毕业设计（论文）-抽油机电动机晶闸管调压节能控制系统设计.docVIP

抽油机电动机晶闸管调压节能控制系统设计 学生专业：电气工程及其自动化 学生姓名： 罗志杰 导师姓名： 王笃亭 i 摘 要 抽油机电动机起动转矩很大，但是电动机运行过程中多处于轻载状态， 电能浪费比较严重，所以研究抽油机电动机节能具有重要意义。电动机处于轻 载运行状态时，调节输入端电压使其在能安全带动负载的前提下，自身损耗尽 可能小，达到节能的目的。 通过查阅文献对当前国内外常用的节能方法进行分析并对其优缺点逐一比 较，在选定降压节能方法后对降压节能运行给予了理论分析与论证，可知定子 电压降低，功率因数和效率都将得到改善。通过 matlab 仿真和电动机实验对 降压节能方案进行验证，为系统设计提供了依据。 本文还进行了抽油机电动机调压节能系统的软、硬件设计。系统的硬件设 计包括晶闸管调压主电路设计和以 pic16c74 单片机为核心的控制电路的设计。 针对非同步投入带来的危害，设计了相位检测电路。根据仿真实验得到的控制 规律和提出的双反馈控制原理进行了系统的软件设计。 关键词：抽油机 节能 晶闸管 单片机 ii abstract the start torque of oil-pumping units motor is very large, the motor always moves with low load. this run status results in the energy waste. it makes sense to research the energy saving of oil-pumping units motor. when motor light-load state，regulating the input voltage and when the motors run with it，their power loss will be decreased as much as possible while they can burden their load safely. so the purpose of energy saving. through is achieved consulting a lot of literature, introduced the general energy saving ways and analyses their merits and defects. after choosing the ways of regulating voltage, the paper analyses the run of the motors under lower voltage. it gets the result that the voltage fall will improve the power factor and efficiency. the paper makes the simulation and motor experiment and adjusts the regulation rules. at last, the paper makes the systems design of software and hardware. the hardware design includes the scr voltage regulating main circuit and the control circuit whose core is the pic16c74 micro-controller. in order to keep the in-phase of the lines, it designs the phase detection circuit. on the basis of introduction of the control rules, the paper makes the software design. key word: oil-pumping uni saving energy thyristor mcu iii 目 录 摘 要 i abstract.ii 第 1 章 绪论 .1 1.1 课题的背景及意义 1 1.2 目前所存在的问题 1 1.3 目前发展情况及节能技术 2 1.3.1 抽油机常用节能技术 .2 1.3.2 