【正文】 本課題能得以順利完成，也與導師的悉心指導是分不開的。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(chǎn)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。又由于起動轉矩大(為其額定轉矩的2倍)，會對負載產(chǎn)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。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。 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。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。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)。 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(jīng)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。抽油機作為三相異步電動機的負載，在多數(shù)情況下經(jīng)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。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。 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。P12在這里作為單片機的輸出端口，控制著晶體管和的通斷。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。單片機計算的銅耗、鐵耗以及它們的差值經(jīng)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。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。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。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。第五部分為節(jié)能裝置內部故障保護部分。（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。降低的程度，隨電動機性能的不同而不同。 （2）轉子電流不應超過額定值。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。當電壓降低時，轉矩將以平方倍下降。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。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。 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。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。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。通過調壓，可以達到減小定、轉子銅耗和附加損耗的目的。在大型異步電動機中，附加損耗凡。 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，造成了效率低，功率因數(shù)低，能耗高的狀況。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。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。 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。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。第三部分為U與I的相位檢測部分。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。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。節(jié)能控制器的輸入變量可多可少。調頻節(jié)電控制器的觸發(fā)電路與調壓節(jié)能控制器的控制電路基本一樣，(如圖13所示)。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定子電壓就是要尋找的最佳電壓值。雙饋發(fā)電機有兩個能量輸入通道:電機的轉軸，輸入機械能量。該控制系統(tǒng)1999年5月在大慶油田采油五廠進行了試驗。通過三相電壓、電流和有功功率傳感器把抽油機電動機的工作參數(shù)轉換成0～5V的電壓信號，經(jīng)過12位A/D轉換器MAX197進行模數(shù)轉換，進入單片機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理、存儲和顯示。利用計算機通過一定的算法控制雙向晶閘管的通斷比，使電動機輸出功率與負載匹配，達到降耗、節(jié)能的目的。單片機控制的三相異步電動機Y/△轉換節(jié)能器可對電動機的Y△和△Y轉換的臨界負載電流值分別進行設定，并可加入一定的回差值，從而解決了接觸器頻繁轉換的問題，同時該節(jié)能器還具有△/Y降壓啟動和電動機的斷相、過載等保護功能，對于變載工作的電動機可取得較好的節(jié)能效果，并保護電動機的安全。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，提高了電動機效率。 3).對于不同容量的電動機，根據(jù)損耗種類采用不同的降損措施。1).選用節(jié)能型的電動機，如Y型，YX型等。 (2)采用功率因數(shù)控制器(即異步電動機節(jié)電器)和制動器。考慮到啟動負荷及復雜地質情況等因素的影響，大部分游梁式抽油機選用的驅動電動機的額定功率是工作周期輸出功率的2～3倍左右。 Motor。具有軟啟動、缺相、過載保護等功能。采用電動機調壓裝置，基于模糊控制理論，通過主電路中晶閘管的移相控制調節(jié)抽油機電機端電壓，進行實時控制。單片機。 據(jù)不完全統(tǒng)計，在實際使用中，約有65%的電動機裝置經(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。因此研制一種集各種節(jié)能控制裝置優(yōu)點，又從根本上解決抽油機電動機節(jié)能控制問題的裝置是油田電力管理中的一個難點。(4)對老式高耗能異步電動機進行節(jié)能改造。(7)加強運行管理。 