電動機節能技術的研究-畢業論文(參考版)

　　

【正文】 最后，向在我讀書期間所有關心和支持我的親人、老師、同學、朋友致以衷心的感謝和深深的祝福！參考文獻[1] 陸安定，陳渭. 電動機節能改造實用手冊[M]. 上海:上海科學技術出版社，1994[2] [M].北京:中國電力出版社,2005.[3] 張自學，兆文清，王鋼. 國內外新型抽油機[M].北京:石油工業出版社，1994 .[4] 劉洪智，[M].北京:石油工業出版社，1997.[5] 李玉生，王琪，[J].電源技術應用，(11).[6] [J].2000,18.[7] 薄保中，[J].節能，2000,3.[8] 史玉升，電氣傳動[J].2001,2.[9] 許宏綱，[J].2002,3.[10] 王愛霞，朱傳琴，閏敬東，董明霞。導師嚴謹的治學態度、務實的工作作風及高度的責任心，深深地影響并激勵著我，使我在理論和研究能力上得到長足進步。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。致謝 本文是在導師 老師的精心指導和嚴格要求下完成的。 通過理論學習和實踐，自己的業務水平和能力得到了提高，我相信，隨著現代電力電子技術的發展，抽油機電動機節能技術還將繼續得到發展。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。該子程序的流程圖如圖55所示:開始設置定時器T0啟動定時器T0標志位=1?打開三級管采樣電壓、電流關定時器關三級管消標志位計算電壓、電流的有效值返回圖55 A/D轉換子程序流程圖第6章 結論 理論分析和試驗結果證明了在對抽油機負載特性和交流動電機機械特性分析的基礎上，應用單片機的智能控制特點所研制的新型抽油機節能控制裝置的合理性、有效性和實用性，該新型抽油機節能控制裝置不但具有軟啟動功能，可明顯減小交流電動機起動電流。設置輸出電壓初值開始圖54 軟啟動子程序流程圖延時500ms輸出電壓加5輸出電壓等于200V?延時5s設電壓初始值為200V延時500ms輸出電壓加20輸出電壓等于380V?返回A/D轉換子程序的作用是將采樣到的電壓、電流值轉換成數字量，在連續采樣半個周期后，進行數字濾波，通過再計算有效值作為采樣值，采樣次數為30次。在本課題中，電動機軟起動采用斜坡升壓軟起動控制模式。 所謂軟起動就是在單片機的控制下，在電動機起動過程中，通過改變晶閘管的導通角，使加到電動機定子繞組上的線電壓從零逐步增加，降低起動電流的過程，程序設計起動時，晶閘管的導通角從開始以預設函數關系逐漸增大，電動機的端電壓也從零開始上升，直至達到滿足起動轉矩的要求，保證起動成功。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。 4).電機參數初始化 這一部分主要是三相異步電動機的勵磁參數的設定，由于電動機型號一旦確定，其勵磁參數也隨之確定，這部分根據電動機型號，設定、和。 2）.I/O口的初始化 這部分主要是根據硬件電路的設計來確定單片機某些I/0口的初始狀態。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 。開始上電自檢初使化參數軟起動A/D轉換計算銅耗、鐵耗及差值D/A轉換輸出控制電壓圖51 主程序流程圖 ，對系統RAM進行自檢，可以有效避免因RAM失常對系統帶來的損害。主程序流程圖如圖51所示。 2).當同類的需求較多時，可把程序放入庫中己備以后使用。模塊化編程有以下優點: 1).模塊化編程使程序開發更有效，小程序更容易理解和調試。 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。 4).運行狀態實現標志化指示。 2).功能程序實現模塊化，以便于調試、連接、移植和修改。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。當某一相因故斷開時，由于該相中沒有電流，致使這一相的光禍器件中的晶體管截止，則原來的導通回路與+5V電源斷開。缺相保護主要是利用了光禍合器件的特性。圖415為電機缺相保護原理圖。當節能裝置中的主要器件—六個晶閘管中的某一個因損壞而短路時，控制電路將檢測到電流異常增大，使固態繼電器觸點吸合，交流接觸器KM3的線圈回路得電，KM3的觸點吸合，于是節能裝置會自動地短接晶閘管，使電動機直接與三相電源相連，在不停機的情況下，仍然帶動抽油機工作而不至于影響生產，而損壞的晶閘管可在以后的時間里換下。 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。A相斷開時，KM2線包斷電，KM2觸點打開，也會使三相電路自動斷開，電動機停轉。按下SB1, KM2線圈回路得電，KM2觸頭動作，其觸點閉合，節能裝置主電路接通，運行指示燈亮。接通電源時，KM1的線圈通電，所以KM1的觸點閉合。 電容器的電容C與電容器容量的關系：當電網頻率f為5OHz,C以表示，U以kV表示，則根據式(46)可寫成: (47)三相異步電動機采用了電容直接補償后，功率因數從提高到，也就是改善了功率因數，使無功功率得到了補償。當采用電容量為，即電容電流為的電容器補償后，由圖可見，補償后的無功功率為，補償后的功率因數為，由圖可得以下兩式: (44) (45)圖411 電容器直接補償相量圖上式中為無功功率補償率，即每單位有功功率所需的電容器補償值，其單位為kvar/kW。 無功功率的電容直接補償就是將電力電容器直接接入進入異步電動機的三相電源上，對異步電動機的無功功率進行補償。因此對于異步電動機采取無功補償以提高功率因數、減小諧波影響、節約電能、減少運行費用以及提高電能質量，是具有重要意義的。