电动机节能技术的研究毕业论文.docx

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电动机节能技术的研究毕业论文

摘要

根据测量，油田用抽油机大部分时间在空抽、电机均在轻载状态下运行，电机效率和功率因数都比较低，造成大量电能浪费。

为此，依据铜耗等于铁耗时，电动机效率、功率因数最高，最省电原理，设计一种抽油机电机自动控制的节能装置。

采用电动机调压装置，基于模糊控制理论，通过主电路中晶闸管的移相控制调节抽油机电机端电压，进行实时控制。

在满足抽油机正常运转的前提下，使电动机工作在铜耗等于铁耗的状态下，提高抽油机电动机的工作效率和功率因数，达到节能降耗的目的。

该装置在抽油机的整个工作周期中，不改变电动机的转速，不影响抽油机的采油效率;具有软启动、缺相、过载保护等功能。

是油田采油生产中较为理想的电动机控制装置，具有广泛的推广使用价值。

关键词:

抽油机;电动机;节能;单片机;铜耗;铁耗

ABSTRACT

Accordingtostatistics,pompingunitinoilfieldsareworkingatemptysituationwithmotorrunningunderlightload，somakethemotorefficiencyandpowerfactortoolower,causealargeamountofelectricenergywasting.WithFuzzycontroltheoryandadoptingtheworkingvoltageofmotorthelinevoltageofpumpunit’smotorisaregulatedbyrealtimephase–shiftcontrol.Whilemeetingtheusualrunning,theworkingefficiencyandpowerfactorareimproved，soastosavetheelectricenergy.Moreover,thedevicewillnotchangtherotationalspeedofthemotor,duringthewholeworkperiodofpumpingtheoil，anddonotinfluentthepetroleumproductionefficiencyoftheoilpumpingmachine.Thedevicehasthefunctionsofstartingsoftly、lackingphase,overloadprotectionandsoon.Itistheidealdeviceofmotorcontrolingintheoilfield，andhastheextensiveusingvalue.

Keywords:

Oilpumpingrnachine;Motor;Energy-conservatxan;single–chipmicrocomputerCopperLosses;IronLosse

目录

第1章前言1

1.1课题来源1

1.2异步电动机的节能措施1

1.3国内外抽油机电动机节能技术发展综述2

1.4本文所做的主要工作7

1.4.1基本思路：

“铜耗=铁耗”8

1.4.2节能装置结构9

1.4.3控制回路设计9

1.4.4控制系统软件的设计10

第2章抽油机的负载特性11

第3章三相异步电动机运行特性分析13

3.1稳定运行时的三相异步电动机13

3.1.1等效电路及矢量图13

3.1.2三相异步电动机的功率关系及损耗分析15

3.1.3异步电动机的转矩表达式16

3.2运行条件变化对电动机性能的影响18

3.2.1负载变化对损耗、效率、功率因数和转矩的影响19

3.2.2电压变化对电动机性能的形响21

第4章系统硬件设计25

4.1概述25

4.2抽油机节能装置主电路25

4.3功率控制电路27

4.4节能装置控制部分29

4.5采样与检测30

4.5.1电压、电流采样30

4.5.2

与

的相位角检测32

4.6IO接口33

4.7无功功率补偿34

4.8节能装置保护部分35

4.8.1外部线路断相保护36

4.8.2功率控制元件故障保护36

4.8.3电机缺相保护36

4.8.4电机短路和过流保护37

第5章控制系统软件设计38

第6章结论44

致谢45

参考文献46

第1章前言

1.1课题来源

能源是人类文明的基石，人类从远古时代开始就按照自己的要求使用能源，创造出灿烂的文明和文化。

我国能源发展战略的总方针是“坚持开发与节约并重，把节约放在首位”，1998年1月1日《中华人民共和国节约能源法》的颁布和实施标志着我国的节能工作逐步走上了法制化的轨道。

据不完全统计，在实际使用中，约有65%的电动机装置经常在轻载或空载状况下工作，即存在所谓的“大马拉小车”现象。

尤其在我国石油企业中普遍使用的用来驱动有杆采油泵的游梁式抽油机电动机，其所采用的驱动电动机绝大部分为鼠笼式异步电动机，工作时承受周期性变化的负荷，平均负荷率一般为30%以下，有的甚至更低。

负载的变化周期在5^-20秒内不等。

考虑到启动负荷及复杂地质情况等因素的影响，大部分游梁式抽油机选用的驱动电动机的额定功率是工作周期输出功率的2～3倍左右。

以延长油田本部为例:

