【正文】 量輸入通道:電機的轉(zhuǎn)軸，輸入機械能量。轉(zhuǎn)子繞組，輸入電能。兩個能量輸入通道輸入的機械能和電能，經(jīng)氣隙磁場轉(zhuǎn)換疊加，在恒頻率、電壓控制支持下，當(dāng)轉(zhuǎn)軸輸入的機械功率小于(或大于)負載功率時，系統(tǒng)將自動從電網(wǎng)、經(jīng)變頻器和轉(zhuǎn)子繞組吸入(或回饋)電功率給予補足(或扣除).這一特征說明雙饋發(fā)電機在正常運行時，以它為核心，可構(gòu)成“隨機能量捕捉器”，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)的變化來控制電動機的定子電壓，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)今豐富的單片機資源優(yōu)勢，提高控制器的可靠性，降低開發(fā)成本。眾所周知，在輕負載下，適當(dāng)降低電動機定子電壓，定子電流將隨之減少，且電動機的輸出功率仍可保持不變。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。因此，隨電動機定子電壓的變化，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應(yīng)定子電壓就是要尋找的最佳電壓值。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(dāng)降低。節(jié)能控制器的根本目的在于:在保證負載需求的情況下，盡可能地降低系統(tǒng)輸入功率。這樣，加裝了節(jié)能控制器的電動機，不僅可以節(jié)約有功功率，也可以節(jié)約無功功率。實驗結(jié)果表明，在一般負載下，應(yīng)用調(diào)壓節(jié)能控制器，可節(jié)電5%～10%，在空載運行方式下，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，且調(diào)壓控制器的成本可做得很低，其節(jié)能效率還可進一步提高。電動機調(diào)壓節(jié)能控制器由如圖12所示的幾個主要部分組成，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電壓過零檢測單片機信號控制光電隔離波形整形基極驅(qū)動電動機負載系統(tǒng)電動機調(diào)壓主電路緩沖電路保護電路電流檢測波形整形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(fēng)運行，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，以保持電動機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)頻的同時自動調(diào)節(jié)電動機定子電壓。在電動機低速運行時，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償問題。 綜合節(jié)能控制器的設(shè)計、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: ，它甚至可以不考慮電動機的詳盡運行過程，基于幾條簡單的實驗曲線即可開始模糊節(jié)能控制器的設(shè)計過程。 ，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(jié)能效果。 ，包容面大而廣，具有較強的自適應(yīng)能力。 4。節(jié)能控制器的輸入變量可多可少。在電動機節(jié)能控制器設(shè)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(jié)約了用于測量的傳感器。 ，主要推理工作及PWM生成策略均由軟件實現(xiàn)。負載系統(tǒng)電動機保護電路波形整形A/D轉(zhuǎn)換微分推理單片機信號控制光電隔離波形整形基極驅(qū)動電動機調(diào)壓主電路緩沖電路電流檢測圖13 PWM控制器原理框圖保護整流濾波～380V 本文所做的主要工作 抽油機是我國石油行業(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，我國各油田現(xiàn)正在服役的抽油機共有十四萬多臺，其用電量約占油田總用電量的80%左右。由于抽油機負載呈周期性變化，現(xiàn)運行的抽油機驅(qū)動電機幾乎全為大馬拉小車，負載率和效率都很低，統(tǒng)計結(jié)果表明最高效率不超過30%。由于交流電機為感性負載，配置大，負荷小，負載滯后角較大，造成其功率因數(shù)十分低。在油田實際測試，，電能浪費嚴重。因而開展抽油機的節(jié)能研究，提高其效率和功率因數(shù)、對提高石油產(chǎn)量、降低石油開采成本，具有十分重要的現(xiàn)實意義。綜觀國內(nèi)現(xiàn)用的抽油機電驅(qū)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(shù)仍得不到提高。二是應(yīng)用變頻調(diào)速裝置，該方案隨負載大小的不同，通過變頻而調(diào)節(jié)抽油機驅(qū)動電機的轉(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(diào)壓，雖可實現(xiàn)一定的節(jié)能效果，但并未關(guān)心是否能保證電機的損耗最小。這三種方案的性能價格比和節(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，抽油機電動機可滿負荷運轉(zhuǎn)外，絕大部分抽油機電動機均處于輕載狀態(tài)，甚而有很大一部分油井在大部分時間里處于空抽狀態(tài)，因而電動機功率因數(shù)低，效率低，電能的浪費十分嚴重。 因此，在各油田進行了廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)抽油機負載的特點和三相異步電動機的工作原理，吸收國外先進技術(shù)，研制了一種新型抽油機電機高效節(jié)能控制裝置，與以往的調(diào)壓與軟啟動抽油機控制裝置相比，吸收了前述三種方案的優(yōu)點，按抽油機負載的周期性變化，通過單片機應(yīng)用C語言編程計算電機的銅損耗和鐵損耗，根據(jù)電機在銅損耗等于鐵損耗時總損耗最小的原理、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)加到抽油機驅(qū)動電機定子側(cè)的輸入電壓，保證運行中電機的銅損耗與鐵損耗相等，降低抽油機的總損耗，提高其工作效率和功率因數(shù)，達到節(jié)能降耗的目的。交流電動機中，除軸和殼體外，幾乎所有的質(zhì)量都是鐵和銅，這些銅和鐵在電動機進行電磁能和機械能轉(zhuǎn)換的運行過程中，也將部分電能轉(zhuǎn)化成熱能，從而導(dǎo)致了電動機的功率損失。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給出了電動機銅損耗、鐵損耗同輸入電壓及負載率變化的特性曲線。