【正文】 波形整形基極驅動電動機調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)設備，也是采油過程中的主要耗電設備，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。因而開展抽油機的節(jié)能研究，提高其效率和功率因數(shù)、對提高石油產量、降低石油開采成本，具有十分重要的現(xiàn)實意義。這三種方案的性能價格比和節(jié)能效果都不是最理想的。通常把由鐵介質發(fā)熱導致的功率損耗稱為‘鐵損耗’，銅介質導致的損耗稱為‘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。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。第三部分為U與I的相位檢測部分。 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、推理和控制都要經過控制電路得以實現(xiàn)和完成。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。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運動，將原油從數(shù)百至數(shù)千米的地下抽汲到地面上來。 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。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、減速箱和電動機的壽命，也惡化了抽油桿的工作條件。在油田現(xiàn)場，用電流法診斷抽油機是否平衡時，一般地認為當平衡率≥，即認為抽油機達到了平衡。抽油機的工作頻率一般為6～12次/分，即工作周期為5～10秒。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矩。 抽油機帶載啟動，慣性矩較大。 根據(jù)油田生產測試，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，造成了效率低，功率因數(shù)低，能耗高的狀況。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子方面的電磁功率PM等于轉子回路全部電阻上的損耗，即: ( 37 )轉子銅耗為 (38)電磁功率減去轉子繞組中的銅耗就是等效繞組上的損耗。在大型異步電動機中，附加損耗凡。綜上所述，可得功率關系式如下:輸入功率=定子銅耗+定子鐵耗+傳給轉子的功率，即: (310)傳給轉子的功率(電磁功率)=轉子銅耗+機械功率，即: (311)機械功率=機械損耗+附加損耗+輸出功率，即: (312)由以上分析可見，異步電動機在正常運行時，由于其轉速和主磁通近似不變，導致機械損耗和定子鐵耗也近似不變，故稱機械損耗和定子鐵耗為不變損耗。通過調壓，可以達到減小定、轉子銅耗和附加損耗的目的。對式(310)，應用函數(shù)取極值的必要條件，當時，最大電磁轉矩為: (318) ～，進一步推導可以知道任意轉差率時的轉矩和最大轉矩之比為: (319) 最大電磁轉矩對電動機來說具有重要意義。即當負載阻力矩為轉差率為時為穩(wěn)定運行狀態(tài)，當負載阻力矩為轉差率為時為非穩(wěn)定運行狀態(tài)，為穩(wěn)定運行和不穩(wěn)定運行兩種狀態(tài)的臨界點。而同時，轉子電流也必須增加X倍以保證輸出轉矩的不變。從圖34的曲線可以看到，當負載阻力矩接近零時，其轉差率接近于零，而此時的轉差率與最大轉矩對應的轉差率則相距較遠，調壓范圍較大。但是電動機的效率不會因此而保持不變，相反，會隨著負載的減小而降低，而且在負載減小到一定程度后，效率會有大幅度的下降。 在電動機的節(jié)能技術中，主要是采用隨負載變化的同時改變電動機的定子端電壓、定子頻率或定、轉子間的轉差等方法來達到既降低能耗又滿足上述條件的目的。本節(jié)將著重分析運行條件的變化對電動機性能的影響，說明如何改變運行條件，使得電動機節(jié)能和允許改變條件的程度。同樣： (322)所以可變損耗可以寫為: (323) 即可變損耗與負載率的平方成正比。從異步電動機的等效電路圖可知:對于電源來說，異步電動機相當于一個電阻和電感互相串并聯(lián)的電路，功率因數(shù)總是小于1的。當負載增大時，定子電流中的有功分量增大，從而使功率因數(shù)很快上升，當接近額定負載時，最大。 