抽油机今后的发展方向 .4 第 2 章 抽油机电动机综述 .5 2.1 目前抽油机的种类及应用 5 2.1.1 游梁式抽油机 .5 2.1.2 无游梁式抽油机 .6 2.2 抽油机的工作原理及分析 8 2.3 抽油机电动机的调压节能 .11 2.4 本章小结 .14 第 3 章 抽油机电动机晶闸管节能的仿真与实验 15 3.1 调压节能系统的仿真分析 .15 3.2 仿真模型的建立 .15 3.3 仿真结果的分析 .18 3.4 电动机调压节能实验 .21 3.5 本章小结 .22 第 4 章 节能控制系统的设计 23 4.1 节能系统主回路的设计 .23 4.1.1 主回路结构 .23 iv 4.1.2 晶闸管的阻容吸收电路设计 .26 4.1.3 晶闸管过电流保护 .28 4.1.4 无功补偿设计 .28 4.1.5 操作电路设计 .29 4.2 相位检测与同相投入 .30 4.2.1 同步投入原理 .30 4.2.2 相位检测与同步的实现 .31 4.3 节能系统控制电路的设计 .34 4.3.1 方案设计 .34 4.3.2 电流检测电路设计 .35 4.3.3 输出电路设计 .36 4.3.4 数字显示电路的设计 .37 4.4 节能控制系统软件设计 .39 4.4.1 软件设计规律的确定 .39 4.4.2 控制器的软件设计 .41 4.5 本章小结 .45 结 论 .47 致 谢 .48 参考文献 .49 附录 1 50 附录 2 51 v contents abstract(chinese).i abstractii chapter 1introduction 1 1.1the topic background and the significance 1 1.2current problems1 1.3the present situation and development of energy saving technology .2 1.3.1pumping unit energy-saving technologies used.2 1.3.2pumping machines the development direction henceforth4 chapter 2 summary motor of pumping unit 5 2.1the oil pump machine types and applications.5 2.1.1beam type oil pumping machine.5 2.1.2without walking beam type oil pumping machine6 2.2oil pumping machine working principle and analysis.8 2.3pumping motor voltage energy saving.11 2.4the chapter summary.14 chapter 3 pumping unit motor thyristor energy saving simulation and experiment15 3.1simulation analysis of the regulator of energy saving system.15 3.2simulation model.15 3.3the simulation results of the analysis18 3.4motor voltage regulating and energy saving of experiment 21 3.5the chapter summary.22 chapter 4 energy-saving control system design.23 4.1energy-saving system main circuit design.23 vi 4.1.1 main circuit structure 23 4.1.2thyristor capacitance resistance absorption circuit design26 4.1.3thyristor over-current protection.28 4.1.4reactive power compensation design28 4.1.5operating circuit design.29 4.2phase detection and