為線電壓，而流過反并聯晶閘管的電流為線電流而己，其工作原理和每相負載上的電壓波形與單相交流調壓情況有點類似但卻不完全相同。4）要使晶閘管關斷，必須去掉陽極正向電壓(=0)，或者給陽極加反壓( 0)；或者降低陽極正向電壓，使通過晶閘管的電流降低到維持電流以下。當電動機輕載或空載時，中分量所占的比重較大，分量所占的比重較小，電壓適當下降時，定子電流能夠減小，相應地定子銅耗也可以減小。同時，調節電壓應遵循兩個約束條件: （1）在一定負載下降低電壓運行時，必須使電動機繼續保持最大轉矩倍數。 電壓變化對電磁轉矩的影響 異步電動機的電磁轉矩與電源電壓、頻率、極對數，及轉差有關，當結構參數和頻率一定時，電動機的電磁轉矩與電壓的平方成正比。在空載時，定子電流，相角最大，功率因數最低。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，使系統保持穩定運行，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，保持電動機運行的經濟性。從圖中可以看到，電動機可以工作在1或2的狀態，從平衡的角度容易知道，1為穩定平衡點，2為非穩定平衡點。附加損耗一般不易計算，往往根據經驗估算。 抽油機啟動時，抽油桿一般處于最低位置，所需啟動轉矩只需克服靜磨擦力及原油的表面張力的影響，因此，所需轉矩相對較小。 抽油桿柱和油柱運動所產生的振動載荷。第二部分為節能裝置控制部分。在油田實際測試，電能浪費嚴重。～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動電動機負載系統電動機調壓主電路緩沖電路保護電路電流檢測波形整形A/D轉換微分推理圖12 調壓節能控制器原理框圖 在調壓節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，節電約60%。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。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。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。 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%