【正文】 量輸入通道:電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，輸入機(jī)械能量。轉(zhuǎn)子繞組，輸入電能。兩個(gè)能量輸入通道輸入的機(jī)械能和電能，經(jīng)氣隙磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換疊加，在恒頻率、電壓控制支持下，當(dāng)轉(zhuǎn)軸輸入的機(jī)械功率小于(或大于)負(fù)載功率時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)從電網(wǎng)、經(jīng)變頻器和轉(zhuǎn)子繞組吸入(或回饋)電功率給予補(bǔ)足(或扣除).這一特征說明雙饋發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，以它為核心，可構(gòu)成“隨機(jī)能量捕捉器”，在雜散自然能量的采集利用方面發(fā)揮影響。 節(jié)能控制分為調(diào)壓節(jié)能和變頻節(jié)能兩種。在調(diào)壓節(jié)能控制中，不是根據(jù)功率因數(shù)的變化來控制電動(dòng)機(jī)的定子電壓，而是由定子電流的大小及電流的變化率的變化趨勢(shì)來控制定子電壓，這樣可以使控制回路的接線方式非常簡單。在變頻節(jié)能控制中，可以充分利用當(dāng)今豐富的單片機(jī)資源優(yōu)勢(shì)，提高控制器的可靠性，降低開發(fā)成本。眾所周知，在輕負(fù)載下，適當(dāng)降低電動(dòng)機(jī)定子電壓，定子電流將隨之減少，且電動(dòng)機(jī)的輸出功率仍可保持不變。在固定負(fù)載下，定子電壓降低到一定程度后，定子電流不但不會(huì)降低，反而會(huì)逐步增大，這種情況一般是不允許的。因此，隨電動(dòng)機(jī)定子電壓的變化，逐步跟蹤其定子電流的變化軌跡，定子電流由緩慢降低到突然增大一瞬間所對(duì)應(yīng)定子電壓就是要尋找的最佳電壓值。實(shí)驗(yàn)表明，在接近滿載的情況下，電動(dòng)機(jī)的定子電壓仍可適當(dāng)降低。節(jié)能控制器的根本目的在于:在保證負(fù)載需求的情況下，盡可能地降低系統(tǒng)輸入功率。這樣，加裝了節(jié)能控制器的電動(dòng)機(jī)，不僅可以節(jié)約有功功率，也可以節(jié)約無功功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一般負(fù)載下，應(yīng)用調(diào)壓節(jié)能控制器，可節(jié)電5%～10%，在空載運(yùn)行方式下，可節(jié)約有功功率70%左右。與同類其他節(jié)能裝置相比，具有技術(shù)簡單、效率高的特點(diǎn)，且調(diào)壓控制器的成本可做得很低，其節(jié)能效率還可進(jìn)一步提高。電動(dòng)機(jī)調(diào)壓節(jié)能控制器由如圖12所示的幾個(gè)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?！?80V電壓過零檢測(cè)單片機(jī)信號(hào)控制光電隔離波形整形基極驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)調(diào)壓主電路緩沖電路保護(hù)電路電流檢測(cè)波形整形A/D轉(zhuǎn)換微分推理圖12 調(diào)壓節(jié)能控制器原理框圖 在調(diào)壓節(jié)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(fù)載下各有特點(diǎn)，對(duì)慣性較大的負(fù)載，采用通斷控制方式可在保持輸出波形不失真的同時(shí)，模擬自然風(fēng)運(yùn)行，節(jié)電約60%。調(diào)頻節(jié)電控制器的觸發(fā)電路與調(diào)壓節(jié)能控制器的控制電路基本一樣，(如圖13所示)。但其主電路比后者要復(fù)雜一些。在控制方式上，以保持電動(dòng)機(jī)氣隙磁通恒定為目標(biāo)，即在正常調(diào)節(jié)過程中，始終保持u/f基本不變，在調(diào)頻的同時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子電壓。在電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，它采用PWM控制策略，應(yīng)用推理可以用最簡潔的方式處理定子電壓補(bǔ)償問題。 綜合節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)、開發(fā)過程，并與傳統(tǒng)的節(jié)能控制方法相比較，不難發(fā)現(xiàn)模糊節(jié)能控制器具有以下顯著特點(diǎn): ，它甚至可以不考慮電動(dòng)機(jī)的詳盡運(yùn)行過程，基于幾條簡單的實(shí)驗(yàn)曲線即可開始模糊節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)過程。 ，對(duì)不同的電動(dòng)機(jī)可以采用同樣的推理軟件，它可自動(dòng)跟蹤負(fù)載變化，取得較好的節(jié)能效果。 ，包容面大而廣，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力。 4。節(jié)能控制器的輸入變量可多可少。在電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器設(shè)計(jì)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(shí)也節(jié)約了用于測(cè)量的傳感器。 ，主要推理工作及PWM生成策略均由軟件實(shí)現(xiàn)。