noninverting input .30 4.2.1synchronization input principle.30 4.2.2phase detection and synchronization.31 4.3energy saving control system circuit design34 4.3.1scheme design .34 4.3.2circuit design of current detection.35 4.3.3the output circuit design .36 4.3.4digital display circuit design.37 4.4energy saving control system software design39 4.4.1software design to determine the law39 4.4.2controller software design.41 4.5the chapter summary.45 conclusion.47 acknowledgement.48 references49 appendix 1.50 appendix 2.51 1 第一章 绪论 1.1 课题的背景及意义 我国的油田多为低渗透的低能、低产油田，不像中东的油田那样有很强的 自喷能力，大部分油田要靠注水来压油入井，再靠抽油机把油从地层中提升上 来。以水换油，以电换油是目前我国油田的现实，电费在我国的石油开采成本 中占了相当大的比例。所以，石油行业十分重视节约电能。 油田的主要生产设备是抽油机，它将石油从地底提升到地面上来，从而完 成采油任务，抽油机电动机用电量占油田总用电量的比例很大。 目前我国抽 油机的保守量在 10 万台以上，电动机装机总容量在 3500mw，每年耗电量逾 百亿 kwh。抽油机的运行效率特别低，在我国平均效率为 25.96%，国外平 均水平为 30.05%，年节能潜力可达几十亿 kwh。除了抽油机之外，油田还 有大量的注水泵、输油泵和潜油泵等设备，总耗电量超过油田总用电量的 80%， 可见，石油行业也是推广“电机系统节能”的重点行业。 随着单片机集成度的不断提高，运算速度的不断加快，成本的不断降低， 计算机应用技术得到了广泛使用，而半导体功率器件性能不断完善、发展，性 价比不断提高，大范围推广先进的节能技术的硬件条件已经具备。近年来我国 油田采油厂自动化水平在不断提高，特别是西部油田和一些新建的采油区块， 应用了许多高新技术，基于电力电子技术的抽油机节能控制系统已具备了应用 的条件。所以课题研究有重要学术意义和实用价值。 1.2 目前所存在的问题 在抽油机的各种类型中，游梁式抽油机又占主要的地位，它是油田使用最 广泛的一种举升设备，约占油田人工举升设备的95%。游梁式抽油机 有 2 杆抽油泵全系统的总效率在国内一般地区平均只有1223，先进地区至今 也不到30。美国的常规型抽油机系统效率较高，但也仅有46。系统效率低 下，能耗大，耗电就多，因此，节能成为有杆抽油系统的一个亟需解决的问题。 此外，随着老油田油井的注水开发，油田已经开始进入高含水采油期。不断提 高产液量，这是注水开采油田保证原油稳产的必要趋势。这种开采特点要求抽 油机的冲程越长越好，使得在役的常规型游梁式抽油机机型偏小，在一定程度 上已经不能满足:长冲程、低冲次,生产的要求。抽油机的拖动装置绝大部分是 异步电动机，其中交流鼠笼型异步电动机结构简单、坚固、惯量小、运行可靠、 维修少、制造成本低及可应用十恶劣工作环境等优点，使其作为油梁式抽油机 动力驱动装置，得到了广泛的应用。在与游梁式抽油机配套的鼠笼型异步电机 的使用中，由于起动力矩很大，导致异步电机在许多场合都处于不满负载的状 态下工作，从而引起抽油机电机负载率低，功率因数低，浪费电能严重的问题。 1.3 目前发展情况及节能技术 1.3.1 抽油机常用节能技术 1改进抽油机的结构 这种方法主要是通过对抽油机四杆机构的优化设计和改变抽油机平衡方式 来改变抽油机曲柄轴净扭矩曲线的形状和大小，减小负扭矩，使扭矩波动平缓， 从而减小抽油机的周期载荷系数，提高电动机的工作效率，达到节能的目的。 例：美国cmi公司研究开发torqmaser 异相型抽油机，其最大扭矩减小 60，节电l535美国 lufilin 公司开发的mark-型前置式抽油机，平 均节电36.8；自20世纪80年代中后期我国油田使用最多的节能型抽油机是偏 置式节能抽油机，该机系统效率提高3.68，单耗下降14.87；1991年由华北 油田采油一厂开发的双驴头节能抽油机与常规机相比，该机的系统效率提高了 3 8.22，单耗下降24.5。 