電動機節能技術的研究-畢業論文(留存版)

　　

【正文】 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。但這種電動機造價較高，而且經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)連續運行的應用場合，其節能效果達到最佳。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。在滿足抽油機正常運轉的前提下，使電動機工作在銅耗等于鐵耗的狀態下，提高抽油機電動機的工作效率和功率因數，達到節能降耗的目的。尤其在我國石油企業中普遍使用的用來驅動有桿采油泵的游梁式抽油機電動機，其所采用的驅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。(5)發展永磁電動機。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。臨界負載率和定子電流間的關系為: (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△接狀態而節約電能。 該抽油機控制系統綜合應用了傳感器技術、單片機技術和晶閘管技術，實現了抽油機控制的自動化和智能化。眾所周知，在輕負載下，適當降低電動機定子電壓，定子電流將隨之減少，且電動機的輸出功率仍可保持不變。 ，包容面大而廣，具有較強的自適應能力。 因此，在各油田進行了廣泛調研的基礎上，根據抽油機負載的特點和三相異步電動機的工作原理，吸收國外先進技術，研制了一種新型抽油機電機高效節能控制裝置，與以往的調壓與軟啟動抽油機控制裝置相比，吸收了前述三種方案的優點，按抽油機負載的周期性變化，通過單片機應用C語言編程計算電機的銅損耗和鐵損耗，根據電機在銅損耗等于鐵損耗時總損耗最小的原理、借助于模糊控制理論，通過主電路中晶閘管的移相控制，調節加到抽油機驅動電機定子側的輸入電壓，保證運行中電機的銅損耗與鐵損耗相等，降低抽油機的總損耗，提高其工作效率和功率因數，達到節能降耗的目的。控制系統軟件以控制理論為基礎，采用C51語言進行程序設計，選用Keil uVision2為開發環境塊構成:初始化參數采用模塊化編程，設計軟件整體流程。如在抽油機的曲柄、游梁后端或同時在曲柄和游后端增加平衡塊，以其達到抽油機一抽油泵裝置的平衡運轉。抽油機啟動后，正常工作時的平均轉矩與最大扭矩相比要低1/3,所以電動機輸入功率僅為額定功率的1/3，不可避免出現“大馬拉小車”的局面。附加損耗在任意負載時也按定子電流與額定電流比值的平方成正比折算。因此，電動機調壓控制的約束條件為最低電壓時電動機的最大電動轉矩不低于負載額定轉矩。 負載變化對損耗、效率、功率因數和轉矩的影響 在額定電壓和額定頻率時，電動機負載的變化會引起電動機的轉差率、定子電流、轉子電流和轉矩相應的變化，這一變化必然又會引起電動機損耗、效率和功率因數的變化，而勵磁電流實際上可認為與負載無關。當電動機達到額定轉速時，電動機的電磁轉矩與負載的機械阻轉矩相平衡，即，系統進入穩定運行狀態。因此當負載率一定時，如越大，電壓允許調節的范圍也就越大，式中，為調壓系數。由于電動機在低速時也能保持穩定運行，因此，允許的電壓、轉差率和相應的轉速的變化范圍較大，而變轉矩負載的阻轉矩是隨著轉速的增減而增減的，例如機泵類的負載轉矩與轉速的平方成正比關系。第三部分為節能裝置監測反饋部分。b：相位控制。缺相保護部分用來監測來自電流互感器的三相電流，只要缺少任何一相，單片機就會發出指令，使電動機停止運行，從而對電動機進行保護。調節電位器，使采樣環節輸出電壓的范圍為0～5V時，對應三相交流電壓范圍0～380V。該正脈沖所反映的正是電壓信號和電流信號的相位差。因為電容直接補償的是三相異步電動機，因此補償電容器容量與其額定電容電流的關系為: （46） 式中：—電容器額定電流(A)； —電容器額定容量(kvar ) ； —電容器額定電壓((kV )。當沒有缺相時，有電流通過光耦器件，經過光電耦合，三個光耦器件中的晶體管全部飽和導通，+5 V電壓直接加在和上，并對進行充電，單片機的P10口檢測到的是高電平。主程序由以下幾個子程序模塊構成:上電自檢，初始化參數，軟起動，A/D轉換，計算銅耗、鐵耗及其差值，D/A轉換和輸出控制電壓子程序，下面將分別介紹各子程序模塊的功能。程序設計采用查詢方式，使用計數器TO作為定時器，計數滿申請中斷，5OOus中斷一次，采樣此時的電壓、電流值，分別保存在兩個數組中，并計算它們的有效值。在此，向導師表示深深的敬意和衷心的感謝 在研究課題的過程中，我還得到了許多老師無私的幫助，在此表示深深的感謝。運用不同的設定方法，使被控電動機定子繞組上的輸入電壓按不同的要求而變化，就可以實現不同的起動效果。當知道模塊的輸入和輸出時，可以直接測試小模塊。 電機缺相保護 缺相保護是用來在電動機運行過程中由于某種事故的發生而突然斷相時采取的一種保護措施。 無功補償的方法通常有兩種:無功功率的電容投切補償和無功功率的電容直接補償，本裝置裝置采用電容直接補償。同理，從電流互感器引出的電流信號，也經過限流、濾波、雙向穩壓后進入過零比較器的同相端，輸出為電流方波信號，這個方波信號也與三相電源有著相同的頻率。電流互感器的變比設計為10000:1，電流互感器的輸出有一路進入控制電路里進行采樣和檢測，另一路作為保護取樣信號。設U為線電壓的有效值，則三相線電壓分別為： （41） 圖42中六只晶閘管從右往左依次為、六只晶閘管門極觸發的相序是、觸發相位依次滯后，、的觸發相位又分別滯后于、的觸發相位，這樣，觸發相位自至，依次滯后間隔為。常用的晶閘管交流調壓控制方法有兩種：。