負(fù)載系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)電路波形整形A/D轉(zhuǎn)換微分推理單片機(jī)信號(hào)控制光電隔離波形整形基極驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)調(diào)壓主電路緩沖電路電流檢測(cè)圖13 PWM控制器原理框圖保護(hù)整流濾波～380V 本文所做的主要工作 抽油機(jī)是我國石油行業(yè)的傳統(tǒng)設(shè)備，也是采油過程中的主要耗電設(shè)備，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國各油田現(xiàn)正在服役的抽油機(jī)共有十四萬多臺(tái)，其用電量約占油田總用電量的80%左右。由于抽油機(jī)負(fù)載呈周期性變化，現(xiàn)運(yùn)行的抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)幾乎全為大馬拉小車，負(fù)載率和效率都很低，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明最高效率不超過30%。由于交流電機(jī)為感性負(fù)載，配置大，負(fù)荷小，負(fù)載滯后角較大，造成其功率因數(shù)十分低。在油田實(shí)際測(cè)試，，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。因而開展抽油機(jī)的節(jié)能研究，提高其效率和功率因數(shù)、對(duì)提高石油產(chǎn)量、降低石油開采成本，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。綜觀國內(nèi)現(xiàn)用的抽油機(jī)電驅(qū)動(dòng)裝置，可將其分為三種:一是直接起動(dòng)、運(yùn)行時(shí)帶過載和缺相保護(hù)，這種方法可防止在缺相和過載時(shí)燒壞電機(jī)，但沒有軟啟動(dòng)功能，電機(jī)的起動(dòng)電流大，運(yùn)行時(shí)加到電機(jī)上的電壓為固定值，功率因數(shù)仍得不到提高。二是應(yīng)用變頻調(diào)速裝置，該方案隨負(fù)載大小的不同，通過變頻而調(diào)節(jié)抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，具有較好的節(jié)能效果，但由于變頻器成本高，維護(hù)工作量大，且調(diào)速影響采油效率等因素而沒有得到廣泛的應(yīng)用。三是啟動(dòng)時(shí)具有軟啟動(dòng)、運(yùn)行時(shí)帶過載、缺相等保護(hù)功能，且能按負(fù)載大小調(diào)壓，雖可實(shí)現(xiàn)一定的節(jié)能效果，但并未關(guān)心是否能保證電機(jī)的損耗最小。這三種方案的性能價(jià)格比和節(jié)能效果都不是最理想的。：“銅耗=鐵耗” 在油田的長期工作和實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)除新油田的開采初期，新井產(chǎn)能較高，抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)可滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)外，絕大部分抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)均處于輕載狀態(tài)，甚而有很大一部分油井在大部分時(shí)間里處于空抽狀態(tài)，因而電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)低，效率低，電能的浪費(fèi)十分嚴(yán)重。 因此，在各油田進(jìn)行了廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)抽油機(jī)負(fù)載的特點(diǎn)和三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理，吸收國外先進(jìn)技術(shù)，研制了一種新型抽油機(jī)電機(jī)高效節(jié)能控制裝置，與以往的調(diào)壓與軟啟動(dòng)抽油機(jī)控制裝置相比，吸收了前述三種方案的優(yōu)點(diǎn)，按抽油機(jī)負(fù)載的周期性變化，通過單片機(jī)應(yīng)用C語言編程計(jì)算電機(jī)的銅損耗和鐵損耗，根據(jù)電機(jī)在銅損耗等于鐵損耗時(shí)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(diào)節(jié)加到抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子側(cè)的輸入電壓，保證運(yùn)行中電機(jī)的銅損耗與鐵損耗相等，降低抽油機(jī)的總損耗，提高其工作效率和功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。交流電動(dòng)機(jī)中，除軸和殼體外，幾乎所有的質(zhì)量都是鐵和銅，這些銅和鐵在電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電磁能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換的運(yùn)行過程中，也將部分電能轉(zhuǎn)化成熱能，從而導(dǎo)致了電動(dòng)機(jī)的功率損失。通常把由鐵介質(zhì)發(fā)熱導(dǎo)致的功率損耗稱為‘鐵損耗’，銅介質(zhì)導(dǎo)致的損耗稱為‘銅損耗’，圖14給出了電動(dòng)機(jī)銅損耗、鐵損耗同輸入電壓及負(fù)載率變化的特性曲線。