電動機節能技術的研究-畢業論文-wenkub.com

　 　

【正文】 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。從選題、設計到論文的完成，都凝聚著導師的心血和汗水。 油田抽油機電動機的節能控制是今后相當長的時期內油田廣泛關注的一個課題，該裝置雖然取得了一定成果，但由于測試手段不夠完善，使用晶閘管所帶來的諧波問題還沒有進行更進一步的研究，控制參數還需要進一步優化，這些都是需要我們今后繼續努力探索和解決。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。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。 初始化參數子程序流程圖如圖59所示。初始化參數子程序包括以下幾部分: 1).CPU內部寄存器的初始化 這一部分包括定時器的初始化，中斷初始化和中斷優先級的設定等。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。當知道模塊的輸入和輸出時，可以直接測試小模塊。 5).實現軟件的抗干擾措施。第5章 控制系統軟件設計 單片機系統軟件是根據系統功能要求設計的，應該能夠可靠地實現系統的功能，因此要求軟件具有以下特點: 1).軟件結構清晰、簡潔，流程合理。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。 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。若在三相異步電動機運行過程中，需要使其停止，可以按下SB2，人為斷開KM2線圈供電線路，使電動機停止運轉。SB1和SB2分別為手動啟動按鈕和人工停止按鈕。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 )。 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。圖410 繼電器輸出部分+24VSSRK1K1RELAYSPSTK2S1全壓K3P17 無功功率補償 三相異步電動機是典型的阻感負載，必須吸收無功功率才能正常工作。電解電容用來穩定電源電壓，無極性電容的作用是用來濾除電源信號中的高頻成分。該正脈沖所反映的正是電壓信號和電流信號的相位差。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。 與的相位角檢測 測量電壓與電流的相位角的目的是為了用來計算異步電動機的銅耗。需要采樣時，再使P12口變為低電平，和截止，這時A/D轉換器對電壓信號或電流信號進行采樣。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。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。VDD=～，時鐘頻率可達20MHz，VDD=～，時鐘頻率最大為10MHz；2）用于數字功能時，～；3）2K字節OTP程序存儲器；4）128字節的RAM；5）32字節用戶代碼區可用來存放序列碼及設置參數；6）2個16位定時/計數器，每一個定時器均可設置為溢出時觸發相應端口出；7）2個模擬比較器；8）全雙工UART；9）8個鍵盤中斷輸入，另加2路外部中斷輸入；10）4個中斷優先級；11）低電平復位。主控CPU是整個控制電路的核心，它決定了整個系統方案的設計和其他外圍器件的選擇。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。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。在電路中為使波形的正負半周對稱，反并聯的兩個晶閘管的控制角應該相等。當電源電壓正半周開始時觸發，負半周開始時觸發，形同一個無觸點開關，允許頻繁操作，因為無電弧，所以壽命長。b：相位控制。常用的晶閘管交流調壓控制方法有兩種：。3）晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極電壓是正還是負，晶閘管保持導通。～380V圖42 節能裝置主電路KM1的觸點KM2KM2的觸點SB1SB2KM1指示燈電流互感器電流互感器電流互感器電壓互感器電源變壓器1516～25V～12V～9VKM3SSR電容器M～ 功率控制電路 該部分由晶閘管交流調壓電路組成 （1）晶閘管的特性:晶閘管的轉換效率高(可達95%～97%)，體積小、重量輕、時間延遲小、功耗低，是工業中實現大容量功率變換和控制的主要器件。第三部分為節能裝置監測反饋部分。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。定子電流是轉子電流與勵磁電流的向量和，因此定子電流的大小不僅與負載的性質、輕重等有關，而且還與勵磁電流和轉子電流的比值有關。當電壓變化時，由于主磁通與電壓成正比變化，所以轉子電流的大小與電壓成反比變化，因此轉子銅耗與電壓的平方成反比變化，可表示為： (336)因此，降低電壓總會引起轉子電流和銅耗的增大，這是所不希望的。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。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。 隨負載變化允許調壓的范圍 由上分析可見，隨負載變化調壓只適用于變轉矩負載和恒轉矩負載的輕載狀況。另外，對恒轉矩負載，轉差率只允許在0～的范圍內變動才穩定，在此范圍內改變電壓時，轉速的變化是很小的，一般電壓降低10%，轉速只降低1%左右。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。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。 同理，可求得在額定轉差率附近轉差率與負載率得關系為: (327) 即轉差率與負載率成正比，當負載小于額定值變化時，轉差率在0～之間變化 當負載變化時，是否允許電壓同時降低，允許降低電壓的范圍以及降低電壓運行對電動機的影響。根據推導，電動機的電磁轉矩與負載率的關系可寫為： （326）式中，為電動機的最大轉矩與額定轉矩之比。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。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。當負載變小時，轉子電流就會相應減小，于是定子電流與電源電壓間的相角就變大，功率因數就降低。當容量和轉速不變時，電動機的效率將隨負載率的變化而變化。 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。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。這就需要采取一些措施，希望在負載變化的同時，電動機的輸入功率和各種損耗都能隨負載的減小而盡可能地成比例降低，同時，保持電動機繼續穩定運行。電動機在額定工況附近運行時具有最好的經濟性，但在實際運行中，電動機不可能始終保持額定條件運行，因為負載總是不斷變化的，運行條件也會經常發生變化，從而影響到電動機的效率。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。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。由此可見，最大電磁轉矩愈大，電動機的短時過載能力愈強，因此把電動機的最大電磁轉矩與額定 電磁轉矩之比稱為電動機的過載能力，用過載系數表示，即 (322)如圖34所示的異步電動機曲線中，為負載阻力矩。在異步電動機中，機械功率就是電磁轉矩乘以轉子的機械角速度，所以 (314)又因為: (315)所以: (316)式中，為轉矩因數，是氣隙每極磁通量，是轉子繞組的相數，是轉子繞組每相的匝數，是轉子繞組的基波繞組因數。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。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。在異步電動機中，除了上述各種損耗外，由于定、轉子開槽和定、轉子磁動勢中含有諧波磁動勢，還要產生一些附加損耗。第3章 三相異步電動機運行特性分析 穩定運行時的三相異步電動機三相異步電動機穩定運行時的單相等效電路如圖31所示:圖31 異步電動機等效電路圖圖中: 、為定子繞組電阻、漏抗和電流、為轉子繞組電阻、漏抗和電流、為勵磁電阻、電抗和勵磁電流為附加電阻其矢量圖如圖32所示。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。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。如負扭矩較大，將發生從動輪沖擊主動輪，影響減速器齒輪的壽命。圖21是抽油機減速器凈扭矩曲線，即負載轉矩曲線。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。 抽油桿柱和油柱運動所產生的慣性載荷。機械采油就是在地面通過機械設備把原油從油井中采出地面。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。第五部分為節能裝置內部故障保護部分。 節能裝置結構 抽油機節能裝置的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。又由圖14 (b)電動機的銅損耗和鐵損耗與輸入電壓的變化曲線可知:電動機的鐵損耗不隨負載率變化而變化。 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。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。由于交流電機為感性負載，配置大，負荷小，負載滯后角較大，造成其功率因數十分低。 ，主要推理工作及PWM生成策略均由軟件實現。 ，包容面大而廣，具有較強的自適應能力。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。電動機調壓節能控制器由如圖12所示的幾個主要部分組成，其中推理主要由軟件完成，這樣可以最大限度地減少控制器的硬件成本。節能控制器的根本目的在于:在保證負載需求的情況下，盡可能地降低系統輸入功率。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。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