西安石油學院薄保中、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由異步電動機驅動改為同步電動機驅動的設想，同步電動機選用的是具有自啟動能力的稀土永磁同步電動機。三相異步電動機Y/△轉換節(jié)能器，由于其結構簡單、成本低，是一種適合我國國情的電動機節(jié)能控制器。對應于這一定子電流的負載率稱為臨界負載率。在空氣開關和晶閘管之間設計三相電的相序和缺相檢測電路，檢測抽油機驅動電動機供電是否正常?？筛鶕?jù)抽油機運行的載荷工況，自動通過D/A轉換器輸出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，從而調節(jié)抽油機電動機的輸出功率，達到節(jié)能目的。從結構上看，雙饋發(fā)電機與常見的感應發(fā)電機和同步發(fā)電機無太大的差別，但它卻有一個引人注目的特點，即對軸上輸入轉速無任何特殊的要求。在變頻節(jié)能控制中，可以充分利用當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。與同類其他節(jié)能裝置相比，具有技術簡單、效率高的特點，且調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。 ，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。由于抽油機負載呈周期性變化，現(xiàn)運行的抽油機驅動電機幾乎全為大馬拉小車，負載率和效率都很低，統(tǒng)計結果表明最高效率不超過30%。：“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。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，應實時計算電動機的銅損耗和鐵損耗，通過比較調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)能裝置設計的理論依據(jù)?？刂齐娐返南到y(tǒng)構成包括主控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。 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、柱塞上的油柱重，油管內外油柱對柱塞下端的壓力構成的靜載荷。為了解決這一問題，通常的辦法是給抽油機增加平衡重。 當出現(xiàn)負扭矩時，減速器主動輪將變?yōu)楸粍虞?。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。這部分等效損耗實際上是傳輸給電機轉軸上的機械功率即: (39) 電動機在運行時，會產(chǎn)生軸承以及風阻等摩擦阻轉矩，這也要損耗一部分功率，把這部分功率叫做機械損耗，用表示。定、轉子銅耗則隨電流的平方關系而變化。當電動機運行時，若負載短時突然增大，隨后又恢復正常，則只要總的制動轉矩不大于最大電磁轉矩，電動機仍能穩(wěn)定運行，但若大于最大電磁轉矩，則電動機將停轉下來。另一方面，外加電壓不能下降太多，因為，電壓的變化將引起最大轉矩的變化，當最大轉矩下降為低于負載額定轉矩時，電動機將停止轉動。這就是說，電動機輸入功率的絕對值看起來雖然降低了，但是相對損耗卻提高了，使電動機處于一種不經(jīng)濟的運行狀態(tài)，造成了電能損失，這當然是不希望的。以及根據(jù)上述相應的改變確定電動機的發(fā)熱、損耗、有功功率、無功功率、功率因數(shù)和轉矩等的情況，以便衡量所采用的改變運行條件的節(jié)能措施是否經(jīng)濟合理、對不同性質的負載的效果及應用范圍。為了建立磁場，電動機需要從電源吸取很大的無功電流，在正常條件下，勵磁電流是不隨負載變化的，而轉子電流卻隨負載的增減而增減。由于大于，有了一定的剩余轉矩，電動機就能不斷加速至額定轉速，為了避免起動時間過長，導致起動電流過大使繞組發(fā)熱，要求電動機有足夠大的起動轉矩，以縮短起動時間，減少發(fā)熱?？梢?，電動機在負載變化時的實際承載能力與負載率成反比，負載越小，承載能力越大，系統(tǒng)越能穩(wěn)定運行；負載變大，承載能力就降低，如果，承載能力就小于額定承載能力，電動機運行的穩(wěn)定性將降低。任意負載時，電動機能穩(wěn)定運行的必要條件是使，即。所以對于變轉矩負載，不僅調壓范圍大，而且由于阻轉矩的下降，使得轉子電流也跟著下降，這就不會出現(xiàn)象恒轉矩負載那樣轉子過熱的問題，也不會出現(xiàn)不穩(wěn)定的問題，顯然在這種場合采取調壓方法是可行的，節(jié)能效果也比恒轉矩負載好得多。而對于變轉矩負載，情況就大不一樣了。5）定子銅耗定子銅耗取決于定子電流的大小。第二部分為節(jié)能裝置控制部分。2）當晶閘管承受正向電壓，即0時，僅在門極承受正向電壓( 0)的情況下晶閘管刁一能導通。這種控制方式電路簡單，功率因數(shù)高，適用于有較大時間常數(shù)的負載，缺點是輸出電壓或功率調節(jié)不平滑。交流調壓的原理就是利用晶閘管導通角的變化來改變輸出電壓的有效值以實現(xiàn)對負載電路輸入電壓的調節(jié)。另外，來自互感器的電壓、電流信號還進入電壓與電流的相位角檢測電路，獲得它們之間的相位角，單片機利用得到的相位角來計算電動機的銅耗和鐵耗。P87LPC762的主要特性如下：1）操作頻率為20MHz時，除乘法和除法指令外，加速80C51指令執(zhí)行時間為300～600ns。從電壓互感器取出的信號經(jīng)過橋式整流后，由電容濾波，形成的直流電壓信號再經(jīng)分壓，加在電位器RP1上，VS1為穩(wěn)壓管。為此，將來自電流互感器的電流信號流經(jīng)一個電阻，然后從該電阻兩端取出電壓信號，再進行整流、濾波、采樣，圖中和的作用都是為了濾除高頻干擾，保護A/D轉換器。該矩形波利用二極管的單相導電性，使二極管的輸出端波形僅為正脈沖。在任意時刻，如果有必要使電動機全壓運行，可以按下S1鍵，這樣也能夠短路晶閘管，使電動機運行于全壓狀態(tài)。當采用電容量為，即電容電流為的電容器補償后，由圖可見，補償后的無功功率為，補償后的功率因數(shù)為，由圖可得以下兩式: (44) (45)圖411 電容器直接補償相量圖上式中為無功功率補償率，即每單位有功功率所需的電容器補償值，其單位為kvar/kW。A相斷開時，KM2線包斷電，KM2觸點打開，也會使三相電路自動斷開，電動機停轉。缺相保護主要是利用了光禍合器件的特性。 4).運行狀態(tài)實現(xiàn)標志化指示。主程序流程圖如圖51所示。 4).電機參數(shù)初始化 這一部分主要是三相異步電動機的勵磁參數(shù)的設定，由于電動機型號一旦確定，其勵磁參數(shù)也隨之確定，這部分根據(jù)電動機型號，設定、和。設置輸出電壓初值開始圖54 軟啟動子程序流程圖延時500ms輸出電壓加5輸出電壓等于200V?延時5s設電壓初始值為200V延時500ms輸出電壓加20輸出電壓等于380V?返回