【正文】 這樣可以最大限度地減少控制器的硬件成本。調(diào)頻節(jié)電控制器的觸發(fā)電路與調(diào)壓節(jié)能控制器的控制電路基本一樣，(如圖13所示)。在控制方式上，以保持電動(dòng)機(jī)氣隙磁通恒定為目標(biāo)，即在正常調(diào)節(jié)過(guò)程中，始終保持u/f基本不變，在調(diào)頻的同時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子電壓。 綜合節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)過(guò)程，并與傳統(tǒng)的節(jié)能控制方法相比較，不難發(fā)現(xiàn)模糊節(jié)能控制器具有以下顯著特點(diǎn): ，它甚至可以不考慮電動(dòng)機(jī)的詳盡運(yùn)行過(guò)程，基于幾條簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)即可開(kāi)始模糊節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程。 ，包容面大而廣，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力。節(jié)能控制器的輸入變量可多可少。 ，主要推理工作及PWM生成策略均由軟件實(shí)現(xiàn)。負(fù)載系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)電路波形整形A/D轉(zhuǎn)換微分推理單片機(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)調(diào)壓主電路緩沖電路電流檢測(cè)圖13 PWM控制器原理框圖保護(hù)整流濾波～380V 本文所做的主要工作 抽油機(jī)是我國(guó)石油行業(yè)的傳統(tǒng)設(shè)備，也是采油過(guò)程中的主要耗電設(shè)備，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)各油田現(xiàn)正在服役的抽油機(jī)共有十四萬(wàn)多臺(tái)，其用電量約占油田總用電量的80%左右。由于交流電機(jī)為感性負(fù)載，配置大，負(fù)荷小，負(fù)載滯后角較大，造成其功率因數(shù)十分低。因而開(kāi)展抽油機(jī)的節(jié)能研究，提高其效率和功率因數(shù)、對(duì)提高石油產(chǎn)量、降低石油開(kāi)采成本，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。二是應(yīng)用變頻調(diào)速裝置，該方案隨負(fù)載大小的不同，通過(guò)變頻而調(diào)節(jié)抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，具有較好的節(jié)能效果，但由于變頻器成本高，維護(hù)工作量大，且調(diào)速影響采油效率等因素而沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。這三種方案的性能價(jià)格比和節(jié)能效果都不是最理想的。 因此，在各油田進(jìn)行了廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)抽油機(jī)負(fù)載的特點(diǎn)和三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理，吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，研制了一種新型抽油機(jī)電機(jī)高效節(jié)能控制裝置，與以往的調(diào)壓與軟啟動(dòng)抽油機(jī)控制裝置相比，吸收了前述三種方案的優(yōu)點(diǎn)，按抽油機(jī)負(fù)載的周期性變化，通過(guò)單片機(jī)應(yīng)用C語(yǔ)言編程計(jì)算電機(jī)的銅損耗和鐵損耗，根據(jù)電機(jī)在銅損耗等于鐵損耗時(shí)總損耗最小的原理、借助于模糊控制理論，通過(guò)主電路中晶閘管的移相控制，調(diào)節(jié)加到抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子側(cè)的輸入電壓，保證運(yùn)行中電機(jī)的銅損耗與鐵損耗相等，降低抽油機(jī)的總損耗，提高其工作效率和功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。通常把由鐵介質(zhì)發(fā)熱導(dǎo)致的功率損耗稱(chēng)為‘鐵損耗’，銅介質(zhì)導(dǎo)致的損耗稱(chēng)為‘銅損耗’，圖14給出了電動(dòng)機(jī)銅損耗、鐵損耗同輸入電壓及負(fù)載率變化的特性曲線(xiàn)。又由圖14 (b)電動(dòng)機(jī)的銅損耗和鐵損耗與輸入電壓的變化曲線(xiàn)可知:電動(dòng)機(jī)的鐵損耗不隨負(fù)載率變化而變化。在輸入電壓不變時(shí)若負(fù)載變化，‘銅損耗=鐵損耗’的平衡就會(huì)被破壞。 