2采用节能驱动设备 这种方法是从研究电机的特性入手，研究开发新型的电动机，使之与采油 井井况相匹配，进而达到提高电动机的效率和功率因数的目的，即采用高转差 率电动机(转差率813)和超高转差率电动机代替常规转差率电动机(转差 率小于5)。美国 baldor 电器公司生产的高转差率电动机驱动抽油机可提高 功率因数74，节电22.7；在国内，超高转差率电动机有功节电率为 10.56，综合节电率为17.42；还有采用同步电机、变频器等，但因造价高， 难以推广；另外，还有采用节能配电箱来实现节电的。 3采用节能控制装置 如dsc系列抽油机多功能程控装置、间抽定时控制装置。 4采用节能元部件 如窄v型带传动和同步带传动等。 5改进平衡方式 如采用气动平衡或天平平衡等。 6改进“三抽”系统部件 有采用抽油杆导向器、空心抽油杆，减振式悬绳器等部件，都可提高三抽 系统的工作效率，达到节能的目的。 7采用高效节能泵 提高泵效，即降低了百米吨耗，实现节能。近年来抽油机节能技术研究已 成为科技攻关的方向。以上方法都已经取得了显著的节能效果，有的在原有抽 油机的基础上加以改造，简单易行，改造费用低，但是不能从根本上解决抽油 机的工作工况，使之与电动机的工作特性相匹配；有的改变了电动机的工作特 性，使之与抽油机的工作工况相匹配，提高了电动机的工作效率和功率因数， 达到了节能的目的，但是改造费用太高，不利于大范围的推广。 4 1.3.2 抽油机今后的发展方向 1朝着大型化方向发展 随着世界油气资源的不断开发，开采油层深度逐年增加，石油含水量也不 断增加，采用大泵提液采油工艺和开采稠油等，都要求采用大型抽油机。所以， 近年来国外出现了许多大载荷抽油机，如法国 mape公司抽油机最大冲 10m,wgco公司抽油机最大冲程24.38m。 2朝着低能耗方向发展 为了减少能耗，提高经济效益，近年来研制与应用了许多节能型抽油机。 其中包括增大冲程游梁抽油机，增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机。 如异相机、双驴头抽油机、摆杆抽油机、渐开线抽油机、摩擦换向抽油机、液 压抽油机及各种节能装置和控制装置。 3朝着高适应性方向发展 现在抽油机应具备较高的适应性，以便拓宽使用范围。例如适应各种自然 地理和地质构造条件抽油的需要；各种成分石油抽取的需要，各种类型油井抽 取的需要；深井抽取的需要，长冲程的需要；节电的需要；精确平衡的需要； 无电源和间歇抽取的需要；优化抽油的需要等。 4朝着长冲程无游梁抽油机方向发展 近年来国内、国外研制与应用了多种类型的长冲程抽油机，实践与理论表 明，增大冲程无游梁抽油机是增大冲程抽油机的发展方向，长冲程无游梁抽油 机是长冲程抽油机发展方向 5朝着自动化和智能化方向发展 近年来，抽油机技术发展的显著标志是自动化和智能化。baker提升系 统公司、deltax公司、aps公司等研制了自动化抽油机，具有保护和报警功 能，实时测得油井运动参数及时显示与记录，并通过进行综合计算分析，得出 最优工况参数，进一步指导抽油机在最优工况抽油。总之，抽油机将朝着节能 降耗并具有自动化、智能化、长冲程、大载荷、精确平衡等方向发展。 5 第二章 抽油机电动机综述 2.1 目前抽油机的种类及应用 随着油田的开发，抽油机的投入量日益增加。高效、节能、可靠性高的抽 油机是石油机械装备工业的当务之急。国外在抽油机的开发上投入精力比较多， 研究的时间也比较早。除大量开发生产游梁式抽油机外，国外一些科研和制造 公司正在研制和推出各种非传统型号的抽油机。我国抽油机设计制造发展也很 快，吸取了前苏联和美国api标准的优点，依据我国油田开发的特点，逐步形 成了我国抽油机的新系列。 目前，国内外各油田使用的抽油机有很多种，总体上可分为：游梁式、无 游梁式。 2.1.1 游梁式抽油机 l.常规游梁式抽油机 常规游梁式抽油机是油田使用历史最悠久，使用数量最多的一种抽油机。 该机采用具有对称循环四杆机构或近似对称循环四杆机构，结构简单，运行可 靠，操作维护方便，但长冲程时平衡效果差，效率低，能耗大，不符合节能要 求，基本停止了生产。 2.前置式抽油机 前置式抽油机平衡后的理论净扭矩曲线是一条比较均匀的接近水平的直线， 因此其运行平稳，减速箱齿轮基本无反向负荷，连杆、游梁不易疲劳损坏，机 械磨损小，噪声比常规式抽油机低，整机寿命长。