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。在任意時刻，如果有必要使電動機全壓運行，可以按下S1鍵，這樣也能夠短路晶閘管，使電動機運行于全壓狀態。 IO接口 繼電器輸出轉換就是用直流繼電器的輸出來控制交流接觸器，使之在抽油機節能控制器發生故障時短路晶閘管，使三相電直接加在電動機上，從而既不影響抽油機的繼續工作，又對抽油機節能控制器起到保護作用。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。圖49 U與I相位角檢測原理圖U3U4I3I4LM393LM393+9VINT1–++–將正脈沖輸入到單片機的INT1引腳，通過對定時/計數器的方式寄存器TMOD編程，置位門控位GATE，并選擇計數器方式。該矩形波利用二極管的單相導電性，使二極管的輸出端波形僅為正脈沖。由于三相電源電壓信號和電流信號在相位上相差一個角度，所以電壓方波信號與電流方波信號也相差一個角度。交流電壓信號在經過LM393后，輸出為方波信號，這個電壓方波信號與三相電源具有相同的頻率。圖49是U和1相位角的檢測原理圖。為此，將來自電流互感器的電流信號流經一個電阻，然后從該電阻兩端取出電壓信號，再進行整流、濾波、采樣，圖中和的作用都是為了濾除高頻干擾，保護A/D轉換器。和起到了保護A/D轉換器免受干擾信號沖擊的作用。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。采集到的電壓信號經U端進入A/D轉換器進行模數轉換，給單片機提供可處理的數字量。從電壓互感器取出的信號經過橋式整流后，由電容濾波，形成的直流電壓信號再經分壓，加在電位器RP1上，VS1為穩壓管。采樣和檢測電路獲得的的電壓和電流信號為計算銅耗、鐵耗做準備，控制電路里還利用來自三個電流互感器的電流進行缺相保護。設計的電壓互感器的變比為50:1，其輸出電壓輸入到控制電路里進行電壓信號采樣、檢測。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。P87LPC762的主要特性如下：1）操作頻率為20MHz時，除乘法和除法指令外，加速80C51指令執行時間為300～600ns。由于控制電路的輸入變量和輸出變量較少，所要求的運算速度和精度不是很高。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。鍵盤部分利用一些獨立式按鍵來控制電動機的動作以及有關顯示的部分。另外，來自互感器的電壓、電流信號還進入電壓與電流的相位角檢測電路，獲得它們之間的相位角，單片機利用得到的相位角來計算電動機的銅耗和鐵耗。4. 4節能裝置控制部分控制電路是整個節能裝置的核心，接收檢測信號、發出指令，控制節能裝置的所有操作，如圖44所示，控制電路的系統構成包括主控CPU，電壓、電流的采樣，電壓與電流的相位角檢測，A/D和D/A轉換，缺相保護，繼電器輸出，監控和電源。至于各晶閘管門極的觸發脈沖，同相間兩管的觸發脈沖應互差，三相間的同方向晶閘管的觸發脈沖要互差，要采用寬脈沖或雙窄脈沖觸發，在這里采用的是雙窄脈沖觸發方式。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。交流調壓的原理就是利用晶閘管導通角的變化來改變輸出電壓的有效值以實現對負載電路輸入電壓的調節。若正負半周以同樣的移相角觸發和，則負載電壓有效值可以隨角而改變，實現交流調壓，圖43示出其波形。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。它是使晶閘管在電源電壓每一周期中，在選定的時刻內將負載與電源接通，改變選定的時刻可達到調壓的目的。這種控制方式電路簡單，功率因數高，適用于有較大時間常數的負載，缺點是輸出電壓或功率調節不平滑。即把晶閘管作為開關將負載與交流電源接通幾個周期(工頻1周期為20ms)，然后再斷開數個周期，以改變通斷時間比值達到調壓的目的。（2）交流調壓電路用晶閘管組成的交流電壓控制電路，可以方便地調節輸出電壓有效值。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。2）當晶閘管承受正向電壓，即0時，僅在門極承受正向電壓( 0)的情況下晶閘管刁一能導通。晶閘管有三個電極：陽極、陰極和門極。第六部分為電動機缺相保護部分。第四部分為IO接口裝置通訊部分。第二部分為節能裝置控制部分。節能控制系統構成圖如圖41所示。第4章 系統硬件設計 概述 三相異步電動機驅動抽油機負荷時，基本上處于周期性變化之中，這種變化主要引起電流及功率因數的變化，因此也可由電流或功率因數的變化獲知負載的變化情況，從而便可以將電流或功率因數作為反饋量來對抽油機系統進行控制。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。5）定子銅耗定子銅耗取決于定子電流的大小。還可以由轉差率直接算出轉子銅耗的大小，故轉子銅耗又稱為轉差損耗或轉差功率： （337 ）對恒轉矩負載來說，由于輸入功率幾乎不變，所以當降壓運行時，轉子銅耗將隨轉差率的增大而增大。（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。因此，變轉矩負載的輸出功率將隨電壓的降低而降低。而對于變轉矩負載，情況就大不一樣了。下面討論降低電壓能否給電動機的經濟運行帶來好處。順便指出，對恒轉矩負載的輕載狀況，調壓僅僅在于提高電動機的功率因數，節約電動機本身的有功功率和無功功率損失，而對于變轉矩負載來說，除了可以節約這部分損失外，還可以減少輸出功率，節能效果更為顯著，應用也更有意義。同時，調節電壓應遵循