2005年有游梁式抽油机18000余台，年耗电约3.4亿kWh，具有很大的节能降耗潜力。

类似这种异步电动机负载率低、效率不高、电能浪费的现象在我国工业生产中很普遍，因此，对其进行节能研究是十分必要的。

随着电力电子技术、微电子技术、控制技术以及其他方面诸如电机制造工艺的发展，电动机的节能调速运行控制装置越来越多，呈百花齐放趋势。

目前在用的各种电动机控制装置大部分是通过时序控制来达到节能目的，也有使用变频调速装置的，但变频调速成本太高，维护较为困难，不适应油田实际。

因此研制一种集各种节能控制装置优点，又从根本上解决抽油机电动机节能控制问题的装置是油田电力管理中的一个难点。

1.2异步电动机的节能措施

在电动机应用方面的节能技术，虽然根据电动机的种类、用途或系统等有各种各样的方法，但在作为现代企业动力源所使用的范围内，有下列几个方面:

（1）用高效系列电动机取代一般的高耗能电动机。

但这种电动机造价较高，而且经济效果极大地取决于负载的情况，即对于长期工作于接近额定负载（}o%以上）连续运行的应用场合，其节能效果达到最佳。

（2）采用功率因数控制器（即异步电动机节电器）和制动器。

（3）电动机的调速节能。

1）.高性能交流电动机变频调速器。

采用微机控制的大功率管逆变技术，利用交—直—交方式，用于交流异步电动机的调速，节能效果可高达55%以上。

2）.转子串电阻调速。

（4）对老式高耗能异步电动机进行节能改造。

（5）发展永磁电动机。

（6）合理选择异步电动机。

1）.选用节能型的电动机，如Y型，YX型等。

2）.选择合适的输出功率。

电动机的容量选择一定要使其最低负载率在0.4以上，当电动机的负载率在0.75～1时，其功率因数和效率最高，因而一定要防止“大马拉小车”现象发生，减少无功消耗。

3）.选择合适类型的电动机。

4）.选择合适的配电电压。

（7）加强运行管理。

1）.对于轻载运行的电动机可采取降压运行。

2）.对于大多数存在周期性空载运行（约占全部工作时间的50%--60%）的电动机，安装空载自动断电装置，减少空载损失（空载时无功功率为额定负载时无功功率的60%-70%），提高功率因数。

3）.对于不同容量的电动机，根据损耗种类采用不同的降损措施。

4）.小型鼠笼式异步电动机宜采用直接启动方式。

1.3国内外抽油机电动机节能技术发展综述

在机械采油井中应用最广泛的是游梁式抽油机，具有结构简单，工作可靠，制造容易等优点，但是耗能高，效率低，冲程和冲次调节不方便，所以实际运行中大都处于不平衡状态，上下冲程负荷相差较大.在工程设计中，为了使抽油机顺利启动，按抽油机的最大负荷来选配驱动电动机，并留有一定裕量，而抽油机的平均转矩一般只为最大转矩的三分之一，因而拖动抽油机的电动机的负荷率也大约为30%，从而形成了“大马拉小车”的现象。

近年来，国内各油田陆续采用了各种节能方法，取得了不少成果，其中比较成功的是高转差电动机。

但高转差电动机从节能的角度看是不利的，不仅使转差损耗增大，也使过渡过程损耗增加。

西安石油学院薄保中、米春亭、杨新海、江秀汉等基于以往的研究工作提出了抽油机由异步电动机驱动改为同步电动机驱动的设想，同步电动机选用的是具有自启动能力的稀土永磁同步电动机。

稀土永磁电动机是采用永久磁体代替励磁绕组来激磁的电动机。

其节能原理在于:

同步电动机稳定运行在同步转速，与异步电动机相比没有转差损耗;使用稀土永磁材料激磁，提高了功率因数，定子电流减小，铜损降低，提高了电动机效率。

从现场试验和用户反应来看，稀土永磁同步电动机还存在以下问题:

1、电压过低时启动困难。

2、在电压高于440V时功率因数下降较快，消耗无功功率比异步电动机多。

3、维修困难，不适应油田野外复杂的工况条件。

黑龙江八一农垦大学工程学院研制的单片机控制三相异步电动机节能保护器主要是利用电动机Y/△转换。

三相异步电动机Y/△转换节能器，由于其结构简单、成本低，是一种适合我国国情的电动机节能控制器。

但传统电动机Y/△转换节能器的控制电路采用分立元件或集成电路设计，控制转换电路转换精度不高，转换参数无法修改，这样就造成电动机在Y/△转换点附近发生频繁转换的现象，即临界震荡。