節(jié)能裝置結(jié)構(gòu) 抽油機(jī)節(jié)能裝置的按功能可以劃分為六個(gè)部分:第一部分為功率控制電路部分。第三部分為U與I的相位檢測(cè)部分。第五部分為節(jié)能裝置內(nèi)部故障保護(hù)部分。 控制電路是整個(gè)抽油機(jī)用高效晶閘管節(jié)能裝置的核心，所有信號(hào)的輸入、輸出、檢測(cè)、計(jì)算、推理和控制都要經(jīng)過(guò)控制電路得以實(shí)現(xiàn)和完成。控制系統(tǒng)軟件以控制理論為基礎(chǔ)，采用C51語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，選用Keil uVision2為開(kāi)發(fā)環(huán)境塊構(gòu)成:初始化參數(shù)采用模塊化編程，設(shè)計(jì)軟件整體流程。第2章 抽油機(jī)的負(fù)載特性 油田在開(kāi)采初期，地層能量較高，有部分油井可以自噴。機(jī)械采油就是在地面通過(guò)機(jī)械設(shè)備把原油從油井中采出地面。而使用最為廣泛的就是游梁式抽油機(jī)，其原理是通過(guò)抽油機(jī)、抽油桿帶動(dòng)抽油泵作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將原油從數(shù)百至數(shù)千米的地下抽汲到地面上來(lái)。 抽油桿柱和油柱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性載荷。 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(guò)抽油泵游動(dòng)閥的液體摩擦力。 抽油機(jī)在上沖程時(shí)，驢頭懸點(diǎn)需提起抽油桿柱和油柱，電動(dòng)機(jī)對(duì)外作正功。而懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(yán)重地影響了四連桿機(jī)構(gòu)、減速箱和電動(dòng)機(jī)的壽命，也惡化了抽油桿的工作條件。如在抽油機(jī)的曲柄、游梁后端或同時(shí)在曲柄和游后端增加平衡塊，以其達(dá)到抽油機(jī)一抽油泵裝置的平衡運(yùn)轉(zhuǎn)。在油田現(xiàn)場(chǎng)，用電流法診斷抽油機(jī)是否平衡時(shí)，一般地認(rèn)為當(dāng)平衡率≥，即認(rèn)為抽油機(jī)達(dá)到了平衡。圖21是抽油機(jī)減速器凈扭矩曲線(xiàn)，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)。抽油機(jī)的工作頻率一般為6～12次/分，即工作周期為5～10秒。如負(fù)扭矩較大，將發(fā)生從動(dòng)輪沖擊主動(dòng)輪，影響減速器齒輪的壽命。抽油機(jī)啟動(dòng)后，抽油桿開(kāi)始上升，很快()就碰到了第一個(gè)最大阻力轉(zhuǎn)矩。另一方面，要求電機(jī)具有較大的平均啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以便使電機(jī)在第一個(gè)最大阻力轉(zhuǎn)矩到來(lái)之前，超過(guò)電機(jī)臨界(最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速)，使電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。 抽油機(jī)帶載啟動(dòng)，慣性矩較大。抽油機(jī)啟動(dòng)后，正常工作時(shí)的平均轉(zhuǎn)矩與最大扭矩相比要低1/3,所以電動(dòng)機(jī)輸入功率僅為額定功率的1/3，不可避免出現(xiàn)“大馬拉小車(chē)”的局面。 根據(jù)油田生產(chǎn)測(cè)試，抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的平均負(fù)荷率一般在20%左右，少數(shù)負(fù)荷率高的也僅為30%，電動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，造成了效率低，功率因數(shù)低，能耗高的狀況。第3章 三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性分析 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的三相異步電動(dòng)機(jī)三相異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的單相等效電路如圖31所示:圖31 異步電動(dòng)機(jī)等效電路圖圖中: 、為定子繞組電阻、漏抗和電流、為轉(zhuǎn)子繞組電阻、漏抗和電流、為勵(lì)磁電阻、電抗和勵(lì)磁電流為附加電阻其矢量圖如圖32所示。