負載率與電磁轉矩和轉差率的關系電動機在轉子中感應的電流與旋轉磁場相互作用而產生轉矩，使電機旋轉，并拖動機械設備一起轉動，其工作過程是：在正常方式下，當電動機起動時，電動機的起動轉矩首先必須大于負載的機械阻轉矩，電動機才能順利起動。如果負載轉矩再繼續(xù)增大，且超過電動機的最大轉矩，電動機就會因不能承載而不斷減速，直至停轉，或者由于轉子電流增大到超過允許值，使轉子繞組發(fā)熱而燒壞。當轉速接近額定轉速或轉速變化很小時，轉矩率在數(shù)值上等于負載率。當電壓降低時，轉矩將以平方倍下降。而在重載時，如果電壓降低，轉速就會很快下降，使電動機失去穩(wěn)定，直至停轉，降低電壓節(jié)能的措施是否可行，、電壓、轉矩、轉子電流和轉差率之間的關系，列出以下關系式： 　　　　　　 （328） 由上式可知，電動機可承受的負載轉矩不僅與電壓的平方成正比，與負載率成反比，而且還與電動機本身的承載能力有關。利用式(328)可以方便地分析出不同性質的負載在不同運行方式下受電壓變化的影響。 （2）變轉矩負載 當電壓降低時，轉差S升高，轉速將隨之有一定程度的降低，同時阻轉矩也跟著降低，～的線性工作段可以穩(wěn)定工作，而且在TS曲線的下降段也能穩(wěn)定工作。 （2）轉子電流不應超過額定值。 由前面的分析可知： （329） （330） （331）可見，影響電動機輸入功率、效率和功率因數(shù)的主要原因是電動機的輸出功率和電動機本身的損耗，那么電壓的變化對這三者有什么影響呢?簡析如下:（1）電壓變化對輸出功率的影響由前分析可知，對于恒轉矩負載，無論是在重載還是在輕載狀況下，電動機的輸出功率常數(shù)，基本不變。降低的程度，隨電動機性能的不同而不同。對于變轉矩負載，因其輸入功率君隨電壓的降低而降低，轉子銅耗要比恒轉矩負載小得多，其值為： （338）其中表示在，時電動機的最大機械輸出功率，如忽略定子損耗，近似等于時的輸入功率。（3）電壓變化對功率因數(shù)的影響由于電壓降低總是使勵磁電流減小，轉子電流增大，盡管定子電流可能增大或者減小，但定子電流與電源電壓之間的相角總是減小的，因此，功率因數(shù)將隨電壓的增大而減小，隨電壓的減小而增大?！?80VK節(jié)能裝置抽油機M～圖41 抽油機系統(tǒng)構成 抽油機節(jié)能裝置主電路抽油機節(jié)能裝置的主電路系統(tǒng)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。第五部分為節(jié)能裝置內部故障保護部分。晶閘管的通斷規(guī)律為：1）當晶閘管承受反向陽極電壓，即0時，不論門陰極承受何種電壓，晶閘管都處于關斷狀態(tài)。5）當門極未加觸發(fā)電壓時，晶閘管具有正向阻斷能力，這是一般二極管所不具備的。這里晶閘管起到一個通斷頻率可調的快速開關的作用。在交流調壓器中，相位控制應用較多，下面主要分析相位控制的交流調壓電路，先闡述作為基礎的單向交流調壓電路。b 波形圖a 調壓電路20圖43 晶閘管單向交流調壓電路及其波形 由上圖可以看出，改變控制角，可得到不同的負載電壓波形，角越大，在每個周期中晶閘管的導通角越小，加在該相負載上的電壓有效值越??；反之，角越小，加在負載上的電壓有效值越大，從而使電路起到調壓的作用。三相交流調壓電路是三相對稱電路，所以任一時刻需要位于不同相中兩個晶閘管同時導通，工作時電路中一相電流必須和另一相構成回路。圖44 控制裝置控制電路的系統(tǒng)構成框圖輸入電壓電流采樣A/D轉換A/D轉換主控CPU電壓與電流的相位差對應的角度檢測缺相保護部分監(jiān)控部分繼電器輸出控制交流接觸器AC380VM～ 抽油機節(jié)能裝置主電路中的電壓和電流經電壓互感器和電流互感器進入電壓、電流采樣輸入部分進行采樣，采樣后的信號進入A/D轉換器，形成數(shù)字量，進入單片機進行處理。單片機計算的銅耗、鐵耗以及它們的差值經模糊控制器的模糊判決后，形成控制信號的精確量，然后通過D/A轉換變成模擬電壓信號，進入KC6SM2型晶閘管觸發(fā)控制板，控制晶閘管的導通角，改變加在電動機定子電壓的有效值。因此選用P87LPC762為主控CPU。將高電壓、大電流電流變換為安全的測量用電壓、電流信號，輸入測量、保護電路。VD2VD5VD1VD6RP1VS1U1U2UP12VD4VD7VD3VD8RP2VS2I1I2IP12圖48 電壓、電流的采樣電路圖如圖48所示為電壓、電流的采樣電路圖，上圖為電壓采樣圖，下圖為電流采樣圖。P12在這里作為單片機的輸出端口，控制著晶體管和的通斷。