【正文】 ，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。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(duì)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。 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(bào)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。 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(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)控制的自動(dòng)化和智能化。當(dāng)電動(dòng)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(shí)停止抽油機(jī)工作，從而保護(hù)電動(dòng)機(jī)。抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)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)。 基于國內(nèi)抽油機(jī)控制系統(tǒng)的使用現(xiàn)狀和實(shí)際情況，結(jié)合國外抽油機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，清華大學(xué)自動(dòng)化系和中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院聯(lián)合設(shè)計(jì)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)。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(lì)磁電流一臨界負(fù)載率 由上式可知，只要測(cè)得電動(dòng)機(jī)定子電流就可以算出電動(dòng)機(jī)的臨界負(fù)載率，從而使電動(dòng)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行于Y接或△接狀態(tài)而節(jié)約電能。電機(jī)由△接法改為Y接法時(shí)，定子電壓下降為△接法時(shí)的，同時(shí)電動(dòng)機(jī)軸輸出功率下降為△接法時(shí)的，鐵損也降為△接法時(shí)的，此時(shí)如果電動(dòng)機(jī)定子電流減小或增加不多，則電動(dòng)機(jī)處于節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)。但傳統(tǒng)電動(dòng)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(jì)，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(dòng)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。 在電壓高于440V時(shí)功率因數(shù)下降較快，消耗無功功率比異步電動(dòng)機(jī)多。稀土永磁電動(dòng)機(jī)是采用永久磁體代替勵(lì)磁繞組來激磁的電動(dòng)機(jī)。 國內(nèi)外抽油機(jī)電動(dòng)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(jiǎn)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(shí)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(dòng)，按抽油機(jī)的最大負(fù)荷來選配驅(qū)動(dòng)電動(dòng)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(dòng)抽油機(jī)的電動(dòng)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。 1).對(duì)于輕載運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)可采取降壓運(yùn)行?！?時(shí)，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。(5)發(fā)展永磁電動(dòng)機(jī)。 1).高性能交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速器。 異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能措施 在電動(dòng)機(jī)應(yīng)用方面的節(jié)能技術(shù)，雖然根據(jù)電動(dòng)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(dòng)力源所使用的范圍內(nèi)，有下列幾個(gè)方面: (1)用高效系列電動(dòng)機(jī)取代一般的高耗能電動(dòng)機(jī)。類似這種異步電動(dòng)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(duì)其進(jìn)行節(jié)能研究是十分必要的。尤其在我國石油企業(yè)中普遍使用的用來驅(qū)動(dòng)有桿采油泵的游梁式抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)，其所采用的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)絕大部分為鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，工作時(shí)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。 single–chip microputer Copper Losses。銅耗。關(guān)鍵詞:抽油機(jī)。在滿足抽油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，使電動(dòng)機(jī)工作在銅耗等于鐵耗的狀態(tài)下，提高抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的工作效率和功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。摘要根據(jù)測(cè)量，油田用抽油機(jī)大部分時(shí)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)。該裝置在抽油機(jī)的整個(gè)工作周期中，不改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，不影響抽油機(jī)的采油效率。電動(dòng)機(jī)。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。Iron Losse目 錄第1章 前言 1 課題來源 1 異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能措施 1 國內(nèi)外抽油機(jī)電動(dòng)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(dòng)機(jī)運(yùn)行特性分析 13 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的三相異步電動(dòng)機(jī) 13 13 三相異步電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系及損耗分析 15 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式 16 運(yùn)行條件變化對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的影響 18 負(fù)載變化對(duì)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(jì) 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(cè) 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(jì) 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(shí)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。