【正文】 峰，保護單片機免受干擾信號的沖擊。電解電容用來穩(wěn)定電源電壓，無極性電容的作用是用來濾除電源信號中的高頻成分。 IO接口 繼電器輸出轉(zhuǎn)換就是用直流繼電器的輸出來控制交流接觸器，使之在抽油機節(jié)能控制器發(fā)生故障時短路晶閘管，使三相電直接加在電動機上，從而既不影響抽油機的繼續(xù)工作，又對抽油機節(jié)能控制器起到保護作用。如圖410所示，當(dāng)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(jīng)反相器VT3后加在電流放大器VT4的基極，使VT4飽和導(dǎo)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)。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)。圖410 繼電器輸出部分+24VSSRK1K1RELAYSPSTK2S1全壓K3P17 無功功率補償 三相異步電動機是典型的阻感負(fù)載，必須吸收無功功率才能正常工作。電力電子成套裝置與其他非線性裝置工作時要產(chǎn)生諧波電流并消耗無功功率，特別是晶閘管相控裝置工作時產(chǎn)生的諧波就更大，圖42中的三相晶閘管調(diào)壓器工作時基波電流滯后于電網(wǎng)電壓，要消耗大量的無功功率，而且它本身還會產(chǎn)生大量的諧波電流，這種電力電子裝置是較大的諧波源，在它的輸入側(cè)會產(chǎn)生大量的諧波電流。抽油機作為三相異步電動機的負(fù)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(fù)載率愈低，功率因數(shù)愈低，浪費電能更加顯著。因此對于異步電動機采取無功補償以提高功率因數(shù)、減小諧波影響、節(jié)約電能、減少運行費用以及提高電能質(zhì)量，是具有重要意義的。 無功補償?shù)姆椒ㄍǔＳ袃煞N:無功功率的電容投切補償和無功功率的電容直接補償，本裝置裝置采用電容直接補償。 無功功率的電容直接補償就是將電力電容器直接接入進入異步電動機的三相電源上，對異步電動機的無功功率進行補償。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。當(dāng)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。因為電容直接補償?shù)氖侨喈惒诫妱訖C，因此補償電容器容量與其額定電容電流的關(guān)系為: （46） 式中：—電容器額定電流(A)； —電容器額定容量(kvar ) ； —電容器額定電壓((kV )。 電容器的電容C與電容器容量的關(guān)系：當(dāng)電網(wǎng)頻率f為5OHz,C以表示，U以kV表示，則根據(jù)式(46)可寫成: (47)三相異步電動機采用了電容直接補償后，功率因數(shù)從提高到，也就是改善了功率因數(shù)，使無功功率得到了補償。 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(diào)壓環(huán)節(jié)，圖42中KM1和KM2均為交流接觸器。接通電源時，KM1的線圈通電，所以KM1的觸點閉合。SB1和SB2分別為手動啟動按鈕和人工停止按鈕。按下SB1, KM2線圈回路得電，KM2觸頭動作，其觸點閉合，節(jié)能裝置主電路接通，運行指示燈亮。在電動機運行過程中，若電網(wǎng)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(zhuǎn)，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。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(zhuǎn)。若在三相異步電動機運行過程中，需要使其停止，可以按下SB2，人為斷開KM2線圈供電線路，使電動機停止運轉(zhuǎn)。 功率控制元件故障保護這一部分主要由交流接觸器KM3和控制電路中的直流固態(tài)繼電器SSR構(gòu)成。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)。當(dāng)節(jié)能裝置中的主要器件—六個晶閘管中的某一個因損壞而短路時，控制電路將檢測到電流異常增大，使固態(tài)繼電器觸點吸合，交流接觸器KM3的線圈回路得電，KM3的觸點吸合，于是節(jié)能裝置會自動地短接晶閘管，使電動機直接與三相電源相連，在不停機的情況下，仍然帶動抽油機工作而不至于影響生產(chǎn)，而損壞的晶閘管可在以后的時間里換下。 電機缺相保護 缺相保護是用來在電動機運行過程中由于某種事故的發(fā)生而突然斷相時采取的一種保護措施。圖415為電機缺相保護原理圖。三相電流分別從三個電流互感器的6個端口，、和、引入，經(jīng)過缺相保護部分進行檢測。，缺相保護主要是利用了光禍合器件的特性。，當(dāng)沒有缺相時，有電流通過光耦器件，，經(jīng)過光電耦合，三個光耦器件中的晶體管全部飽和導(dǎo)通，+5 V電壓直接加在和上，并對進行充電，單片機的P10口檢測到的是高電平。當(dāng)某一相因故斷開時，由于該相中沒有電流，致使這一相的光禍器件中的晶體管截止，則原來的導(dǎo)通回路與+5V電源斷開。