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(guān)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(dāng)銅損耗和鐵損耗相等時，電動機的總損耗最小。又由圖14 (b)電動機的銅損耗和鐵損耗與輸入電壓的變化曲線可知:電動機的鐵損耗不隨負載率變化而變化。但銅損耗隨輸入電壓和負載率的變化而變化。在輸入電壓不變時若負載變化，‘銅損耗=鐵損耗’的平衡就會被破壞。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(yīng)實時計算電動機的銅損耗和鐵損耗，通過比較調(diào)整電動機的輸入電壓，這便是本課題開發(fā)研制的新型抽油機用高效晶閘管節(jié)能裝置設(shè)計的理論依據(jù)。 節(jié)能裝置結(jié)構(gòu) 抽油機節(jié)能裝置的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)部故障保護部分。第六部分為電動機缺相保護部分。 控制電路是整個抽油機用高效晶閘管節(jié)能裝置的核心，所有信號的輸入、輸出、檢測、計算、推理和控制都要經(jīng)過控制電路得以實現(xiàn)和完成。控制電路的系統(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的相位角檢測部分，A/D和D/A轉(zhuǎn)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?？刂葡到y(tǒng)軟件以控制理論為基礎(chǔ)，采用C51語言進行程序設(shè)計，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)計軟件整體流程。軟件主程序由以下幾個模軟起動，A/D轉(zhuǎn)換，計算銅耗、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 抽油機的負載特性 油田在開采初期，地層能量較高，有部分油井可以自噴。隨著開采時間的延長，油層自然能量逐漸衰竭，必須采用機械采油方式。機械采油就是在地面通過機械設(shè)備把原油從油井中采出地面。機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，其原理是通過抽油機、抽油桿帶動抽油泵作上下往復(fù)運動，將原油從數(shù)百至數(shù)千米的地下抽汲到地面上來。 抽油機工作時，其驢頭懸點承受的載荷主要有: 抽油桿自重，油管內(nèi)、柱塞上的油柱重，油管內(nèi)外油柱對柱塞下端的壓力構(gòu)成的靜載荷。 抽油桿柱和油柱運動所產(chǎn)生的慣性載荷。 抽油桿柱和油柱運動所產(chǎn)生的振動載荷。 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閥的液體摩擦力。 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(jié)構(gòu)密切相關(guān)，是一個變量，一般稱動載荷。 抽油機在上沖程時，驢頭懸點需提起抽油桿柱和油柱，電動機對外作正功。下沖程時，抽油桿依靠自重就可下行，電動機處于發(fā)電運行狀態(tài)，因此，電動機在上、下沖程的載荷是很不均勻的。而懸點運動的加速度和速度的變化又加劇了這種不均勻性，載荷的不均勻性嚴重地影響了四連桿機構(gòu)、減速箱和電動機的壽命，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增加平衡重。如在抽油機的曲柄、游梁后端或同時在曲柄和游后端增加平衡塊，以其達到抽油機一抽油泵裝置的平衡運轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)平衡。在油田現(xiàn)場，用電流法診斷抽油機是否平衡時，一般地認為當(dāng)平衡率≥，即認為抽油機達到了平衡。這表明，拖動抽油機的電機仍有部分時間工作在負功狀態(tài)。圖21是抽油機減速器凈扭矩曲線，即負載轉(zhuǎn)矩曲線。Mf0圖21 抽油機負荷曲線 從曲線上可以看出: 抽油機的轉(zhuǎn)矩是隨著曲柄轉(zhuǎn)角變化而周期性變化的。抽油機的工作頻率一般為6～12次/分，即工作周期為5～10秒。 當(dāng)出現(xiàn)負扭矩時，減速器主動輪將變?yōu)楸粍虞啞Ｈ缲撆ぞ剌^大，將發(fā)生從動輪沖擊主動輪，影響減速器齒輪的壽命。 抽油機啟動時，抽油桿一般處于最低位置，所需啟動轉(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)矩相對較小。抽油機啟動后，抽油桿開始上升，很快()就碰到了第一個最大阻力轉(zhuǎn)矩。因此，它一方面要求電動機具有較大的靜啟轉(zhuǎn)矩，克服靜磨擦力。另一方面，要求電機具有較大的平均啟動轉(zhuǎn)矩，以便使電機在第一個最大阻力轉(zhuǎn)矩到來之前，超過電機臨界(最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速)，使電機進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。 抽油機的負載特點決定了三相異步電動機驅(qū)動抽油機不可避免地會出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。 抽油機帶載啟動，慣性矩較大。在選配電動機功率時為了不影響生產(chǎn)，一般按最大扭矩來選配電動機。抽油機啟動后，正常工作時的平均轉(zhuǎn)矩與最大扭矩相比要低1/3,所以電動機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(xiàn)象。 根據(jù)油田生產(chǎn)測試，抽油機電動機的平均負荷率一般在20%左右，少數(shù)負荷率高的也僅為30%，電動機的長期低負荷運轉(zhuǎn)，造成了效率低，功率因數(shù)低，能耗高的狀況。 抽油機負荷的周期性變化，反應(yīng)在電動機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)來對抽油機系統(tǒng)進行控制。第3章 三相異步電動機運行特性分析 穩(wěn)定運行時的三相異步電動機三相異步電動機穩(wěn)定運行時的單相等效電路如圖31所示:圖31 異步電動機等效電路圖圖中: 、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、為勵磁電阻、電抗和勵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機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(shù))則有 (32) (33) 三相異步電動機的功率關(guān)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。其中 為從電源輸入的有功功率 （34） 為定子銅耗 ( 35 ) 正常運行情況下的三相異步電動機，轉(zhuǎn)于鐵損耗很小，可以忽略不計，因此，電動機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