【正文】 兩個約束條件: （1）在一定負(fù)載下降低電壓運行時，必須使電動機(jī)繼續(xù)保持最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)。所以對于變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，不僅調(diào)壓范圍大，而且由于阻轉(zhuǎn)矩的下降，使得轉(zhuǎn)子電流也跟著下降，這就不會出現(xiàn)象恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載那樣轉(zhuǎn)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(diào)壓方法是可行的，節(jié)能效果也比恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載好得多。 綜上所述，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在重載方式下運行時，不允許電壓有較大變化，通常規(guī)定電壓的變化范圍為，而其在輕載方式下運行時，允許電壓有較大的變化，變化范圍視負(fù)載的情況而定。 利用式(328)進(jìn)行分析時，應(yīng)注意到:轉(zhuǎn)差率與調(diào)壓系數(shù)的平方成反比變化，但轉(zhuǎn)速的平方成正比，負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩只受運行方式(重載和輕載)、負(fù)載性質(zhì)(恒轉(zhuǎn)矩或變轉(zhuǎn)矩)的影響，兩者不能混淆。 由上式還可知，轉(zhuǎn)子電流與調(diào)壓系數(shù)成反比，與負(fù)載率成正比:轉(zhuǎn)差率則與電壓的平方成反比，與負(fù)載率成正比變化。任意負(fù)載時，電動機(jī)能穩(wěn)定運行的必要條件是使，即。這類負(fù)載一般有重載運行方式和輕載運行方式，對于這類負(fù)載中的運行電動機(jī)，當(dāng)其輕載運行時，即使供電電壓變化較大，轉(zhuǎn)速變化仍然是很小的，電動機(jī)總能保持穩(wěn)定運行。由上述分析可知，正常情況下電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是隨時隨地與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的，只要負(fù)載不超過額定值，電動機(jī)總能保持穩(wěn)定運行。 電壓變化對電磁轉(zhuǎn)矩的影響 異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電源電壓、頻率、極對數(shù)，及轉(zhuǎn)差有關(guān)，當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和頻率一定時，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比?？梢姡妱訖C(jī)在負(fù)載變化時的實際承載能力與負(fù)載率成反比，負(fù)載越小，承載能力越大，系統(tǒng)越能穩(wěn)定運行；負(fù)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(jī)運行的穩(wěn)定性將降低。為任意負(fù)載時電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之比，稱為任意負(fù)載時的最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，當(dāng)負(fù)載為額定值時； 為任意負(fù)載時阻轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，稱為電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩率。如果負(fù)載在小于額定值的范圍內(nèi)變化，且轉(zhuǎn)速為額定值時，電動機(jī)總能保持穩(wěn)定運行。如果此時負(fù)載增大，即，電動機(jī)的平衡被破壞，使得轉(zhuǎn)差率S增大，就會引起轉(zhuǎn)子電流增大，接著電磁轉(zhuǎn)矩也跟著增大，直至與負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到新的平衡。由于大于，有了一定的剩余轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)就能不斷加速至額定轉(zhuǎn)速，為了避免起動時間過長，導(dǎo)致起動電流過大使繞組發(fā)熱，要求電動機(jī)有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩，以縮短起動時間，減少發(fā)熱。