从而使接触器的寿命大为缩短，并且造成电动机功率明显下降。

单片机控制的三相异步电动机Y/△转换节能器可对电动机的Y

△和△

Y转换的临界负载电流值分别进行设定，并可加入一定的回差值，从而解决了接触器频繁转换的问题，同时该节能器还具有△/Y降压启动和电动机的断相、过载等保护功能，对于变载工作的电动机可取得较好的节能效果，并保护电动机的安全。

三相异步电动机的损耗主要由铁损和铜损两部分构成，铁损正比于电动机端电压的平方，电动机Y/△转换节能的实质是降低电动机的端电压。

电机由△接法改为Y接法时，定子电压下降为△接法时的

，同时电动机轴输出功率下降为△接法时的

，铁损也降为△接法时的

，此时如果电动机定子电流减小或增加不多，则电动机处于节能运行状态。

而当定子电流增加到临界负载率对应电流值时，如此时电动机仍为Y接，则电动机非但不节能反而浪费电能，因此此时电动机应转为△接。

电动机定子电流主要是由电动机轴输出功率即电动机负载功率决定的。

对应于这一定子电流的负载率称为临界负载率。

临界负载率和定子电流间的关系为:

（1-1）

式中

一定子线电流

一电机额定电流

一空载励磁电流

一临界负载率

由上式可知，只要测得电动机定子电流就可以算出电动机的临界负载率，从而使电动机自动运行于Y接或△接状态而节约电能。

华中理工大学的史玉升和梁书云提出了一种三相异步电动机的节能与安全监控方法。

利用计算机通过一定的算法控制双向晶闸管的通断比，使电动机输出功率与负载匹配，达到降耗、节能的目的。

由于采用了单片机控制，所以系统具有良好的“柔性“和性能价格比，基于这种技术的节能系统适合于经常工作于空载或轻载的电动机变负载工况下。

基于国内抽油机控制系统的使用现状和实际情况，结合国外抽油机控制系统的发展趋势，清华大学自动化系和中国地质大学工程学院联合设计了以单片机为核心的晶闸管移相触发控制的低成本抽油机控制系统。

该控制系统主要由电量传感器、晶闸管模块、单片机系统、A/D和D/A转换器等组成。

工作原理如下图1-1所示。

在空气开关和晶闸管之间设计三相电的相序和缺相检测电路，检测抽油机驱动电动机供电是否正常。

抽油机驱动电动机启动和工作过程中一旦不正常，立即停止工作，并有数码管和发光二极管显示指示不正常的状态。

通过D/A转换器DAC1210输出0～10V电压控制晶闸管模块的移相触发相位，实现抽油机电动机的软启动、软停机和调整电动机的供电电压，以便调整电动机输出功率，减少电动机的铁损和铜损，从而达到节能降耗的目的。

通过三相电压、电流和有功功率传感器把抽油机电动机的工作参数转换成0～5V的电压信号，经过12位A/D转换器MAX197进行模数转换，进入单片机系统进行数据处理、存储和显示。