具有体积小、重量轻的优点。 6 3.偏置式抽油机 偏置式抽油机又称异相曲柄平衡式抽油机，特点是平衡块中心线相对于曲 柄中心偏转一个角度，这种机型国外60年代发展起来并得到api的承认。试验 表明，经优化设计的偏置式抽油机节电可达20。 4.胶带传动抽油机 胶带传动抽油机是美国grooves公司于80年代开发的新型抽油设备，该 机通过二级胶带传动，将电动机的原动力传给曲柄胶带轮，并带动游梁摆动。 与常规机相比，其上冲程转矩因数小，驴头悬点加速度小。在相同的工况下， 具有结构简单，制造成本低，维修及运行管理方便等特点。 5.下偏杠铃抽油机 下偏杠铃游梁复合平衡抽油机是在原常规游梁抽油机的游梁尾端，利用变 矩原理增加简单的下偏杠铃所形成的一种新型节能抽油机。该机继承和保留了 原常规游梁式抽油机的全部优点，节能效果也较明显。 6.偏轮式游梁抽油机 它打破常规机四连杆机构的框架，以游梁尾部的偏轮为中心，形成独特的 六连杆体系，偏轮杆件均为刚性连接，保持了常规机的特点。 7.双驴头游梁式抽油机 该机是将常规机游梁与横梁的铰链连接，改为变径圆弧的后驴头、钢丝绳 与横梁之间的软连接，构成变参数四杆机构来传递运动和扭矩，克服原机构的 死角，增加游梁摆角，冲程提高2070。 2.1.2 无游梁式抽油机 l.链条式无游梁抽油机 胜利高原公司生产的长冲程、低冲次、rotaflex链条驱动的皮带式抽 油机是一种全新结构的高性能有杆抽油设备，该机可以满足下泵深抽、大泵排 液、长冲程,低冲次抽稠采油工艺中高含水期油井加深泵挂大排量的需要，是 7 一种高效节能经济性好的机种。通过增加冲程长度和减少冲次，降低了油管和 杆柱接箍的磨损。减少了对扭矩的需要，可使用小减速箱。减少了原动机的循 环负荷，提高了系统总效率，允许使用小功率电动机。比常规抽油机操作和维 修更安全。这种独特的抽油机突破了传统有杆泵系统在排量和深度上所不能达 到的界限。 2.液压抽油机 液压抽油机由液力、电动、气动元件结合组成。抽油机的特点是： (1)冲程长度和速度可以任意调节，液控元件可通过仪表随时显示抽油杆 的瞬时负荷，示功仪亦可预先装在抽油机上，以观察全机运行情况。 (2)上下冲程的速度可以单独控制，上冲程慢下冲程快，使抽油杆受力比 较平稳、合理。 (3)轻便。 3.数控抽油机 数控抽油机是近几年研制的机电一体化的抽油装置，数控抽油机采用了全 数控电力拖动系统，综合微电子技术、电力电子技术、过程控制技术，是按照 机电一体化的设计思想精心制作的电子机械装置，是一种能根据抽油井特 征随机改变运动“姿态”的实时数字控制电动系统。使整个抽油机成为一个能 够根据外界工况变化而实时改交运动规律的机电一体化智能设备。美国 national supply公司生产的智能抽油机节约电耗1030。 4.宽带长冲程油油机 该机仍然采用普通异步交流电动机作为驱动力并采用了和游梁式抽油机相 似的皮带传动及减速器作减速装置。该机的结构特点在于：减速器输出轴上安 装一宽皮带轮，宽度带一端和悬绳器相连另一端安装于宽皮带轮上，在宽度带 中间的适当位置上固定安装一个用于放平衡块的平衡框，通过宽皮带在带轮上 的缠绕与释放达到冲程换向的目的。 5.摩擦换向抽油机 摩擦换向抽油机通过电动机正反转驱动减速器带动摩擦轮转动，无触点换 8 向开关换向，使抽油杆上下运动来抽汲油液。钢丝绳一端通过悬绳器与光杆连 接，另一端与配重箱连接，根据示功图载荷的大小可调整配重铁，以调节摩擦 轮两端的拉力差，做到精确平衡。该机结构简单，冲次可根据生产需要用旋钮 任意无级调节，可以实现抽油机工作中上、下冲程速度的分别控制。冲程长度 可根据需要设计配套高度的塔架，在最大冲程下实现任意冲程的调节。调平衡 简单方便，操作强度低、操作时间短。电动机恒扭矩输出，启动无冲击电流， 节电效果显著。 2.2 抽油机的工作原理及分析 目前，我国抽油机主要生产厂家有十几家，产品主要是以游梁式抽油机为 主，约占抽油机总数的9899，游梁式抽油机的类型很多，但其基本结构 和工作原理是相同的。抽油机主要由游梁连杆曲柄机构、减速装置、动力 设备和辅助装置等四大部分组成。如下图2-1所示。 1-悬绳器；2-驴头；3-游梁；4-横梁；5-横梁轴；6-连杆；7-支架轴；8-支架； 9 9-平衡块；10-曲柄；11-曲柄销轴承；12-减速箱；13-减速箱皮带轮；14-电 动机；15-刹车装置；16-电路控制装置；17-底座 图 2-1 抽油机结构图 抽油机的工作原理是：电动机将其高速旋转运动传递给减速箱的输入轴， 并经中间轴带动输出轴,输出轴带动曲柄作低速旋转运动。