知道了電動機(jī)的總損耗和效率后，就可以確定任意負(fù)載下的功率因數(shù)和無功功率的變化情況，其關(guān)系式為 (325) 其中，為定子電流，為額定線電壓。如果繼續(xù)增加負(fù)載，由于此導(dǎo)致功率因數(shù)又下降。在空載時，定子電流，相角最大，功率因數(shù)最低。為了建立磁場，電動機(jī)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(fù)載變化的，而轉(zhuǎn)子電流卻隨負(fù)載的增減而增減?？梢詮娜我庳?fù)載率下電動機(jī)的總損耗公式中直接推算出效率和負(fù)載率的關(guān)系式： (324) 負(fù)載率對功率因數(shù)的影響 功率因數(shù)是電動機(jī)的另一個性能指標(biāo)。 負(fù)載率對效率的影響及計算 電動機(jī)的效率一般是隨額定容量的增大而提高，相同容量電動機(jī)的效率則隨額定轉(zhuǎn)速的降低而降低。電動機(jī)在額定負(fù)載時的總損耗為: （320） 其中： 電動機(jī)的固定損耗 額定工況下定子和轉(zhuǎn)子的銅耗、 額定工況下電動機(jī)的可變損耗 空載時定子銅耗 定子銅耗中的可變部分 （321）式中，即為負(fù)載率。以及根據(jù)上述相應(yīng)的改變確定電動機(jī)的發(fā)熱、損耗、有功功率、無功功率、功率因數(shù)和轉(zhuǎn)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(jì)合理、對不同性質(zhì)的負(fù)載的效果及應(yīng)用范圍。下面將對這些影響進(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。但是這樣一來，也就完全改變了電動機(jī)的運行條件，使得電動機(jī)長期偏離額定值運行。也就是說，這個措施應(yīng)使電動機(jī)在負(fù)載變化的整個過程中，能滿足兩個條件:一是電動機(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)定運行，二是電動機(jī)的效率在整個負(fù)載變化過程中始終處于最佳狀態(tài)，保持電動機(jī)運行的經(jīng)濟(jì)性。這就是說，電動機(jī)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(jī)處于一種不經(jīng)濟(jì)的運行狀態(tài)，造成了電能損失，這當(dāng)然是不希望的。當(dāng)電壓、頻率在額定值時，隨著負(fù)載的減小，電動機(jī)的輸入功率、電磁轉(zhuǎn)矩也會隨之降低，而且對于任何類型的負(fù)載，電動機(jī)都能保持穩(wěn)定運行。 運行條件變化對電動機(jī)性能的影響電動機(jī)運行條件的變化，主要是指電源(電壓、頻率)和負(fù)載(負(fù)載的大小)的變化?？蛰d時，負(fù)載阻力矩幾乎為零，同時，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，調(diào)壓控制的約束條件將為轉(zhuǎn)差率的增加不能使電動機(jī)停運。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(zhuǎn)矩的變化，當(dāng)最大轉(zhuǎn)矩下降為低于負(fù)載額定轉(zhuǎn)矩時，電動機(jī)將停止轉(zhuǎn)動。此時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速將下降。因此，超過點，電動機(jī)就進(jìn)入不穩(wěn)定運行狀態(tài)，故最大轉(zhuǎn)矩也稱為停運轉(zhuǎn)矩。從圖中可以看到，電動機(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，2為非穩(wěn)定平衡點。當(dāng)電動機(jī)運行時，若負(fù)載短時突然增大，隨后又恢復(fù)正常，則只要總的制動轉(zhuǎn)矩不大于最大電磁轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)仍能穩(wěn)定運行，但若大于最大電磁轉(zhuǎn)矩，則電動機(jī)將停轉(zhuǎn)下來。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。 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式由上節(jié)可知: (313)旋轉(zhuǎn)體的機(jī)械功率等于作用在旋轉(zhuǎn)體上的轉(zhuǎn)矩與它的機(jī)械角速度的乘積。