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(zhuǎn)換器輸出的控制電壓變?yōu)榱?，使電動機停轉(zhuǎn)，保護了電動機。圖412 缺相保護部分P10在電機運行過程中，檢測電路不斷對電流、電壓信號進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)電流超出給定值時，由CPU發(fā)出信號，接觸器動作，切斷主回路電源，起到到短路和過載保護作用。第5章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 單片機系統(tǒng)軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計的，應(yīng)該能夠可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，因此要求軟件具有以下特點: 1).軟件結(jié)構(gòu)清晰、簡潔，流程合理。 2).功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊化，以便于調(diào)試、連接、移植和修改。 3).程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器的規(guī)劃合理，既節(jié)約內(nèi)存容量，又使操作方便。 4).運行狀態(tài)實現(xiàn)標(biāo)志化指示。 5).實現(xiàn)軟件的抗干擾措施。 遵循以上原則，根據(jù)功能的要求，采用模塊化編程，設(shè)計軟件整體流程圖。 模塊化編程是一種軟件設(shè)計方法，各模塊程序分別編寫、編譯和調(diào)試，最后模塊一起連接。模塊化編程有以下優(yōu)點: 1).模塊化編程使程序開發(fā)更有效，小程序更容易理解和調(diào)試。當(dāng)知道模塊的輸入和輸出時，可以直接測試小模塊。 2).當(dāng)同類的需求較多時，可把程序放入庫中己備以后使用。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(diào)試。主程序流程圖如圖51所示。主程序由以下幾個子程序模塊構(gòu)成:上電自檢，初始化參數(shù)，軟起動，A/D轉(zhuǎn)換，計算銅耗、鐵耗及其差值，D/A轉(zhuǎn)換和輸出控制電壓子程序，下面將分別介紹各子程序模塊的功能。開始上電自檢初使化參數(shù)軟起動A/D轉(zhuǎn)換計算銅耗、鐵耗及差值D/A轉(zhuǎn)換輸出控制電壓圖51 主程序流程圖 ，對系統(tǒng)RAM進行自檢，可以有效避免因RAM失常對系統(tǒng)帶來的損害。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。上電自檢子程序流程圖如圖52所示:圖52 上電自檢子程序流程圖開始將0寫入首址讀出校驗是否為0？下一個地址檢測完畢？A出錯處理返回A將255寫入首址讀出校驗是否為255？下一個地址檢測完畢？NNNNYY 。初始化參數(shù)子程序包括以下幾部分: 1).CPU內(nèi)部寄存器的初始化 這一部分包括定時器的初始化，中斷初始化和中斷優(yōu)先級的設(shè)定等。 2）.I/O口的初始化 這部分主要是根據(jù)硬件電路的設(shè)計來確定單片機某些I/0口的初始狀態(tài)。 3).全局變量初始化 在程序中自定義的一些全局變量和標(biāo)志位狀態(tài)的初始化。 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(shè)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(shè)定、和。 初始化參數(shù)子程序流程圖如圖59所示。開始CPU內(nèi)部寄存器初始化圖53 初始化參數(shù)子程序流程圖I/O口初始化全局變量初始化電機參數(shù)初始化返回 由于三相異步電動機全壓起動時，起動電流是其額定電流的5～7倍，這需要電網(wǎng)有很大的容量，而且還會降低電器控制設(shè)備的使用壽命，影響其它電氣設(shè)備的正常運行。又由于起動轉(zhuǎn)矩大(為其額定轉(zhuǎn)矩的2倍)，會對負(fù)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(shè)置軟起動子程序?qū)﹄妱訖C進行降壓起動是很有必要的。 所謂軟起動就是在單片機的控制下，在電動機起動過程中，通過改變晶閘管的導(dǎo)通角，使加到電動機定子繞組上的線電壓從零逐步增加，降低起動電流的過程，程序設(shè)計起動時，晶閘管的導(dǎo)通角從開始以預(yù)設(shè)函數(shù)關(guān)系逐漸增大，電動機的端電壓也從零開始上升，直至達(dá)到滿足起動轉(zhuǎn)矩的要求，保證起動成功。運用不同的設(shè)定方法，使被控電動機定子繞組上的輸入電壓按不同的要求而變化，就可以實現(xiàn)不同的起動效果。在本課題中，電動機軟起動采用斜坡升壓軟起動控制模式。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(dǎo)通角，使電動機端電壓從初始電壓(由用戶設(shè)置)開始平滑按斜坡函數(shù)關(guān)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(zhuǎn)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。