對電流信號采樣，需要先將電流信號轉化為電壓信號，A/D轉換器才能對其進行采樣。 從電壓互感器引出的交流12V電壓加在U3, U4兩端，為限流電阻，為濾波電容， V穩(wěn)壓管和的雙向穩(wěn)壓后，輸入到雙比較器LM393的同相端，而LM393的反相端接地，成為過零比較器。二極管和構成與門，兩路方波信號作為這個與門的兩路輸入，與門的輸出信號為這兩路方波信號“相與”的結果，為一矩形波。當GATE=“1”和TR=“1”時，計數(shù)器啟動受外部中斷信號INT1的控制，此時，只要INT1為高電平，計數(shù)器就開始計數(shù)，當INT1為低電平時停止計數(shù)，利用這一特性就能夠測量這個正脈沖的寬度，即電壓和電流的相位角。如圖410所示，當某一晶閘管因損壞而短路時，單片機將檢測到電流的異常增大，這時就會通過P17口發(fā)出一低電平控制信號，經反相器VT3后加在電流放大器VT4的基極，使VT4飽和導通，這樣，直流固態(tài)繼電器SSR線包兩端就加上了+24 V的直流電壓，其觸點閉合，使交流接觸器KM3線包兩端通電(見圖42), KM3的觸點閉合，這時，KM3就短接了晶閘管，使三相電直接加在電動機上，電動機處于全壓運行狀態(tài)。抽油機作為三相異步電動機的負載，在多數(shù)情況下經常處于輕載運行，功率因數(shù)不高，而且負載率愈低，功率因數(shù)愈低，浪費電能更加顯著。如圖411所示，異步電動機的有功功率為，無功功率為，有功電流為，功率因數(shù)為。 節(jié)能裝置保護部分 外部線路斷相保護 三相電源C、B、A經接觸器KM2后輸入到交流調壓環(huán)節(jié)，圖42中KM1和KM2均為交流接觸器。在電動機運行過程中，若電網電源有一相由于某種原因突然斷開(假如是B相)，則交流接觸器KM1線圈斷電，KM1的觸點打開，這時KM2回路斷開，KM2線圈也斷電，KM2的觸點打開，使得節(jié)能裝置主電路自動斷開，電動機停止運轉，避免了三相缺相運行時電動機的損壞，同理可分析C相斷開時的運行過程。三相交流電通過節(jié)能裝置控制電機正常運行時，KM3的觸點處于斷開狀態(tài)，此時，固態(tài)繼電器SSR的觸點也斷開，電動機處于節(jié)能運行狀態(tài)。三相電流分別從三個電流互感器的6個端口，、和、引入，經過缺相保護部分進行檢測。由于電容值很小，所以迅速放電，使單片機的P10口檢測到低電平，這時單片機就可以判斷為出現(xiàn)了缺相的現(xiàn)象，于是使D/A轉換器輸出的控制電壓變?yōu)榱悖闺妱訖C停轉，保護了電動機。 3).程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器的規(guī)劃合理，既節(jié)約內存容量，又使操作方便。 模塊化編程是一種軟件設計方法，各模塊程序分別編寫、編譯和調試，最后模塊一起連接。3).模塊化編程使得要解決的問題與特定模塊分離，很容易找到錯誤的模塊，大大簡化了調試。自檢方法:先后向整個數(shù)據(jù)區(qū)分別送入0XOOH和OXFFH，再先后讀出比較，若不一樣，說明出錯。 3).全局變量初始化 在程序中自定義的一些全局變量和標志位狀態(tài)的初始化。又由于起動轉矩大(為其額定轉矩的2倍)，會對負載產生沖擊，增加傳動部件的摩擦和額外維護，致使電動機發(fā)熱快，因此，在程序中設置軟起動子程序對電動機進行降壓起動是很有必要的。斜坡電壓起動控制模式是指在起動過程中，通過控制晶閘管導通角，使電動機端電壓從初始電壓(由用戶設置)開始平滑按斜坡函數(shù)關系上升，然后，待電流穩(wěn)定后，再上升至電源電壓，這樣，電動機的起動轉矩大，起動時間短，起動電流小，該子程序的流程圖如圖54所示。延長電動機壽命，而且獨特巧妙的軟硬件設計，可時刻保證抽油機拖動電動機運行在銅損耗等于鐵損耗的最低損耗狀態(tài)，明顯降低了抽油機驅動電動機的工作電壓和電流、使抽油機工作效率及功率因數(shù)提高、具有顯著的節(jié)能效果，在抽油機的整個工作周期中不改變交流電動機的轉速，不影響抽油機的生產效率，且該新型抽油機節(jié)能控制裝置具有缺相、過載等保護功能，可有效、及時的防止電動機在缺相、過載時損壞。由于自己能力所限，論文中肯定也存在許多不足之處，懇請各位老師給予批評指正。本課題能得以順利完成，也與導師的悉心指導是分不開的。電動機D–Y技術在抽油機上的應用[J].電工技術雜志，2000,3[11] MicroProcessorbased AdaPtive Power Factor Correcter for Nonliner Loads[J].IEE