【正文】 摘要根據(jù)測量，油田用抽油機(jī)大部分時間在空抽、電機(jī)均在輕載狀態(tài)下運(yùn)行，電機(jī)效率和功率因數(shù)都比較低，造成大量電能浪費(fèi)。為此，依據(jù)銅耗等于鐵耗時，電動機(jī)效率、功率因數(shù)最高，最省電原理，設(shè)計一種抽油機(jī)電機(jī)自動控制的節(jié)能裝置。采用電動機(jī)調(diào)壓裝置，基于模糊控制理論，通過主電路中晶閘管的移相控制調(diào)節(jié)抽油機(jī)電機(jī)端電壓，進(jìn)行實時控制。在滿足抽油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，使電動機(jī)工作在銅耗等于鐵耗的狀態(tài)下，提高抽油機(jī)電動機(jī)的工作效率和功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。該裝置在抽油機(jī)的整個工作周期中，不改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，不影響抽油機(jī)的采油效率。具有軟啟動、缺相、過載保護(hù)等功能。是油田采油生產(chǎn)中較為理想的電動機(jī)控制裝置，具有廣泛的推廣使用價值。關(guān)鍵詞:抽油機(jī)。電動機(jī)。節(jié)能。單片機(jī)。銅耗。鐵耗ABSTRACT According to statistics,pomping unit in oilfields are working at empty situation with motor running under light load，so make the motor efficiency and power factor too lower,cause a large amount of electric energy Fuzzy control theory and adopting the working voltage of motor the line voltage of pump unit’s motor is a regulated by real time phase–shift meeting the usual running,the working efficiency and power factor are improved，so as to save the electric energy. Moreover, the device will not chang the rotational speed of the motor, during the whole work period of pumping the oil，and do not influent the petroleum production efficiency of the oil pumping device has the functions of starting softly、lacking phase,overload protection and so is the ideal device of motor controling in the oil field，and has the extensive using value.Keywords:Oil pumping rnachine。 Motor。 Energyconservatxan。 single–chip microputer Copper Losses。Iron Losse目 錄第1章 前言 1 課題來源 1 異步電動機(jī)的節(jié)能措施 1 國內(nèi)外抽油機(jī)電動機(jī)節(jié)能技術(shù)發(fā)展綜述 2 本文所做的主要工作 7：“銅耗=鐵耗” 8 9 9 10第2章 抽油機(jī)的負(fù)載特性 11第3章 三相異步電動機(jī)運(yùn)行特性分析 13 穩(wěn)定運(yùn)行時的三相異步電動機(jī) 13 13 三相異步電動機(jī)的功率關(guān)系及損耗分析 15 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式 16 運(yùn)行條件變化對電動機(jī)性能的影響 18 負(fù)載變化對損耗、效率、功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩的影響 19 21第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 25 概述 25 抽油機(jī)節(jié)能裝置主電路 25 功率控制電路 27 29 電流采樣 30 與的相位角檢測 32 IO接口 33 無功功率補(bǔ)償 34 節(jié)能裝置保護(hù)部分 35 外部線路斷相保護(hù) 36 功率控制元件故障保護(hù) 36 電機(jī)缺相保護(hù) 36 37第5章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 38第6章 結(jié)論 44致謝 45參考文獻(xiàn) 46第1章 前言 課題來源 能源是人類文明的基石，人類從遠(yuǎn)古時代開始就按照自己的要求使用能源，創(chuàng)造出燦爛的文明和文化。