設(shè)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(shè)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A/D轉(zhuǎn)換子程序的作用是將采樣到的電壓、電流值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，在連續(xù)采樣半個周期后，進行數(shù)字濾波，通過再計算有效值作為采樣值，采樣次數(shù)為30次。程序設(shè)計采用查詢方式，使用計數(shù)器TO作為定時器，計數(shù)滿申請中斷，5OOus中斷一次，采樣此時的電壓、電流值，分別保存在兩個數(shù)組中，并計算它們的有效值。該子程序的流程圖如圖55所示:開始設(shè)置定時器T0啟動定時器T0標(biāo)志位=1?打開三級管采樣電壓、電流關(guān)定時器關(guān)三級管消標(biāo)志位計算電壓、電流的有效值返回圖55 A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖第6章 結(jié)論 理論分析和試驗結(jié)果證明了在對抽油機負(fù)載特性和交流動電機機械特性分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用單片機的智能控制特點所研制的新型抽油機節(jié)能控制裝置的合理性、有效性和實用性，該新型抽油機節(jié)能控制裝置不但具有軟啟動功能，可明顯減小交流電動機起動電流。延長電動機壽命，而且獨特巧妙的軟硬件設(shè)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(qū)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(zhuǎn)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。具有時序控制功能，為油田實現(xiàn)有序采油、降低成本提供條件。 油田抽油機電動機的節(jié)能控制是今后相當(dāng)長的時期內(nèi)油田廣泛關(guān)注的一個課題，該裝置雖然取得了一定成果，但由于測試手段不夠完善，使用晶閘管所帶來的諧波問題還沒有進行更進一步的研究，控制參數(shù)還需要進一步優(yōu)化，這些都是需要我們今后繼續(xù)努力探索和解決。 通過理論學(xué)習(xí)和實踐，自己的業(yè)務(wù)水平和能力得到了提高，我相信，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，抽油機電動機節(jié)能技術(shù)還將繼續(xù)得到發(fā)展。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。致謝 本文是在導(dǎo)師 老師的精心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下完成的。從選題、設(shè)計到論文的完成，都凝聚著導(dǎo)師的心血和汗水。在學(xué)習(xí)及課題的設(shè)計和研制過程中，導(dǎo)師 在學(xué)習(xí)及生活、課題研究中一直都給予我極大的關(guān)心和幫助。本課題能得以順利完成，也與導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)是分不開的。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、務(wù)實的工作作風(fēng)及高度的責(zé)任心，深深地影響并激勵著我，使我在理論和研究能力上得到長足進步。在此，向?qū)煴硎旧钌畹木匆夂椭孕牡母兄x 在研究課題的過程中，我還得到了許多老師無私的幫助，在此表示深深的感謝。 最后，向在我讀書期間所有關(guān)心和支持我的親人、老師、同學(xué)、朋友致以衷心的感謝和深深的祝福！參考文獻(xiàn)[1] 陸安定，陳渭. 電動機節(jié)能改造實用手冊[M]. 上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1994[2] [M].北京:中國電力出版社,2005.[3] 張自學(xué)，兆文清，王鋼. 國內(nèi)外新型抽油機[M].北京:石油工業(yè)出版社，1994 .[4] 劉洪智，[M].北京:石油工業(yè)出版社，1997.[5] 李玉生，王琪，[J].電源技術(shù)應(yīng)用，(11).[6] [J].2000,18.[7] 薄保中，[J].節(jié)能，2000,3.[8] 史玉升，電氣傳動[J].2001,2.[9] 許宏綱，[J].2002,3.[10] 王愛霞，朱傳琴，閏敬東，董明霞。電動機D–Y技術(shù)在抽油機上的應(yīng)用[J].電工技術(shù)雜志，2000,3[11] MicroProcessorbased AdaPtive Power Factor Correcter for 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