這樣，異步電動機(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。定、轉(zhuǎn)子銅耗則隨電流的平方關(guān)系而變化。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。%；而在小型異步電動機(jī)中，滿載時，可達(dá)額定輸出功率的1%～3%。附加損耗一般不易計算，往往根據(jù)經(jīng)驗估算。這部分等效損耗實際上是傳輸給電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的機(jī)械功率即: (39) 電動機(jī)在運行時，會產(chǎn)生軸承以及風(fēng)阻等摩擦阻轉(zhuǎn)矩，這也要損耗一部分功率，把這部分功率叫做機(jī)械損耗，用表示。由此可以得到三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的基本方程式為:0圖32 異步電動機(jī)矢量圖 (31) 令: (校正系數(shù))則有 (32) (33) 三相異步電動機(jī)的功率關(guān)系及損耗分析圖33 異步電動機(jī)的功率流程圖圖33為異步電動機(jī)的功率流程圖。 抽油機(jī)負(fù)荷的周期性變化，反應(yīng)在電動機(jī)上主要是電流功率因數(shù)的變化，因此上可以將電流或功率因數(shù)作為依據(jù)來對抽油機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制。 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，在在選配電動機(jī)功率時也要增加一些裕量，這進(jìn)一步加劇了“大馬拉小車”的現(xiàn)象。在選配電動機(jī)功率時為了不影響生產(chǎn)，一般按最大扭矩來選配電動機(jī)。 抽油機(jī)的負(fù)載特點決定了三相異步電動機(jī)驅(qū)動抽油機(jī)不可避免地會出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。因此，它一方面要求電動機(jī)具有較大的靜啟轉(zhuǎn)矩，克服靜磨擦力。 抽油機(jī)啟動時，抽油桿一般處于最低位置，所需啟動轉(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)矩相對較小。 當(dāng)出現(xiàn)負(fù)扭矩時，減速器主動輪將變?yōu)楸粍虞啞f0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。這表明，拖動抽油機(jī)的電機(jī)仍有部分時間工作在負(fù)功狀態(tài)。但是由于影響抽油機(jī)動載荷的因素較多，造成抽油機(jī)很難用自身平衡的辦法做到運轉(zhuǎn)平衡。為了解決這一問題，通常的辦法是給抽油機(jī)增加平衡重。下沖程時，抽油桿依靠自重就可下行，電動機(jī)處于發(fā)電運行狀態(tài)，因此，電動機(jī)在上、下沖程的載荷是很不均勻的。 其中，慣性載荷、振動載荷、摩擦力和原油的物性(如粘度)、抽油機(jī)的運動特性 (沖程和沖次)、油井井身結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，是一個變量，一般稱動載荷。 抽油桿柱和油柱運動所產(chǎn)生的振動載荷。 抽油機(jī)工作時，其驢頭懸點承受的載荷主要有: 抽油桿自重，油管內(nèi)、柱塞上的油柱重，油管內(nèi)外油柱對柱塞下端的壓力構(gòu)成的靜載荷。機(jī)械采油可分為有桿泵采油、無桿泵采油和氣舉采油。隨著開采時間的延長，油層自然能量逐漸衰竭，必須采用機(jī)械采油方式。軟件主程序由以下幾個模軟起動，A/D轉(zhuǎn)換，計算銅耗、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?？刂齐娐返南到y(tǒng)構(gòu)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(zhuǎn)換部分_，缺相保護(hù)部分，鍵盤部分，繼電器輸出部分，看門狗電路和電源部分。第六部分為電動機(jī)缺相保護(hù)部分。第四部分為IO接口裝置通訊部分。第二部分為節(jié)能裝置控制部分。由于抽油機(jī)負(fù)載的周期性變化特性，要使抽油機(jī)的電動機(jī)運行時損耗最小，效率最高，應(yīng)實時計算電動機(jī)的銅損耗和鐵損耗，通過比較調(diào)整電動機(jī)的輸入電壓，這便是本課題開發(fā)研制的新型抽油機(jī)用高效晶閘管節(jié)能裝置設(shè)計的理論依據(jù)。但銅損耗隨輸入電壓和負(fù)載率的變化而變化。