PU0123UP1234ab圖14 電動(dòng)機(jī)銅損耗、鐵損耗同輸入電壓及負(fù)載率變化的機(jī)械特性曲線 (a)電動(dòng)機(jī)銅鐵損耗和總的損耗P輸入電壓U變化關(guān)系 (b)銅損耗和鐵損耗P負(fù)載率的不同與輸入電壓U變化曲線1電機(jī)總的功率損耗2鐵損耗3銅損1負(fù)載率90%的銅損耗曲線 2負(fù)載率70%的銅損耗曲線3負(fù)載率50%的銅損耗曲線4鐵損耗由圖14 (a)電動(dòng)機(jī)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(dāng)銅損耗和鐵損耗相等時(shí)，電動(dòng)機(jī)的總損耗最小。又由圖14 (b)電動(dòng)機(jī)的銅損耗和鐵損耗與輸入電壓的變化曲線可知:電動(dòng)機(jī)的鐵損耗不隨負(fù)載率變化而變化。但銅損耗隨輸入電壓和負(fù)載率的變化而變化。在輸入電壓不變時(shí)若負(fù)載變化，‘銅損耗=鐵損耗’的平衡就會(huì)被破壞。由于抽油機(jī)負(fù)載的周期性變化特性，要使抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)損耗最小，效率最高，應(yīng)實(shí)時(shí)計(jì)算電動(dòng)機(jī)的銅損耗和鐵損耗，通過比較調(diào)整電動(dòng)機(jī)的輸入電壓，這便是本課題開發(fā)研制的新型抽油機(jī)用高效晶閘管節(jié)能裝置設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。 節(jié)能裝置結(jié)構(gòu) 抽油機(jī)節(jié)能裝置的按功能可以劃分為六個(gè)部分:第一部分為功率控制電路部分。第二部分為節(jié)能裝置控制部分。第三部分為U與I的相位檢測(cè)部分。第四部分為IO接口裝置通訊部分。第五部分為節(jié)能裝置內(nèi)部故障保護(hù)部分。第六部分為電動(dòng)機(jī)缺相保護(hù)部分。 控制電路是整個(gè)抽油機(jī)用高效晶閘管節(jié)能裝置的核心，所有信號(hào)的輸入、輸出、檢測(cè)、計(jì)算、推理和控制都要經(jīng)過控制電路得以實(shí)現(xiàn)和完成?？刂齐娐返南到y(tǒng)構(gòu)成包括主控CPU，節(jié)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(cè)部分，A/D和D/A轉(zhuǎn)換部分_，缺相保護(hù)部分，鍵盤部分，繼電器輸出部分，看門狗電路和電源部分?？刂葡到y(tǒng)軟件以控制理論為基礎(chǔ)，采用C51語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，選用Keil uVision2為開發(fā)環(huán)境塊構(gòu)成:初始化參數(shù)采用模塊化編程，設(shè)計(jì)軟件整體流程。軟件主程序由以下幾個(gè)模軟起動(dòng)，A/D轉(zhuǎn)換，計(jì)算銅耗、鐵耗及其差值，控制子程序，D/A轉(zhuǎn)換和輸出控制電壓子程序。第2章 抽油機(jī)的負(fù)載特性 油田在開采初期，地層能量較高，有部分油井可以自噴。隨著開采時(shí)間的延長，油層自然能量逐漸衰竭，必須采用機(jī)械采油方式。機(jī)械采油就是在地面通過機(jī)械設(shè)備把原油從油井中采出地面。機(jī)械采油可分為有桿泵采油、無桿泵采油和氣舉采油。而使用最為廣泛的就是游梁式抽油機(jī)，其原理是通過抽油機(jī)、抽油桿帶動(dòng)抽油泵作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將原油從數(shù)百至數(shù)千米的地下抽汲到地面上來。 抽油機(jī)工作時(shí)，其驢頭懸點(diǎn)承受的載荷主要有: 抽油桿自重，油管內(nèi)、柱塞上的油柱重，油管內(nèi)外油柱對(duì)柱塞下端的壓力構(gòu)成的靜載荷。 抽油桿柱和油柱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性載荷。 抽油桿柱和油柱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)載荷。 柱塞和泵筒間、抽油桿及其接箍和油管間的半干摩擦力，抽油桿和油柱間、油柱和油管間以及油柱通過抽油泵游動(dòng)閥的液體摩擦力。 其中，慣性載荷、振動(dòng)載荷、摩擦力和原油的物性(如粘度)、抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性 (沖程和沖次)、油井井身結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，是一個(gè)變量，一般稱動(dòng)載荷。 抽油機(jī)在上沖程時(shí)，驢頭懸點(diǎn)需提起抽油桿柱和油柱，電動(dòng)機(jī)對(duì)外作正功。下沖程時(shí)，抽油桿依靠自重就可下行，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，因此，電動(dòng)機(jī)在上、下沖程的載荷是很不均勻的。而懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的加速度和速度的變化又加劇了這種不均勻性，載荷的不均勻性嚴(yán)重地影響了四連桿機(jī)構(gòu)、減速箱和電動(dòng)機(jī)的壽命，也惡化了抽油桿的工作條件。為了解決這一問題，通常的辦法是給抽油機(jī)增加平衡重。如在抽油機(jī)的曲柄、游梁后端或同時(shí)在曲柄和游后端增加平衡塊，以其達(dá)到抽油機(jī)一抽油泵裝置的平衡運(yùn)轉(zhuǎn)。