負(fù)載的變化周期在5 ^20秒內(nèi)不等。 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(dòng)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(shì)。但這種電動(dòng)機(jī)造價(jià)較高，而且經(jīng)濟(jì)效果極大地取決于負(fù)載的情況，即對(duì)于長(zhǎng)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(chǎng)合，其節(jié)能效果達(dá)到最佳。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(dòng)機(jī)的調(diào)速，節(jié)能效果可高達(dá)55%以上。(6)合理選擇異步電動(dòng)機(jī)。 3).選擇合適類型的電動(dòng)機(jī)。 2).對(duì)于大多數(shù)存在周期性空載運(yùn)行(約占全部工作時(shí)間的50%60%)的電動(dòng)機(jī)，安裝空載自動(dòng)斷電裝置，減少空載損失(空載時(shí)無功功率為額定負(fù)載時(shí)無功功率的60%70%)，提高功率因數(shù)。 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(dòng)機(jī)。其節(jié)能原理在于:同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速，與異步電動(dòng)機(jī)相比沒有轉(zhuǎn)差損耗。 維修困難，不適應(yīng)油田野外復(fù)雜的工況條件。從而使接觸器的壽命大為縮短，并且造成電動(dòng)機(jī)功率明顯下降。而當(dāng)定子電流增加到臨界負(fù)載率對(duì)應(yīng)電流值時(shí)，如此時(shí)電動(dòng)機(jī)仍為Y接，則電動(dòng)機(jī)非但不節(jié)能反而浪費(fèi)電能，因此此時(shí)電動(dòng)機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)為△接。 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(dòng)機(jī)的節(jié)能與安全監(jiān)控方法。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。數(shù)據(jù)載波接口空氣開關(guān)晶閘管電動(dòng)機(jī)缺序與相序檢測(cè)DA轉(zhuǎn)換器電流檢測(cè)電壓檢測(cè)功率檢測(cè)電動(dòng)機(jī)溫度檢測(cè)A/D轉(zhuǎn)換器單片機(jī)系統(tǒng)數(shù)碼顯示程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)、軟停機(jī)和調(diào)整電動(dòng)機(jī)的供電電壓，以便調(diào)整電動(dòng)機(jī)輸出功率，減少電動(dòng)機(jī)的鐵損和銅損，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。當(dāng)抽油機(jī)電動(dòng)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。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(jià)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(shí)現(xiàn)抽油機(jī)遠(yuǎn)距離控制。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。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。 節(jié)能控制分為調(diào)壓節(jié)能和變頻節(jié)能兩種。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。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?！?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%。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(jiǎn)潔的方式處理定子電壓補(bǔ)償問題。 4。在油田實(shí)際測(cè)試，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。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。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。但銅損耗隨輸入電壓和負(fù)載率的變化而變化。第二部分為節(jié)能裝置控制部分。第六部分為電動(dòng)機(jī)缺相保護(hù)部分。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。機(jī)械采油可分為有桿泵采油、無桿泵采油和氣舉采油。 抽油桿柱和油柱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)載荷。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。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。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)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)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。 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。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。附加損耗一般不易計(jì)算，往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算。機(jī)械功率減去機(jī)械損耗和附加損耗，才是真正的輸出功率。這樣，異步電動(dòng)機(jī)的定子電流和負(fù)載電流的變化，可引起定、轉(zhuǎn)子銅耗和附加損耗的變化。由轉(zhuǎn)子電流和定子電壓的關(guān)系，可以推得另一關(guān)系式如下: （317）上式說明電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，電壓的變化將引起電磁轉(zhuǎn)矩的變化。從圖中可以看到，電動(dòng)機(jī)可以工作在1或2的狀態(tài)，從平衡的角度容易知道，1為穩(wěn)定平衡點(diǎn)，2為非穩(wěn)定平衡點(diǎn)。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將下降?？蛰d時(shí)，負(fù)載阻力矩幾乎為零，同時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的電流非常小，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速，此時(shí)，調(diào)壓控制的約束條件將為轉(zhuǎn)差率的增加不能使電動(dòng)機(jī)停運(yùn)。當(dāng)電壓、頻率在額定值時(shí)，隨著負(fù)載的減小，電動(dòng)機(jī)的輸入功率、電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)隨之降低，而且對(duì)于任何類型的負(fù)載，電動(dòng)機(jī)都能保持穩(wěn)定運(yùn)行。也就是說，這個(gè)措施應(yīng)使電動(dòng)機(jī)在負(fù)載變化的整個(gè)過程中，能滿足兩個(gè)條件:一是電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性始終能滿足工作機(jī)械的負(fù)載特性要求，使系統(tǒng)保持穩(wěn)定運(yùn)行，二是電動(dòng)機(jī)的效率在整個(gè)負(fù)載變化過程中始終處于最佳狀態(tài)，保持電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。下面將對(duì)這些影響進(jìn)行一些具體的分析，以便根據(jù)不同的條件采取合理的節(jié)能措施。