其中 為從電源輸入的有功功率 （34） 為定子銅耗 ( 35 ) 正常運(yùn)行情況下的三相異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)于鐵損耗很小，可以忽略不計(jì)，因此，電動(dòng)機(jī)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(guò)空氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子方面的電磁功率PM等于轉(zhuǎn)子回路全部電阻上的損耗，即: ( 37 )轉(zhuǎn)子銅耗為 (38)電磁功率減去轉(zhuǎn)子繞組中的銅耗就是等效繞組上的損耗。在異步電動(dòng)機(jī)中，除了上述各種損耗外，由于定、轉(zhuǎn)子開(kāi)槽和定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)中含有諧波磁動(dòng)勢(shì)，還要產(chǎn)生一些附加損耗。在大型異步電動(dòng)機(jī)中，附加損耗凡。在任意負(fù)載時(shí)，按定子電流與額定電流比值的平方成正比折算。綜上所述，可得功率關(guān)系式如下:輸入功率=定子銅耗+定子鐵耗+傳給轉(zhuǎn)子的功率，即: (310)傳給轉(zhuǎn)子的功率(電磁功率)=轉(zhuǎn)子銅耗+機(jī)械功率，即: (311)機(jī)械功率=機(jī)械損耗+附加損耗+輸出功率，即: (312)由以上分析可見(jiàn)，異步電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，由于其轉(zhuǎn)速和主磁通近似不變，導(dǎo)致機(jī)械損耗和定子鐵耗也近似不變，故稱(chēng)機(jī)械損耗和定子鐵耗為不變損耗。附加損耗在任意負(fù)載時(shí)也按定子電流與額定電流比值的平方成正比折算。通過(guò)調(diào)壓，可以達(dá)到減小定、轉(zhuǎn)子銅耗和附加損耗的目的。在異步電動(dòng)機(jī)中，機(jī)械功率就是電磁轉(zhuǎn)矩乘以轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度，所以 (314)又因?yàn)? (315)所以: (316)式中，為轉(zhuǎn)矩因數(shù)，是氣隙每極磁通量，是轉(zhuǎn)子繞組的相數(shù)，是轉(zhuǎn)子繞組每相的匝數(shù)，是轉(zhuǎn)子繞組的基波繞組因數(shù)。對(duì)式(310)，應(yīng)用函數(shù)取極值的必要條件，當(dāng)時(shí)，最大電磁轉(zhuǎn)矩為: (318) ～，進(jìn)一步推導(dǎo)可以知道任意轉(zhuǎn)差率時(shí)的轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩之比為: (319) 最大電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)具有重要意義。由此可見(jiàn)，最大電磁轉(zhuǎn)矩愈大，電動(dòng)機(jī)的短時(shí)過(guò)載能力愈強(qiáng)，因此把電動(dòng)機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩與額定 電磁轉(zhuǎn)矩之比稱(chēng)為電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，用過(guò)載系數(shù)表示，即 (322)如圖34所示的異步電動(dòng)機(jī)曲線(xiàn)中，為負(fù)載阻力矩。即當(dāng)負(fù)載阻力矩為轉(zhuǎn)差率為時(shí)為穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)負(fù)載阻力矩為轉(zhuǎn)差率為時(shí)為非穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，為穩(wěn)定運(yùn)行和不穩(wěn)定運(yùn)行兩種狀態(tài)的臨界點(diǎn)。120圖34 異步電動(dòng)機(jī)曲線(xiàn) 從以上有關(guān)公式可以得出下面的近似結(jié)論：滿(mǎn)載時(shí)，當(dāng)外加電壓降低X倍時(shí)，為保證輸出轉(zhuǎn)矩不變，轉(zhuǎn)差率必須隨之增加X(jué)的平方倍。而同時(shí)，轉(zhuǎn)子電流也必須增加X(jué)倍以保證輸出轉(zhuǎn)矩的不變。因此，電動(dòng)機(jī)調(diào)壓控制的約束條件為最低電壓時(shí)電動(dòng)機(jī)的最大電動(dòng)轉(zhuǎn)矩不低于負(fù)載額定轉(zhuǎn)矩。從圖34的曲線(xiàn)可以看到，當(dāng)負(fù)載阻力矩接近零時(shí)，其轉(zhuǎn)差率接近于零，而此時(shí)的轉(zhuǎn)差率與最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率則相距較遠(yuǎn)，調(diào)壓范圍較大。電動(dòng)機(jī)在額定工況附近運(yùn)行時(shí)具有最好的經(jīng)濟(jì)性，但在實(shí)際運(yùn)行中，電動(dòng)機(jī)不可能始終保持額定條件運(yùn)行，因?yàn)樨?fù)載總是不斷變化的，運(yùn)行條件也會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化，從而影響到電動(dòng)機(jī)的效率。