电动机节能技术的研究

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1、本科生毕业设计（论文）摘要根据测量，油田用抽油机大部分时间在空抽、电机均在轻载状态下运行，电机效率和功率因数都比较低，造成大量电能浪费。为此，依据铜耗等于铁耗时，电动机效率、功率因数最高，最省电原理，设计一种抽油机电机自动控制的节能装置。采用电动机调压装置，基于模糊控制理论，通过主电路中晶闸管的移相控制调节抽油机电机端电压，进行实时控制。在满足抽油机正常运转的前提下，使电动机工作在铜耗等于铁耗的状态下，提高抽油机电动机的工作效率和功率因数，达到节能降耗的目的。该装置在抽油机的整个工作周期中，不改变电动机的转速，不影响抽油机的采油效率;具有软启动、缺相、过载保护等功能。是油田采油生产中较为理想的

2、电动机控制装置，具有广泛的推广使用价值。关键词:抽油机;电动机;节能;单片机;铜耗;铁耗44ABSTRACT According to statistics,pomping unit in oilfields are working at empty situation with motor running under light load，so make the motor efficiency and power factor too lower,cause a large amount of electric energy wasting.With Fuzzy control theor

3、y and adopting the working voltage of motor the line voltage of pump units motor is a regulated by real time phaseshift control.While meeting the usual running,the working efficiency and power factor are improved，so as to save the electric energy. Moreover, the device will not chang the rotational s

4、peed of the motor, during the whole work period of pumping the oil，and do not influent the petroleum production efficiency of the oil pumping machine.The device has the functions of starting softly、lacking phase,overload protection and so on.It is the ideal device of motor controling in the oil fiel

5、d，and has the extensive using value.Keywords:Oil pumping rnachine; Motor; Energy-conservatxan; singlechip microcomputer Copper Losses;Iron Losse目 录第1章 前言11.1 课题来源11.2 异步电动机的节能措施11.3 国内外抽油机电动机节能技术发展综述21.4 本文所做的主要工作71.4.1基本思路：“铜耗=铁耗”81.4.2节能装置结构91.4.3控制回路设计91.4.4控制系统软件的设计10第2章 抽油机的负载特性11第3章 三相异步电动机运行特

6、性分析133.1 稳定运行时的三相异步电动机133.1.1等效电路及矢量图133.1.2 三相异步电动机的功率关系及损耗分析153.1.3 异步电动机的转矩表达式163.2 运行条件变化对电动机性能的影响183.2.1 负载变化对损耗、效率、功率因数和转矩的影响193.2.2电压变化对电动机性能的形响21第4章 系统硬件设计254.1 概述254.2 抽油机节能装置主电路254.3 功率控制电路274.4节能装置控制部分294.5采样与检测304.5.1电压、电流采样304.5.2 与的相位角检测324.6 IO接口334.7 无功功率补偿344.8 节能装置保护部分354.8.1 外部线路断

7、相保护364.8.2 功率控制元件故障保护364.8.3 电机缺相保护364.8.4电机短路和过流保护37第5章 控制系统软件设计38第6章 结论44致谢45参考文献46第1章 前言1.1 课题来源 能源是人类文明的基石，人类从远古时代开始就按照自己的要求使用能源，创造出灿烂的文明和文化。我国能源发展战略的总方针是“坚持开发与节约并重，把节约放在首位”，1998年1月1日中华人民共和国节约能源法的颁布和实施标志着我国的节能工作逐步走上了法制化的轨道。 据不完全统计，在实际使用中，约有65%的电动机装置经常在轻载或空载状况下工作，即存在所谓的“大马拉小车”现象。尤其在我国石油企业中普遍使用的用来

8、驱动有杆采油泵的游梁式抽油机电动机，其所采用的驱动电动机绝大部分为鼠笼式异步电动机，工作时承受周期性变化的负荷，平均负荷率一般为30%以下，有的甚至更低。负载的变化周期在5 -20秒内不等。考虑到启动负荷及复杂地质情况等因素的影响，大部分游梁式抽油机选用的驱动电动机的额定功率是工作周期输出功率的23倍左右。以延长油田本部为例:2005年有游梁式抽油机18000余台，年耗电约3.4亿kWh，具有很大的节能降耗潜力。类似这种异步电动机负载率低、效率不高、电能浪费的现象在我国工业生产中很普遍，因此，对其进行节能研究是十分必要的。 随着电力电子技术、微电子技术、控制技术以及其他方面诸如电机制造工艺的发

9、展，电动机的节能调速运行控制装置越来越多，呈百花齐放趋势。 目前在用的各种电动机控制装置大部分是通过时序控制来达到节能目的，也有使用变频调速装置的，但变频调速成本太高，维护较为困难，不适应油田实际。因此研制一种集各种节能控制装置优点，又从根本上解决抽油机电动机节能控制问题的装置是油田电力管理中的一个难点。1.2 异步电动机的节能措施 在电动机应用方面的节能技术，虽然根据电动机的种类、用途或系统等有各种各样的方法，但在作为现代企业动力源所使用的范围内，有下列几个方面: (1)用高效系列电动机取代一般的高耗能电动机。但这种电动机造价较高，而且经济效果极大地取决于负载的情况，即对于长期工作于接近额定