我國能源發(fā)展戰(zhàn)略的總方針是“堅持開發(fā)與節(jié)約并重，把節(jié)約放在首位”，1998年1月1日《中華人民共和國節(jié)約能源法》的頒布和實施標(biāo)志著我國的節(jié)能工作逐步走上了法制化的軌道。 據(jù)不完全統(tǒng)計，在實際使用中，約有65%的電動機(jī)裝置經(jīng)常在輕載或空載狀況下工作，即存在所謂的“大馬拉小車”現(xiàn)象。尤其在我國石油企業(yè)中普遍使用的用來驅(qū)動有桿采油泵的游梁式抽油機(jī)電動機(jī)，其所采用的驅(qū)動電動機(jī)絕大部分為鼠籠式異步電動機(jī)，工作時承受周期性變化的負(fù)荷，平均負(fù)荷率一般為30%以下，有的甚至更低。負(fù)載的變化周期在5 ^20秒內(nèi)不等?？紤]到啟動負(fù)荷及復(fù)雜地質(zhì)情況等因素的影響，大部分游梁式抽油機(jī)選用的驅(qū)動電動機(jī)的額定功率是工作周期輸出功率的2～3倍左右。以延長油田本部為例:2005年有游梁式抽油機(jī)18000余臺，具有很大的節(jié)能降耗潛力。類似這種異步電動機(jī)負(fù)載率低、效率不高、電能浪費(fèi)的現(xiàn)象在我國工業(yè)生產(chǎn)中很普遍，因此，對其進(jìn)行節(jié)能研究是十分必要的。 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)以及其他方面諸如電機(jī)制造工藝的發(fā)展，電動機(jī)的節(jié)能調(diào)速運(yùn)行控制裝置越來越多，呈百花齊放趨勢。 目前在用的各種電動機(jī)控制裝置大部分是通過時序控制來達(dá)到節(jié)能目的，也有使用變頻調(diào)速裝置的，但變頻調(diào)速成本太高，維護(hù)較為困難，不適應(yīng)油田實際。因此研制一種集各種節(jié)能控制裝置優(yōu)點(diǎn)，又從根本上解決抽油機(jī)電動機(jī)節(jié)能控制問題的裝置是油田電力管理中的一個難點(diǎn)。 異步電動機(jī)的節(jié)能措施 在電動機(jī)應(yīng)用方面的節(jié)能技術(shù)，雖然根據(jù)電動機(jī)的種類、用途或系統(tǒng)等有各種各樣的方法，但在作為現(xiàn)代企業(yè)動力源所使用的范圍內(nèi)，有下列幾個方面: (1)用高效系列電動機(jī)取代一般的高耗能電動機(jī)。但這種電動機(jī)造價較高，而且經(jīng)濟(jì)效果極大地取決于負(fù)載的情況，即對于長期工作于接近額定負(fù)載(}o%以上)連續(xù)運(yùn)行的應(yīng)用場合，其節(jié)能效果達(dá)到最佳。 (2)采用功率因數(shù)控制器(即異步電動機(jī)節(jié)電器)和制動器。 (3)電動機(jī)的調(diào)速節(jié)能。 1).高性能交流電動機(jī)變頻調(diào)速器。采用微機(jī)控制的大功率管逆變技術(shù)，利用交—直—交方式，用于交流異步電動機(jī)的調(diào)速，節(jié)能效果可高達(dá)55%以上。 2).轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。(4)對老式高耗能異步電動機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。(5)發(fā)展永磁電動機(jī)。(6)合理選擇異步電動機(jī)。1).選用節(jié)能型的電動機(jī)，如Y型，YX型等。2).選擇合適的輸出功率。，～1時，其功率因數(shù)和效率最高，因而一定要防止“大馬拉小車”現(xiàn)象發(fā)生，減少無功消耗。 3).選擇合適類型的電動機(jī)。 4).選擇合適的配電電壓。(7)加強(qiáng)運(yùn)行管理。 1).對于輕載運(yùn)行的電動機(jī)可采取降壓運(yùn)行。 2).對于大多數(shù)存在周期性空載運(yùn)行(約占全部工作時間的50%60%)的電動機(jī)，安裝空載自動斷電裝置，減少空載損失(空載時無功功率為額定負(fù)載時無功功率的60%70%)，提高功率因數(shù)。 3).對于不同容量的電動機(jī)，根據(jù)損耗種類采用不同的降損措施。 4).小型鼠籠式異步電動機(jī)宜采用直接啟動方式。 國內(nèi)外抽油機(jī)電動機(jī)節(jié)能技術(shù)發(fā)展綜述 在機(jī)械采油井中應(yīng)用最廣泛的是游梁式抽油機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，制造容易等優(yōu)點(diǎn)，但是耗能高，效率低，沖程和沖次調(diào)節(jié)不方便，所以實際運(yùn)行中大都處于不平衡狀態(tài)，為了使抽油機(jī)順利啟動，按抽油機(jī)的最大負(fù)荷來選配驅(qū)動電動機(jī)，并留有一定裕量，而抽油機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩一般只為最大轉(zhuǎn)矩的三分之一，因而拖動抽油機(jī)的電動機(jī)的負(fù)荷率也大約為30%，從而形成了“大馬拉小車”的現(xiàn)象。 