在對抽油機驅動電動機的節能方法進行比較研究后，我們的目的就是研制以異步電動機電流作為反饋量應用模糊控制的智能抽油機節能控制裝置，其基本控制思路是:控制裝置在工作過程中不斷實時檢測電動機的電流，經A/ D轉換單元變為數字量，并將采樣值輸入單片機，經單片機內的程序與給定的標準額定值相比較處理后，從單片機輸出口產生相應的控制信號，調節串接在異步電動機供電回路中的雙向晶閘管導通角，使之根據負載的大小自動調整異步電動機的定子輸入電壓，實現“銅耗=鐵耗”的控制目的。電壓變化對電動機功率、效率和功率因數的影響前面從不使電動機失去穩定和不使轉子發熱的角度，也就是從安全的角度出發，分析了負載變化時，允許調壓的范圍。但如果在負載變化的同時，也改變電源電壓，電動機是否能繼續保持穩定運行呢?下面將對兩類不同性質的負載進行分析： （１）恒轉矩負載 如切削車床、傳送運輸機械和本文緒論中提到過的游梁式抽油機中的起重電動機等，其阻轉矩為常數。所以電動機的功率因數的高低還與空載電流和額定電流之比有關。而偏離額定值，會引起電動機負載特性的基本參數:電勢、磁通、磁化電流、轉矩、轉差、轉速、定、轉子的電流及相位等一系列的變化，而且這些變化對不同性質的負載具有不同的影響。120圖34 異步電動機曲線 從以上有關公式可以得出下面的近似結論：滿載時，當外加電壓降低X倍時，為保證輸出轉矩不變，轉差率必須隨之增加X的平方倍。在任意負載時，按定子電流與額定電流比值的平方成正比折算。另一方面，要求電機具有較大的平均啟動轉矩，以便使電機在第一個最大阻力轉矩到來之前，超過電機臨界(最大轉矩轉速)，使電機進入穩定工作狀態。 抽油機在上沖程時，驢頭懸點需提起抽油桿柱和油柱，電動機對外作正功。第五部分為節能裝置內部故障保護部分。二是應用變頻調速裝置，該方案隨負載大小的不同，通過變頻而調節抽油機驅動電機的轉速，具有較好的節能效果，但由于變頻器成本高，維護工作量大，且調速影響采油效率等因素而沒有得到廣泛的應用。在控制方式上，以保持電動機氣隙磁通恒定為目標，即在正常調節過程中，始終保持u/f基本不變，在調頻的同時自動調節電動機定子電壓。兩個能量輸入通道輸入的機械能和電能，經氣隙磁場轉換疊加，在恒頻率、電壓控制支持下，當轉軸輸入的機械功率小于(或大于)負載功率時，系統將自動從電網、經變頻器和轉子繞組吸入(或回饋)電功率給予補足(或扣除).這一特征說明雙饋發電機在正常運行時，以它為核心，可構成“隨機能量捕捉器”，在雜散自然能量的采集利用方面發揮影響。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。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，則電動機處于節能運行狀態。 國內外抽油機電動機節能技術發展綜述 在機械采油井中應用最廣泛的是游梁式抽油機，具有結構簡單，工作可靠，制造容易等優點，但是耗能高，效率低，沖程和沖次調節不方便，所以實際運行中大都處于不平衡狀態，為了使抽油機順利啟動，按抽油機的最大負荷來選配驅動電動機，并留有一定裕量，而抽油機的平均轉矩一般只為最大轉矩的三分之一，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”的現象。 1).高性能交流電動機變頻調速器。 single–chip microputer Copper Losses。摘要根據測量，油田用抽油機大部分時間在空抽、電機均在輕載狀態下運行，電機效率和功率因數都比較低，造成大量電能浪費。Iron Losse目 錄第1章 前言 1 課題來源 1 異步電動機的節能措施 1 國內外抽油機電動機節能技術發展綜述 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系及損耗分析 15 異步電動機的轉矩表達式 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、功率因數和轉矩的影響 19 21第4章 系統硬件設計 25 概述 25 抽油機節能裝置主電路 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 控制系統軟件設計 38第6章 結論 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，創造出燦爛的文明和文化。采用微機控制的大功率管逆變技術，利用交—直—交方式，用于交流異步電動機的調速，節能效果可高達55%以上。 近年來，國內各油田陸續采用了各種節能方法，取得了不少成果，其中比較成功的是高轉差電動機。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，則電動機非但不節能反而浪費電能，因此此時電動機應轉為△接。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。 節能控制分為調壓節能和變頻節能兩種。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。三是啟動時具有軟啟動、運行時帶過載、缺相等保護功能，且能按負載大小調壓，雖可實現一定的節能效果，但并未關心是否能保證電機的損耗最小。第六部分為電動機缺相保護部分。下沖程時，抽油桿依靠自重就可下行，電動機處于發電運行狀態，因此，電動機在上、下沖程的載荷是很不均勻的。 抽油機的負載特點決定了三相異步電動機驅動抽油機不可避免地會出現“大馬拉小車”的現象。機械功率減去機械損耗和附加損耗，才是真正的輸出功率。此時，電動機的轉速將下降。下面將對這些影響進行一些具體的分析，以便根據不同的條件采取合理的節