電動機節能技術的研究-畢業論文-閱讀頁

　　

【正文】 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。降低的程度，隨電動機性能的不同而不同。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。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。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。（3）電壓變化對功率因數的影響由于電壓降低總是使勵磁電流減小，轉子電流增大，盡管定子電流可能增大或者減小，但定子電流與電源電壓之間的相角總是減小的，因此，功率因數將隨電壓的增大而減小，隨電壓的減小而增大。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。～380VK節能裝置抽油機M～圖41 抽油機系統構成 抽油機節能裝置主電路抽油機節能裝置的主電路系統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。第三部分為節能裝置監測反饋部分。第五部分為節能裝置內部故障保護部分。～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。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。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。5）當門極未加觸發電壓時，晶閘管具有正向阻斷能力，這是一般二極管所不具備的。常用的晶閘管交流調壓控制方法有兩種：。這里晶閘管起到一個通斷頻率可調的快速開關的作用。b：相位控制。在交流調壓器中，相位控制應用較多，下面主要分析相位控制的交流調壓電路，先闡述作為基礎的單向交流調壓電路。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 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。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。三相交流調壓電路是三相對稱電路，所以任一時刻需要位于不同相中兩個晶閘管同時導通，工作時電路中一相電流必須和另一相構成回路。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。圖44 控制裝置控制電路的系統構成框圖輸入電壓電流采樣A/D轉換A/D轉換主控CPU電壓與電流的相位差對應的角度檢測缺相保護部分監控部分繼電器輸出控制交流接觸器AC380VM～ 抽油機節能裝置主電路中的電壓和電流經電壓互感器和電流互感器進入電壓、電流采樣輸入部分進行采樣，采樣后的信號進入A/D轉換器，形成數字量，進入單片機進行處理。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。單片機計算的銅耗、鐵耗以及它們的差值經模糊控制器的模糊判決后，形成控制信號的精確量，然后通過D/A轉換變成模擬電壓信號，進入KC6SM2型晶閘管觸發控制板，控制晶閘管的導通角，改變加在電動機定子電壓的有效值。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。因此選用P87LPC762為主控CPU。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。將高電壓、大電流電流變換為安全的測量用電壓、電流信號，輸入測量、保護電路。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。VD2VD5VD1VD6RP1VS1U1U2UP12VD4VD7VD3VD8RP2VS2I1I2IP12圖48 電壓、電流的采樣電路圖如圖48所示為電壓、電流的采樣電路圖，上圖為電壓采樣圖，下圖為電流采樣圖。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。P12在這里作為單片機的輸出端口，控制著晶體管和的通斷。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。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。 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。 從電壓互感器引出的交流12V電壓加在U3, U4兩端，為限流電阻，為濾波電容， V穩壓管和的雙向穩壓后，輸入到雙比較器LM393的同相端，而LM393的反相端接地，成為過零比較器。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。二極管和構成與門，兩路方波信號作為這個與門的兩路輸入，與門的輸出信號為這兩路方波信號“相與”的結果，為一矩形波。該正脈沖所反映的正是電壓信號和電流信號的相位差。當GATE=“1”和TR=“1”時，計數器啟動受外部中斷信號INT1的控制，此時，只要INT1為高電平，計數器就開始計數，當INT1為低電平時停止計數，利用這一特性就能夠測量這個正脈沖的寬度，即電壓和電流的相位角。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。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。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。抽油機作為三相異步電動機的負載，在多數情況下經常處于輕載運行，功率因數不高，而且負載率愈低，功率因數愈低，浪費電能更加顯著。 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。如圖411所示，異步電動機的有功功率為，無功功率為，有功電流為，功率因數為。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 )。 節能裝置保護部分 外部線路斷相保護 三相電源C、B、A經接觸器KM2后輸入到交流調壓環節，圖42中KM1和KM2均為交流接觸器。SB1和SB2分別為手動啟動按鈕和人工停止按鈕。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。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。三相交流電通過節能裝置控制電機正常運行時，KM3的觸點處于斷開狀態，此時，固態繼電器SSR的觸點也斷開，電動機處于節能運行狀態。 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。三相電流分別從三個電流互感器的6個端口，、和、引入，經過缺相保護部分進行檢測。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。由于電容值很小，所以迅速放電，使單片機的P10口檢測到低電平，這時單片機就可以判斷為出現了缺相的現象，于是使D/A轉換器輸出的控制電壓變為零，使電動機停轉，保護了電動機。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。 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。 5).實現軟件的抗干擾措施。 模塊化編程是一種軟件設計方法，各模塊程序分別編寫、編譯和調試，最后模塊一起連接。當知道模塊的輸入和輸出時，可以直接測試小模塊。3).模塊化編程使得要解決的問題與特定模塊分離，很容易找到錯誤的模塊，大大簡化了調試。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。自檢方法:先后向整個數據區分別送入0XOOH和OXFFH，再先后讀出比較，若不一樣，說明出錯。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。 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。 初始化參數子程序流程圖如圖59所示。又由于起動轉矩大(為其額定轉矩的2倍)，會對負載產生沖擊，增加傳動部件的摩擦和額外維護，致使電動機發熱快，因此，在程序中設置軟起動子程序對電動機進行降壓起動是很有必要的。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。斜坡電壓起動控制模式是指在起動過程中，通過控制晶閘管導通角，使電動機端電壓從初始電壓(由用戶設置)開始平滑按斜坡函數關系上升，然后，待電流穩定后，再上升至電源電壓，這樣，電動機的起動轉矩大，起動時間短，起動電流小，該子程序的流程圖如圖54所示。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。延長電動機壽命，而且獨特巧妙的軟硬件設計，可時刻保證抽油機拖動電動機運行在銅損耗等于鐵損耗的最低損耗狀態，明顯降低了抽油機驅動電動機的工作電壓和電流、使抽油機工作效率及功率因數提高、具有顯著的節能效果，在抽油機的整個工作周期中不改變交流電動機的轉速，不影響抽油機的生產效率，且該新型抽油機節能控制裝置具有缺相、過載等保護功能，可有效、及時的防止電動機在缺相、過載時損壞。 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。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。從選題、設計到論文的完成，都凝聚著導師的心血和汗水。本課題能得以順利完成，也與導師的悉心指導是分不開的。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。電動機D–Y技術在抽油機上的應用[J].電工技術雜志，2000,3[11] MicroProcessorbased AdaPtive Power Factor Correcter for Nonliner Loads[J].IEE