電動機節能技術的研究-畢業論文-文庫吧資料

　　

【正文】 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。所以對于變轉矩負載，不僅調壓范圍大，而且由于阻轉矩的下降，使得轉子電流也跟著下降，這就不會出現象恒轉矩負載那樣轉子過熱的問題，也不會出現不穩定的問題，顯然在這種場合采取調壓方法是可行的，節能效果也比恒轉矩負載好得多。 綜上所述，恒轉矩負載在重載方式下運行時，不允許電壓有較大變化，通常規定電壓的變化范圍為，而其在輕載方式下運行時，允許電壓有較大的變化，變化范圍視負載的情況而定。 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。 由上式還可知，轉子電流與調壓系數成反比，與負載率成正比:轉差率則與電壓的平方成反比，與負載率成正比變化。任意負載時，電動機能穩定運行的必要條件是使，即。這類負載一般有重載運行方式和輕載運行方式，對于這類負載中的運行電動機，當其輕載運行時，即使供電電壓變化較大，轉速變化仍然是很小的，電動機總能保持穩定運行。由上述分析可知，正常情況下電動機的電磁轉矩是隨時隨地與負載轉矩相平衡的，只要負載不超過額定值，電動機總能保持穩定運行。 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。可見，電動機在負載變化時的實際承載能力與負載率成反比，負載越小，承載能力越大，系統越能穩定運行；負載變大，承載能力就降低，如果，承載能力就小于額定承載能力，電動機運行的穩定性將降低。為任意負載時電動機的最大轉矩與負載轉矩之比，稱為任意負載時的最大轉矩倍數，當負載為額定值時； 為任意負載時阻轉矩與額定轉矩之比，稱為電動機的轉矩率。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。如果此時負載增大，即，電動機的平衡被破壞，使得轉差率S增大，就會引起轉子電流增大，接著電磁轉矩也跟著增大，直至與負載轉矩達到新的平衡。由于大于，有了一定的剩余轉矩，電動機就能不斷加速至額定轉速，為了避免起動時間過長，導致起動電流過大使繞組發熱，要求電動機有足夠大的起動轉矩，以縮短起動時間，減少發熱。知道了電動機的總損耗和效率后，就可以確定任意負載下的功率因數和無功功率的變化情況，其關系式為 (325) 其中，為定子電流，為額定線電壓。如果繼續增加負載，由于此導致功率因數又下降。在空載時，定子電流，相角最大，功率因數最低。為了建立磁場，電動機需要從電源吸取很大的無功電流，在正常條件下，勵磁電流是不隨負載變化的，而轉子電流卻隨負載的增減而增減。可以從任意負載率下電動機的總損耗公式中直接推算出效率和負載率的關系式： (324) 負載率對功率因數的影響 功率因數是電動機的另一個性能指標。 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。電動機在額定負載時的總損耗為: （320） 其中： 電動機的固定損耗 額定工況下定子和轉子的銅耗、 額定工況下電動機的可變損耗 空載時定子銅耗 定子銅耗中的可變部分 （321）式中，即為負載率。以及根據上述相應的改變確定電動機的發熱、損耗、有功功率、無功功率、功率因數和轉矩等的情況，以便衡量所采用的改變運行條件的節能措施是否經濟合理、對不同性質的負載的效果及應用范圍。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能措施。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。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。這就是說，電動機輸入功率的絕對值看起來雖然降低了，但是相對損耗卻提高了，使電動機處于一種不經濟的運行狀態，造成了電能損失，這當然是不希望的。當電壓、頻率在額定值時，隨著負載的減小，電動機的輸入功率、電磁轉矩也會隨之降低，而且對于任何類型的負載，電動機都能保持穩定運行。 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。空載時，負載阻力矩幾乎為零，同時，轉子繞組的電流非常小，轉子的轉速接近于同步轉速，此時，調壓控制的約束條件將為轉差率的增加不能使電動機停運。另一方面，外加電壓不能下降太多，因為，電壓的變化將引起最大轉矩的變化，當最大轉矩下降為低于負載額定轉矩時，電動機將停止轉動。此時，電動機的轉速將下降。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。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。當電動機運行時，若負載短時突然增大，隨后又恢復正常，則只要總的制動轉矩不大于最大電磁轉矩，電動機仍能穩定運行，但若大于最大電磁轉矩，則電動機將停轉下來。由轉子電流和定子電壓的關系，可以推得另一關系式如下: （317）上式說明電磁轉矩與定子電壓的平方成正比，電壓的變化將引起電磁轉矩的變化。 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。這樣，異步電動機的定子電流和負載電流的變化，可引起定、轉子銅耗和附加損耗的變化。定、轉子銅耗則隨電流的平方關系而變化。機械功率減去機械損耗和附加損耗，才是真正的輸出功率。%；而在小型異步電動機中，滿載時，可達額定輸出功率的1%～3%。附加損耗一般不易計算，往往根據經驗估算。這部分等效損耗實際上是傳輸給電機轉軸上的機械功率即: (39) 電動機在運行時，會產生軸承以及風阻等摩擦阻轉矩，這也要損耗一部分功率，把這部分功率叫做機械損耗，用表示。由此可以得到三相異步電動機轉子旋轉時的基本方程式為:0圖32 異步電動機矢量圖 (31) 令: (校正系數)則有 (32) (33) 三相異步電動機的功率關系及損耗分析圖33 異步電動機的功率流程圖圖33為異步電動機的功率流程圖。 