近年來，國內(nèi)各油田陸續(xù)采用了各種節(jié)能方法，取得了不少成果，其中比較成功的是高轉(zhuǎn)差電動機(jī)。但高轉(zhuǎn)差電動機(jī)從節(jié)能的角度看是不利的，不僅使轉(zhuǎn)差損耗增大，也使過渡過程損耗增加。 西安石油學(xué)院薄保中、米春亭、楊新海、江秀漢等基于以往的研究工作提出了抽油機(jī)由異步電動機(jī)驅(qū)動改為同步電動機(jī)驅(qū)動的設(shè)想，同步電動機(jī)選用的是具有自啟動能力的稀土永磁同步電動機(jī)。稀土永磁電動機(jī)是采用永久磁體代替勵磁繞組來激磁的電動機(jī)。其節(jié)能原理在于:同步電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速，與異步電動機(jī)相比沒有轉(zhuǎn)差損耗。使用稀土永磁材料激磁，提高了功率因數(shù)，定子電流減小，銅損降低，提高了電動機(jī)效率。 從現(xiàn)場試驗和用戶反應(yīng)來看，稀土永磁同步電動機(jī)還存在以下問題: 電壓過低時啟動困難。 在電壓高于440V時功率因數(shù)下降較快，消耗無功功率比異步電動機(jī)多。 維修困難，不適應(yīng)油田野外復(fù)雜的工況條件。黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院研制的單片機(jī)控制三相異步電動機(jī)節(jié)能保護(hù)器主要是利用電動機(jī)Y/△轉(zhuǎn)換。三相異步電動機(jī)Y/△轉(zhuǎn)換節(jié)能器，由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，是一種適合我國國情的電動機(jī)節(jié)能控制器。但傳統(tǒng)電動機(jī)Y/△轉(zhuǎn)換節(jié)能器的控制電路采用分立元件或集成電路設(shè)計，控制轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換精度不高，轉(zhuǎn)換參數(shù)無法修改，這樣就造成電動機(jī)在Y/△轉(zhuǎn)換點(diǎn)附近發(fā)生頻繁轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象，即臨界震蕩。從而使接觸器的壽命大為縮短，并且造成電動機(jī)功率明顯下降。單片機(jī)控制的三相異步電動機(jī)Y/△轉(zhuǎn)換節(jié)能器可對電動機(jī)的Y△和△Y轉(zhuǎn)換的臨界負(fù)載電流值分別進(jìn)行設(shè)定，并可加入一定的回差值，從而解決了接觸器頻繁轉(zhuǎn)換的問題，同時該節(jié)能器還具有△/Y降壓啟動和電動機(jī)的斷相、過載等保護(hù)功能，對于變載工作的電動機(jī)可取得較好的節(jié)能效果，并保護(hù)電動機(jī)的安全。三相異步電動機(jī)的損耗主要由鐵損和銅損兩部分構(gòu)成，鐵損正比于電動機(jī)端電壓的平方，電動機(jī)Y/△轉(zhuǎn)換節(jié)能的實質(zhì)是降低電動機(jī)的端電壓。電機(jī)由△接法改為Y接法時，定子電壓下降為△接法時的，同時電動機(jī)軸輸出功率下降為△接法時的，鐵損也降為△接法時的，此時如果電動機(jī)定子電流減小或增加不多，則電動機(jī)處于節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)。而當(dāng)定子電流增加到臨界負(fù)載率對應(yīng)電流值時，如此時電動機(jī)仍為Y接，則電動機(jī)非但不節(jié)能反而浪費(fèi)電能，因此此時電動機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)為△接。電動機(jī)定子電流主要是由電動機(jī)軸輸出功率即電動機(jī)負(fù)載功率決定的。對應(yīng)于這一定子電流的負(fù)載率稱為臨界負(fù)載率。臨界負(fù)載率和定子電流間的關(guān)系為: (11)式中 一定子線電流一電機(jī)額定電流一空載勵磁電流一臨界負(fù)載率 由上式可知，只要測得電動機(jī)定子電流就可以算出電動機(jī)的臨界負(fù)載率，從而使電動機(jī)自動運(yùn)行于Y接或△接狀態(tài)而節(jié)約電能。 華中理工大學(xué)的史玉升和梁書云提出了一種三相異步電動機(jī)的節(jié)能與安全監(jiān)控方法。利用計算機(jī)通過一定的算法控制雙向晶閘管的通斷比，使電動機(jī)輸出功率與負(fù)載匹配，達(dá)到降耗、節(jié)能的目的。由于采用了單片機(jī)控制，所以系統(tǒng)具有良好的“柔性“和性能價格比，基于這種技術(shù)的節(jié)能系統(tǒng)適合于經(jīng)常工作于空載或輕載的電動機(jī)變負(fù)載工況下。 