根据所检测到的抽油机电动机工作电流和有功功率的变化，实时判断电动机的载荷大小和工况。

当电动机工作电流超过额定电流和最高工作温度超过额定工作温度时停止抽油机工作，从而保护电动机。

当抽油机电动机工作电流小于空载电流，认为抽油机空载，可停止抽油机工作，等待原油聚集。

根据所设定的停机时间，，抽油机停止工作一段时间后，控制系统自动启动抽油机，从而实现抽油机停机节能。

可根据抽油机运行的载荷工况，自动通过D/A转换器输出0～10V电压，实时控制晶闸管的移相触发相位，控制其输出电压，从而调节抽油机电动机的输出功率，达到节能目的。

该抽油机控制系统综合应用了传感器技术、单片机技术和晶闸管技术，实现了抽油机控制的自动化和智能化。

和国外抽油机控制系统相比，该系统具有较高的性能价格比和较好的功能扩充性，如在此基础上进一步开发，可通过电力载波或其它数据传输方式实现抽油机远距离控制。

该控制系统1999年5月在大庆油田采油五厂进行了试验，试验抽油机型号为CYJ-2.5-18HB。

系统工作可靠，并具有明显的节能效果，节能率为9.8%。

上海交通大学信息与控制工程系许善镇教授于1999年12月在上海交通大学学报上发表了一篇题名为《石油抽油泵节能的新构思》的文章。

提出了一种可以随机采集在自然界广泛存在的零星风力的装置，用于石油抽油泵的节能。

装置的核心是双馈发电机。

从结构上看，双馈发电机与常见的感应发电机和同步发电机无太大的差别，但它却有一个引人注目的特点，即对轴上输入转速无任何特殊的要求。

围绕这一特点，不仅可以开发出零星风能的采集利用装置，而且对于其他任何具有明显零显、杂散特性的自然能量（如波浪、潮汐等）的采集也同样适宜。

双馈发电机是随着电力电子技术发展而崛起的一种电机新品种，即是常规电机的一种应用革新。

双馈发电机有两个能量输入通道:

电机的转轴，输入机械能量;转子绕组，输入电能。

两个能量输入通道输入的机械能和电能，经气隙磁场转换叠加，从定子绕组输出电能.如果以具有确定负载的独立系统为例，在恒频率、电压控制支持下，当转轴输入的机械功率小于（或大于）负载功率时，系统将自动从电网、经变频器和转子绕组吸入（或回馈）电功率给予补足（或扣除）.这一特征说明双馈发电机在正常运行时，对轴上输入转速无特殊要求.因此，以它为核心，可构成“随机能量捕捉器”，在杂散自然能量的采集利用方面发挥影响。

节能控制分为调压节能和变频节能两种。

在调压节能控制中，不是根据功率因数的变化来控制电动机的定子电压，而是由定子电流的大小及电流的变化率的变化趋势来控制定子电压，这样可以使控制回路的接线方式非常简单。

在变频节能控制中，可以充分利用当今丰富的单片机资源优势，提高控制器的可靠性，降低开发成本。

众所周知，在轻负载下，适当降低电动机定子电压，定子电流将随之减少，且电动机的输出功率仍可保持不变。

在固定负载下，定子电压降低到一定程度后，定子电流不但不会降低，反而会逐步增大，这种情况一般是不允许的。

因此，随电动机定子电压的变化，逐步跟踪其定子电流的变化轨迹，定子电流由缓慢降低到突然增大一瞬间所对应定子电压就是要寻找的最佳电压值。

实验表明，在接近满载的情况下，电动机的定子电压仍可适当降低。

节能控制器的根本目的在于:

在保证负载需求的情况下，尽可能地降低系统输入功率。

这样，加装了节能控制器的电动机，不仅可以节约有功功率，也可以节约无功功率。

实验结果表明，在一般负载下，应用调压节能控制器，可节电5%～10%，在空载运行方式下，可节约有功功率70%左右。

与同类其他节能装置相比，具有技术简单、效率高的特点，且调压控制器的成本可做得很低，其节能效率还可进一步提高。

电动机调压节能控制器由如图1-2所示的几个主要部分组成，其中推理主要由软件完成，这样可以最大限度地减少控制器的硬件成本。

在调压节能控制器中主要采用两种控制方式，即PWM方式与通断方式，两者在不同的负载下各有特点，对惯性较大的负载，采用通断控制方式可在保持输出波形不失真的同时，模拟自然风运行，节电约60%。

调频节电控制器的触发电路与调压节能控制器的控制电路基本一样，（如图1-3所示）。

但其主电路比后者要复杂一些。

在控制方式上，以保持电动机气隙磁通恒定为目标，即在正常调节过程中，始终保持u/f基本不变，在调频的同时自动调节电动机定子电压。

在电动机低速运行时，它采用PWM控制策略，应用推理可以用最简洁的方式处理定子电压补偿问题。

综合节能控制器的设计、开发过程，并与传统的节能控制方法相比较，不难发现模糊节能控制器具有以下显著特点:

1.节能控制器的第一个显著特点是它的简洁性，它甚至可以不考虑电动机的详尽运行过程，基于几条简单的实验曲线即可开始模糊节能控制器的设计过程。

2.节能控制器具有较强的鲁棒性，对不同的电动机可以采用同样的推理软件，它可自动跟踪负载变化，取得较好的节能效果。

3.节能控制器的调节规律内涵丰富，包容面大而广，具有较强的自适应能力。

4。

节能控制器的输入变量可多可少。

在电动机节能控制器设计过程中，虽然选择了较少的控制变量，但取得了较好的控制效果，同时也节约了用于测量的传感器。

5.节能控制器的硬件结构比较简单，主要推理工作及PWM生成策略均由软件实现。

6.节能控制器在控制过程中极易处理电动机在低速运转时的电压补偿问题。