PU0123UP1234ab圖14 電動機(jī)銅損耗、鐵損耗同輸入電壓及負(fù)載率變化的機(jī)械特性曲線 (a)電動機(jī)銅鐵損耗和總的損耗P輸入電壓U變化關(guān)系 (b)銅損耗和鐵損耗P負(fù)載率的不同與輸入電壓U變化曲線1電機(jī)總的功率損耗2鐵損耗3銅損1負(fù)載率90%的銅損耗曲線 2負(fù)載率70%的銅損耗曲線3負(fù)載率50%的銅損耗曲線4鐵損耗由圖14 (a)電動機(jī)銅損耗與鐵損耗和總的損耗同輸入電壓變化的曲線可知:當(dāng)銅損耗和鐵損耗相等時，電動機(jī)的總損耗最小。交流電動機(jī)中，除軸和殼體外，幾乎所有的質(zhì)量都是鐵和銅，這些銅和鐵在電動機(jī)進(jìn)行電磁能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換的運行過程中，也將部分電能轉(zhuǎn)化成熱能，從而導(dǎo)致了電動機(jī)的功率損失。：“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(jī)電動機(jī)可滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)外，絕大部分抽油機(jī)電動機(jī)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(jī)功率因數(shù)低，效率低，電能的浪費十分嚴(yán)重。三是啟動時具有軟啟動、運行時帶過載、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。綜觀國內(nèi)現(xiàn)用的抽油機(jī)電驅(qū)動裝置，可將其分為三種:一是直接起動、運行時帶過載和缺相保護(hù)，這種方法可防止在缺相和過載時燒壞電機(jī)，但沒有軟啟動功能，電機(jī)的起動電流大，運行時加到電機(jī)上的電壓為固定值，功率因數(shù)仍得不到提高。在油田實際測試，電能浪費嚴(yán)重。由于抽油機(jī)負(fù)載呈周期性變化，現(xiàn)運行的抽油機(jī)驅(qū)動電機(jī)幾乎全為大馬拉小車，負(fù)載率和效率都很低，統(tǒng)計結(jié)果表明最高效率不超過30%。在電動機(jī)節(jié)能控制器設(shè)計過程中，雖然選擇了較少的控制變量，但取得了較好的控制效果，同時也節(jié)約了用于測量的傳感器。 4。 ，對不同的電動機(jī)可以采用同樣的推理軟件，它可自動跟蹤負(fù)載變化，取得較好的節(jié)能效果。在電動機(jī)低速運行時，它采用PWM控制策略，應(yīng)用推理可以用最簡潔的方式處理定子電壓補(bǔ)償問題。但其主電路比后者要復(fù)雜一些?！?80V電壓過零檢測單片機(jī)信號控制光電隔離波形整形基極驅(qū)動電動機(jī)負(fù)載系統(tǒng)電動機(jī)調(diào)壓主電路緩沖電路保護(hù)電路電流檢測波形整形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，對慣性較大的負(fù)載，采用通斷控制方式可在保持輸出波形不失真的同時，模擬自然風(fēng)運行，節(jié)電約60%。與同類其他節(jié)能裝置相比，具有技術(shù)簡單、效率高的特點，且調(diào)壓控制器的成本可做得很低，其節(jié)能效率還可進(jìn)一步提高。這樣，加裝了節(jié)能控制器的電動機(jī)，不僅可以節(jié)約有功功率，也可以節(jié)約無功功率。實驗表明，在接近滿載的情況下，電動機(jī)的定子電壓仍可適當(dāng)降低。在固定負(fù)載下，定子電壓降低到一定程度后，定子電流不但不會降低，反而會逐步增大，這種情況一般是不允許的。在變頻節(jié)能控制中，可以充分利用當(dāng)今豐富的單片機(jī)資源優(yōu)勢，提高控制器的可靠性，降低開發(fā)成本。 節(jié)能控制分為調(diào)壓節(jié)能和變頻節(jié)能兩種。轉(zhuǎn)子繞組，輸入電能。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。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，即對軸上輸入轉(zhuǎn)速無任何特殊的要求。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。系統(tǒng)工作可靠，并具有明顯的節(jié)能效果，%。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?？筛鶕?jù)抽油機(jī)運行的載荷工況，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。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。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