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。 油田生產中有可能出現各種故障，如油井結蠟、砂卡、扶正器損壞等，因此，在在選配電動機功率時也要增加一些裕量，這進一步加劇了“大馬拉小車”的現象。在選配電動機功率時為了不影響生產，一般按最大扭矩來選配電動機。 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。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。 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。 當出現負扭矩時，減速器主動輪將變為被動輪。Mf0圖21 抽油機負荷曲線 從曲線上可以看出: 抽油機的轉矩是隨著曲柄轉角變化而周期性變化的。這表明，拖動抽油機的電機仍有部分時間工作在負功狀態。但是由于影響抽油機動載荷的因素較多，造成抽油機很難用自身平衡的辦法做到運轉平衡。為了解決這一問題，通常的辦法是給抽油機增加平衡重。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。 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。 抽油桿柱和油柱運動所產生的振動載荷。 抽油機工作時，其驢頭懸點承受的載荷主要有: 抽油桿自重，油管內、柱塞上的油柱重，油管內外油柱對柱塞下端的壓力構成的靜載荷。機械采油可分為有桿泵采油、無桿泵采油和氣舉采油。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。軟件主程序由以下幾個模軟起動，A/D轉換，計算銅耗、鐵耗及其差值，控制子程序，D/A轉換和輸出控制電壓子程序。控制電路的系統構成包括主控CPU，節能裝置電壓、電流的采樣輸入部分，U電壓與1的相位角檢測部分，A/D和D/A轉換部分_，缺相保護部分，鍵盤部分，繼電器輸出部分，看門狗電路和電源部分。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。由于抽油機負載的周期性變化特性，要使抽油機的電動機運行時損耗最小，效率最高，應實時計算電動機的銅損耗和鐵損耗，通過比較調整電動機的輸入電壓，這便是本課題開發研制的新型抽油機用高效晶閘管節能裝置設計的理論依據。但銅損耗隨輸入電壓和負載率的變化而變化。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。交流電動機中，除軸和殼體外，幾乎所有的質量都是鐵和銅，這些銅和鐵在電動機進行電磁能和機械能轉換的運行過程中，也將部分電能轉化成熱能，從而導致了電動機的功率損失。：“銅耗=鐵耗” 在油田的長期工作和實踐中，發現除新油田的開采初期，新井產能較高，抽油機電動機可滿負荷運轉外，絕大部分抽油機電動機均處于輕載狀態，甚而有很大一部分油井在大部分時間里處于空抽狀態，因而電動機功率因數低，效率低，電能的浪費十分嚴重。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。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。在油田實際測試，電能浪費嚴重。由于抽油機負載呈周期性變化，現運行的抽油機驅動電機幾乎全為大馬拉小車，負載率和效率都很低，統計結果表明最高效率不超過30%。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。 4。 ，對不同的電動機可以采用同樣的推理軟件，它可自動跟蹤負載變化，取得較好的節能效果。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。但其主電路比后者要復雜一些。～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%。與同類其他節能裝置相比，具有技術簡單、效率高的特點，且調壓控制器的成本可做得很低，其節能效率還可進一步提高。這樣，加裝了節能控制器的電動機，不僅可以節約有功功率，也可以節約無功功率。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。在固定負載下，定子電壓降低到一定程度后，定子電流不但不會降低，反而會逐步增大，這種情況一般是不允許的。在變頻節能控制中，可以充分利用當今豐富的單片機資源優勢，提高控制器的可靠性，降低開發成本。 節能控制分為調壓節能和變頻節能兩種。轉子繞組，輸入電能。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。從結構上看，雙饋發電機與常見的感應發電機和同步發電機無太大的差別，但它卻有一個引人注目的特點，即對軸上輸入轉速無任何特殊的要求。提出了一種可以隨機采集在自然界廣泛存在的零星風力的裝置，用于石油抽油泵的節能。系統工作可靠，并具有明顯的節能效果，%。和國外抽油機控制系統相比，該系統具有較高的性能價格比和較好的功能擴充性，如在此基礎上進一步開發，可通過電力載波或其它數據傳輸方式實現抽油機遠距離控制。可根據抽油機運行的載荷工況，自動通過D/A轉換器輸出0～10V電壓，實時控制晶閘管的移相觸發相位，控制其輸出電壓，從而調節抽油機電動機的輸出功率，達到節能目的。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。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。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