但是電動(dòng)機(jī)的效率不會(huì)因此而保持不變，相反，會(huì)隨著負(fù)載的減小而降低，而且在負(fù)載減小到一定程度后，效率會(huì)有大幅度的下降。這就需要采取一些措施，希望在負(fù)載變化的同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸入功率和各種損耗都能隨負(fù)載的減小而盡可能地成比例降低，同時(shí)，保持電動(dòng)機(jī)繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。 在電動(dòng)機(jī)的節(jié)能技術(shù)中，主要是采用隨負(fù)載變化的同時(shí)改變電動(dòng)機(jī)的定子端電壓、定子頻率或定、轉(zhuǎn)子間的轉(zhuǎn)差等方法來(lái)達(dá)到既降低能耗又滿(mǎn)足上述條件的目的。而偏離額定值，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)負(fù)載特性的基本參數(shù):電勢(shì)、磁通、磁化電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)差、轉(zhuǎn)速、定、轉(zhuǎn)子的電流及相位等一系列的變化，而且這些變化對(duì)不同性質(zhì)的負(fù)載具有不同的影響。本節(jié)將著重分析運(yùn)行條件的變化對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的影響，說(shuō)明如何改變運(yùn)行條件，使得電動(dòng)機(jī)節(jié)能和允許改變條件的程度。 負(fù)載變化對(duì)損耗、效率、功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩的影響 在額定電壓和額定頻率時(shí)，電動(dòng)機(jī)負(fù)載的變化會(huì)引起電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率、定子電流、轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)矩相應(yīng)的變化，這一變化必然又會(huì)引起電動(dòng)機(jī)損耗、效率和功率因數(shù)的變化，而勵(lì)磁電流實(shí)際上可認(rèn)為與負(fù)載無(wú)關(guān)。同樣： (322)所以可變損耗可以寫(xiě)為: (323) 即可變損耗與負(fù)載率的平方成正比。當(dāng)容量和轉(zhuǎn)速不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的效率將隨負(fù)載率的變化而變化。從異步電動(dòng)機(jī)的等效電路圖可知:對(duì)于電源來(lái)說(shuō)，異步電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于一個(gè)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(dāng)負(fù)載變小時(shí)，轉(zhuǎn)子電流就會(huì)相應(yīng)減小，于是定子電流與電源電壓間的相角就變大，功率因數(shù)就降低。當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，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(dāng)接近額定負(fù)載時(shí)，最大。所以電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)的高低還與空載電流和額定電流之比有關(guān)。 負(fù)載率與電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差率的關(guān)系電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，并拖動(dòng)機(jī)械設(shè)備一起轉(zhuǎn)動(dòng)，其工作過(guò)程是：在正常方式下，當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩首先必須大于負(fù)載的機(jī)械阻轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)才能順利起動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載的機(jī)械阻轉(zhuǎn)矩相平衡，即，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩再繼續(xù)增大，且超過(guò)電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)就會(huì)因不能承載而不斷減速，直至停轉(zhuǎn)，或者由于轉(zhuǎn)子電流增大到超過(guò)允許值，使轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱而燒壞。