但是由于影響抽油機(jī)動(dòng)載荷的因素較多，造成抽油機(jī)很難用自身平衡的辦法做到運(yùn)轉(zhuǎn)平衡。在油田現(xiàn)場(chǎng)，用電流法診斷抽油機(jī)是否平衡時(shí)，一般地認(rèn)為當(dāng)平衡率≥，即認(rèn)為抽油機(jī)達(dá)到了平衡。這表明，拖動(dòng)抽油機(jī)的電機(jī)仍有部分時(shí)間工作在負(fù)功狀態(tài)。圖21是抽油機(jī)減速器凈扭矩曲線，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線。Mf0圖21 抽油機(jī)負(fù)荷曲線 從曲線上可以看出: 抽油機(jī)的轉(zhuǎn)矩是隨著曲柄轉(zhuǎn)角變化而周期性變化的。抽油機(jī)的工作頻率一般為6～12次/分，即工作周期為5～10秒。 當(dāng)出現(xiàn)負(fù)扭矩時(shí)，減速器主動(dòng)輪將變?yōu)楸粍?dòng)輪。如負(fù)扭矩較大，將發(fā)生從動(dòng)輪沖擊主動(dòng)輪，影響減速器齒輪的壽命。 抽油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，抽油桿一般處于最低位置，所需啟動(dòng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩相對(duì)較小。抽油機(jī)啟動(dòng)后，抽油桿開始上升，很快()就碰到了第一個(gè)最大阻力轉(zhuǎn)矩。因此，它一方面要求電動(dòng)機(jī)具有較大的靜啟轉(zhuǎn)矩，克服靜磨擦力。另一方面，要求電機(jī)具有較大的平均啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以便使電機(jī)在第一個(gè)最大阻力轉(zhuǎn)矩到來之前，超過電機(jī)臨界(最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速)，使電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。 抽油機(jī)的負(fù)載特點(diǎn)決定了三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)不可避免地會(huì)出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。 抽油機(jī)帶載啟動(dòng)，慣性矩較大。在選配電動(dòng)機(jī)功率時(shí)為了不影響生產(chǎn)，一般按最大扭矩來選配電動(dòng)機(jī)。抽油機(jī)啟動(dòng)后，正常工作時(shí)的平均轉(zhuǎn)矩與最大扭矩相比要低1/3,所以電動(dòng)機(jī)輸入功率僅為額定功率的1/3，不可避免出現(xiàn)“大馬拉小車”的局面。 油田生產(chǎn)中有可能出現(xiàn)各種故障，如油井結(jié)蠟、砂卡、扶正器損壞等，因此，在在選配電動(dòng)機(jī)功率時(shí)也要增加一些裕量，這進(jìn)一步加劇了“大馬拉小車”的現(xiàn)象。 根據(jù)油田生產(chǎn)測(cè)試，抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的平均負(fù)荷率一般在20%左右，少數(shù)負(fù)荷率高的也僅為30%，電動(dòng)機(jī)的長期低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，造成了效率低，功率因數(shù)低，能耗高的狀況。 抽油機(jī)負(fù)荷的周期性變化，反應(yīng)在電動(dòng)機(jī)上主要是電流功率因數(shù)的變化，因此上可以將電流或功率因數(shù)作為依據(jù)來對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制。第3章 三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性分析 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的三相異步電動(dòng)機(jī)三相異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的單相等效電路如圖31所示:圖31 異步電動(dòng)機(jī)等效電路圖圖中: 、為定子繞組電阻、漏抗和電流、為轉(zhuǎn)子繞組電阻、漏抗和電流、為勵(lì)磁電阻、電抗和勵(lì)磁電流為附加電阻其矢量圖如圖32所示。由此可以得到三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的基本方程式為:0圖32 異步電動(dòng)機(jī)矢量圖 (31) 令: (校正系數(shù))則有 (32) (33) 三相異步電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系及損耗分析圖33 異步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖圖33為異步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖。其中 為從電源輸入的有功功率 （34） 為定子銅耗 ( 35 ) 正常運(yùn)行情況下的三相異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)于鐵損耗很小，可以忽略不計(jì)，因此，電動(dòng)機(jī)的鐵損耗等于定子鐵損耗 ( 36) 從圖31等效電路中可以看出，通過空氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子方面的電磁功率PM等于轉(zhuǎn)子回路全部電阻上的損耗，即: ( 37