10、负载(o%以上)连续运行的应用场合，其节能效果达到最佳。 (2)采用功率因数控制器(即异步电动机节电器)和制动器。 (3)电动机的调速节能。 1).高性能交流电动机变频调速器。采用微机控制的大功率管逆变技术，利用交直交方式，用于交流异步电动机的调速，节能效果可高达55%以上。 2).转子串电阻调速。(4)对老式高耗能异步电动机进行节能改造。(5)发展永磁电动机。(6)合理选择异步电动机。1).选用节能型的电动机，如Y型，YX型等。2).选择合适的输出功率。电动机的容量选择一定要使其最低负载率在0.4以上，当电动机的负载率在0.751时，其功率因数和效率最高，因而一定要防止“大马拉小车”现象发生

11、，减少无功消耗。 3).选择合适类型的电动机。 4).选择合适的配电电压。(7)加强运行管理。 1).对于轻载运行的电动机可采取降压运行。 2).对于大多数存在周期性空载运行(约占全部工作时间的50%-60%)的电动机，安装空载自动断电装置，减少空载损失(空载时无功功率为额定负载时无功功率的60%-70%)，提高功率因数。 3).对于不同容量的电动机，根据损耗种类采用不同的降损措施。 4).小型鼠笼式异步电动机宜采用直接启动方式。1.3 国内外抽油机电动机节能技术发展综述 在机械采油井中应用最广泛的是游梁式抽油机，具有结构简单，工作可靠，制造容易等优点，但是耗能高，效率低，冲程和冲次调节不方便

12、，所以实际运行中大都处于不平衡状态，上下冲程负荷相差较大.在工程设计中，为了使抽油机顺利启动，按抽油机的最大负荷来选配驱动电动机，并留有一定裕量，而抽油机的平均转矩一般只为最大转矩的三分之一，因而拖动抽油机的电动机的负荷率也大约为30%，从而形成了“大马拉小车”的现象。 近年来，国内各油田陆续采用了各种节能方法，取得了不少成果，其中比较成功的是高转差电动机。但高转差电动机从节能的角度看是不利的，不仅使转差损耗增大，也使过渡过程损耗增加。 西安石油学院薄保中、米春亭、杨新海、江秀汉等基于以往的研究工作提出了抽油机由异步电动机驱动改为同步电动机驱动的设想，同步电动机选用的是具有自启动能力的稀土永磁

13、同步电动机。稀土永磁电动机是采用永久磁体代替励磁绕组来激磁的电动机。其节能原理在于:同步电动机稳定运行在同步转速，与异步电动机相比没有转差损耗;使用稀土永磁材料激磁，提高了功率因数，定子电流减小，铜损降低，提高了电动机效率。 从现场试验和用户反应来看，稀土永磁同步电动机还存在以下问题: 1、电压过低时启动困难。 2、在电压高于440V时功率因数下降较快，消耗无功功率比异步电动机多。 3、维修困难，不适应油田野外复杂的工况条件。黑龙江八一农垦大学工程学院研制的单片机控制三相异步电动机节能保护器主要是利用电动机Y/转换。三相异步电动机Y/转换节能器，由于其结构简单、成本低，是一种适合我国国情的电动

14、机节能控制器。但传统电动机Y/转换节能器的控制电路采用分立元件或集成电路设计，控制转换电路转换精度不高，转换参数无法修改，这样就造成电动机在Y/转换点附近发生频繁转换的现象，即临界震荡。从而使接触器的寿命大为缩短，并且造成电动机功率明显下降。单片机控制的三相异步电动机Y/转换节能器可对电动机的Y和Y转换的临界负载电流值分别进行设定，并可加入一定的回差值，从而解决了接触器频繁转换的问题，同时该节能器还具有/Y降压启动和电动机的断相、过载等保护功能，对于变载工作的电动机可取得较好的节能效果，并保护电动机的安全。三相异步电动机的损耗主要由铁损和铜损两部分构成，铁损正比于电动机端电压的平方，电动机Y/

15、转换节能的实质是降低电动机的端电压。电机由接法改为Y接法时，定子电压下降为接法时的，同时电动机轴输出功率下降为接法时的，铁损也降为接法时的，此时如果电动机定子电流减小或增加不多，则电动机处于节能运行状态。而当定子电流增加到临界负载率对应电流值时，如此时电动机仍为Y接，则电动机非但不节能反而浪费电能，因此此时电动机应转为接。电动机定子电流主要是由电动机轴输出功率即电动机负载功率决定的。对应于这一定子电流的负载率称为临界负载率。临界负载率和定子电流间的关系为: (1-1)式中 一定子线电流一电机额定电流一空载励磁电流一临界负载率 由上式可知，只要测得电动机定子电流就可以算出电动机的临界负载率，从而使电动机自动运行于Y接或接状态而节约电能。 华中理工大学的史玉升和梁书云提出了一种三相异步电动机的节能与安全监控方法。利用计算机通过一定的算法控制双向晶闸管的通断比，使电动机输出功率与负载匹配，达到降耗、节能的目的。由于采用了单片机控制，所以系统具有良好的“柔性“和性能价格比，基于这种技术的节能系统适合于经常工作于空载或轻载的电动机变负载工况下。