根據(jù)推導(dǎo)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載率的關(guān)系可寫(xiě)為： （326）式中，為電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比。當(dāng)轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)速變化很小時(shí)，轉(zhuǎn)矩率在數(shù)值上等于負(fù)載率。 同理，可求得在額定轉(zhuǎn)差率附近轉(zhuǎn)差率與負(fù)載率得關(guān)系為: (327) 即轉(zhuǎn)差率與負(fù)載率成正比，當(dāng)負(fù)載小于額定值變化時(shí)，轉(zhuǎn)差率在0～之間變化 當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，是否允許電壓同時(shí)降低，允許降低電壓的范圍以及降低電壓運(yùn)行對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響。當(dāng)電壓降低時(shí)，轉(zhuǎn)矩將以平方倍下降。但如果在負(fù)載變化的同時(shí)，也改變電源電壓，電動(dòng)機(jī)是否能繼續(xù)保持穩(wěn)定運(yùn)行呢?下面將對(duì)兩類(lèi)不同性質(zhì)的負(fù)載進(jìn)行分析： （１）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 如切削車(chē)床、傳送運(yùn)輸機(jī)械和本文緒論中提到過(guò)的游梁式抽油機(jī)中的起重電動(dòng)機(jī)等，其阻轉(zhuǎn)矩為常數(shù)。而在重載時(shí)，如果電壓降低，轉(zhuǎn)速就會(huì)很快下降，使電動(dòng)機(jī)失去穩(wěn)定，直至停轉(zhuǎn)，降低電壓節(jié)能的措施是否可行，、電壓、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系，列出以下關(guān)系式： 　　　　　　 （328） 由上式可知，電動(dòng)機(jī)可承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不僅與電壓的平方成正比，與負(fù)載率成反比，而且還與電動(dòng)機(jī)本身的承載能力有關(guān)。因此當(dāng)負(fù)載率一定時(shí)，如越大，電壓允許調(diào)節(jié)的范圍也就越大，式中，為調(diào)壓系數(shù)。利用式(328)可以方便地分析出不同性質(zhì)的負(fù)載在不同運(yùn)行方式下受電壓變化的影響。另外，對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，轉(zhuǎn)差率只允許在0～的范圍內(nèi)變動(dòng)才穩(wěn)定，在此范圍內(nèi)改變電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速的變化是很小的，一般電壓降低10%，轉(zhuǎn)速只降低1%左右。 （2）變轉(zhuǎn)矩負(fù)載 當(dāng)電壓降低時(shí)，轉(zhuǎn)差S升高，轉(zhuǎn)速將隨之有一定程度的降低，同時(shí)阻轉(zhuǎn)矩也跟著降低，～的線(xiàn)性工作段可以穩(wěn)定工作，而且在TS曲線(xiàn)的下降段也能穩(wěn)定工作。 隨負(fù)載變化允許調(diào)壓的范圍 由上分析可見(jiàn)，隨負(fù)載變化調(diào)壓只適用于變轉(zhuǎn)矩負(fù)載和恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的輕載狀況。 （2）轉(zhuǎn)子電流不應(yīng)超過(guò)額定值。電壓變化對(duì)電動(dòng)機(jī)功率、效率和功率因數(shù)的影響前面從不使電動(dòng)機(jī)失去穩(wěn)定和不使轉(zhuǎn)子發(fā)熱的角度，也就是從安全的角度出發(fā)，分析了負(fù)載變化時(shí)，允許調(diào)壓的范圍。 由前面的分析可知： （329） （330） （331）可見(jiàn)，影響電動(dòng)機(jī)輸入功率、效率和功率因數(shù)的主要原因是電動(dòng)機(jī)的輸出功率和電動(dòng)機(jī)本身的損耗，那么電壓的變化對(duì)這三者有什么影響呢?簡(jiǎn)析如下:（1）電壓變化對(duì)輸出功率的影響由前分析可知，對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，無(wú)論是在重載還是在輕載狀況下，電動(dòng)機(jī)的輸出功率常數(shù)，基本不變。由于電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)也能保持穩(wěn)定運(yùn)行，因此，允許的電壓、轉(zhuǎn)差率和相應(yīng)的轉(zhuǎn)速的變化范圍