基于國內(nèi)抽油機(jī)控制系統(tǒng)的使用現(xiàn)狀和實際情況，結(jié)合國外抽油機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，清華大學(xué)自動化系和中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院聯(lián)合設(shè)計了以單片機(jī)為核心的晶閘管移相觸發(fā)控制的低成本抽油機(jī)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)主要由電量傳感器、晶閘管模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器等組成。工作原理如下圖11所示。在空氣開關(guān)和晶閘管之間設(shè)計三相電的相序和缺相檢測電路，檢測抽油機(jī)驅(qū)動電動機(jī)供電是否正常。抽油機(jī)驅(qū)動電動機(jī)啟動和工作過程中一旦不正常，立即停止工作，并有數(shù)碼管和發(fā)光二極管顯示指示不正常的狀態(tài)。數(shù)據(jù)載波接口空氣開關(guān)晶閘管電動機(jī)缺序與相序檢測DA轉(zhuǎn)換器電流檢測電壓檢測功率檢測電動機(jī)溫度檢測A/D轉(zhuǎn)換器單片機(jī)系統(tǒng)數(shù)碼顯示程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)回放卡圖11 控制系統(tǒng)工作原理圖 通過D/A轉(zhuǎn)換器DAC1210輸出0～10V電壓控制晶閘管模塊的移相觸發(fā)相位，實現(xiàn)抽油機(jī)電動機(jī)的軟啟動、軟停機(jī)和調(diào)整電動機(jī)的供電電壓，以便調(diào)整電動機(jī)輸出功率，減少電動機(jī)的鐵損和銅損，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。通過三相電壓、電流和有功功率傳感器把抽油機(jī)電動機(jī)的工作參數(shù)轉(zhuǎn)換成0～5V的電壓信號，經(jīng)過12位A/D轉(zhuǎn)換器MAX197進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲和顯示。根據(jù)所檢測到的抽油機(jī)電動機(jī)工作電流和有功功率的變化，實時判斷電動機(jī)的載荷大小和工況。當(dāng)電動機(jī)工作電流超過額定電流和最高工作溫度超過額定工作溫度時停止抽油機(jī)工作，從而保護(hù)電動機(jī)。當(dāng)抽油機(jī)電動機(jī)工作電流小于空載電流，認(rèn)為抽油機(jī)空載，可停止抽油機(jī)工作，等待原油聚集。根據(jù)所設(shè)定的停機(jī)時間，抽油機(jī)停止工作一段時間后，控制系統(tǒng)自動啟動抽油機(jī)，從而實現(xiàn)抽油機(jī)停機(jī)節(jié)能?？筛鶕?jù)抽油機(jī)運(yùn)行的載荷工況，自動通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出0～10V電壓，實時控制晶閘管的移相觸發(fā)相位，控制其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)抽油機(jī)電動機(jī)的輸出功率，達(dá)到節(jié)能目的。 該抽油機(jī)控制系統(tǒng)綜合應(yīng)用了傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和晶閘管技術(shù)，實現(xiàn)了抽油機(jī)控制的自動化和智能化。和國外抽油機(jī)控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有較高的性能價格比和較好的功能擴(kuò)充性，如在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)，可通過電力載波或其它數(shù)據(jù)傳輸方式實現(xiàn)抽油機(jī)遠(yuǎn)距離控制。該控制系統(tǒng)1999年5月在大慶油田采油五廠進(jìn)行了試驗。系統(tǒng)工作可靠，并具有明顯的節(jié)能效果，%。 上海交通大學(xué)信息與控制工程系許善鎮(zhèn)教授于1999年12月在上海交通大學(xué)學(xué)報上發(fā)表了一篇題名為《石油抽油泵節(jié)能的新構(gòu)思》的文章。提出了一種可以隨機(jī)采集在自然界廣泛存在的零星風(fēng)力的裝置，用于石油抽油泵的節(jié)能。裝置的核心是雙饋發(fā)電機(jī)。從結(jié)構(gòu)上看，雙饋發(fā)電機(jī)與常見的感應(yīng)發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)無太大的差別，但它卻有一個引人注目的特點(diǎn)，即對軸上輸入轉(zhuǎn)速無任何特殊的要求。圍繞這一特點(diǎn)，不僅可以開發(fā)出零星風(fēng)能的采集利用裝置，而且對于其他任何具有明顯零顯、雜散特性的自然能量(如波浪、潮汐等)的采集也同樣適宜。雙饋發(fā)電機(jī)是隨著電力電子技術(shù)發(fā)展而崛起的一種電機(jī)新品種，即是常規(guī)電機(jī)的一種應(yīng)用革新。雙饋發(fā)電機(jī)有兩個能