同时，曲柄通过连 杆经横梁拉着游梁后端上下摆动（或者是连杆直接拉着游梁后端） 。游梁前端 装有驴头，活塞以上液柱及抽油杆等载荷均通过悬绳器悬挂在驴头上，由于驴 头随同游梁一起上下摆动，结果驴头带动活塞作上下的垂直往复运动，就将油 抽出井筒。抽油泵主要由工作筒、衬套、柱塞（空心的）和装在柱塞上的游动 凡尔及装在工作筒下端的固定凡尔组成，其工作原理如下：当活塞上行时，游 动凡尔受油管内液柱压力作用而关闭并排出活塞冲程的一段液体。与此同时， 活塞下面泵筒空间压力降低，在环形空间的液柱压力作用下，井中液体顶开固 定凡尔，进入泵内活塞所让出的空间。活塞下行时，泵筒内液体受压缩，压力 增高，当此压力等于环形空间内液柱压力时，固定凡尔靠自重而关闭。在活塞 继续下行中，泵内压力继续升高，当泵内压力超过油管内液柱压力时，泵内液 体即顶开游动凡尔并进入油管内。这样，在活塞不断地上下运动中，固定凡尔 和游动凡尔也不断地交替关闭和打开，结果油管内液面不断上升，一直到井口 排入输油管线。 综上所述，泵的工作原理可概括为：活塞上行时吸液入泵，排液出井；活 塞下行时泵内液体转入油管，不排液出井。在理想情况下，当泵充满度很好时， 是上下冲程都出油。当不考虑液体运动的滞后现象，从井口观察排油时，应当 是光杆上行时排油忽大，光杆下行时排油忽小，这一忽大忽小是周期性的变化。 实际上，由于原油中混有天然气，有压缩性，使液体运动滞后于活塞运动，同 时由于泵受多种因素影响，所以井口实际排油时呈复杂状况。 抽油机一般由电动机驱动，通过抽油杆的上下运动将原油抽到地面的管网 中，电动机轴上形成的负荷即抽油机的合成扭矩,呈周期性波劝，每周期有两 次载荷冲击、有一次负值扭矩出现，为此在横梁上安装平衡块,对扭矩进行协 10 调，减小电动机负载的波动，使电动机转矩变化平稳。 油田抽油机上配套的电动机大多处在轻载运行状态，引起抽油机电机负载 率低，功率因数低，浪费电能严重，问题产生的原因主要有以下几个方面： 1.抽油机的转动惯量较大，并且是带负载起动，因此起动时所需的起动转 矩较大，一般情况下对电动机的功率需求也较大，所以电动机选型时要满足起 动力矩的要求。电动机起动完成后需要的转矩要求只有起动转矩的一半左右， 这导致电动机的负载率较低。 2.抽油机电动机的准确选择需要测量大量数据，往往很难做到，而且对抽 油机电动机的选择计算还没有一个统一的、准确的计算公式，因此大多数情况 下都采用估算的方法选择配套电动机的功率，并且留有较大的功率余量。 3. 抽油机的使用周期是很长的，在其使用周期内，由于油井工况的变化， 对于电动机的功率需求可能有很大的差异，较合理的做法是根据不同时期的功 率需求进行匹配，以提高电动机的运行效率和功率因数。但在实际生产中很难 做到，一般是在使用期内不再更换电动机，因此都是按抽油机可能遇到的最大 功率需求进行匹配。 4. 电动机属于感性负载，电流滞后于电压，导致产生无功电流，功率因 数较小，也造成电能的浪费。 另外还考虑到复杂的地质情况等因素，大部分电机的额定功率为工作周期 输出功率的两倍左右。而抽油机在工作时，约有一半时间处于接近空载的工作 状态（称为空载周期） ，另一半时间处于带负荷的状态（称为工作周期） 。 通过分析可知，抽油机电动机经常处于轻载运行，而且负载变化比较大， 采用调节输入端电压使其在能安全带动负载的前提下，自身损耗尽可能的小， 达到节能的目的，面对电动机的降压运行进行分析。 11 2.3 抽油机电动机的调压节能 电动机的机械特性是指转矩和转速关系曲线或者指转矩与转差率关系曲线。 根据电机学知识可知电动机的 电磁转矩表示为: (2-1) 2 2 1 22 2 0112 3 ()() r u s t r wrxx s 转子电流表示为: (2-2) 1 2 22 2 112 ()() u i r rxx s 当 s 很小时，同时，那么可以有以下近似式: 2 12 () r xx s 2 1 r r s (2-3) 2 1 0 2 3u s t w r 所以，电动机转矩与端电压的平方成正比，转差率与端电压的平方成反比。 假设定子电压降低系数为。可知不同降压系数下的转矩和转差率 1/un kuu 为: (2-4) 2 () u tt k 据此可以画出人为机械特性曲线如图 2-3 所示，图中采用标幺值单位。从 该人为机械特性曲线得到以下结论： 1. 磁转矩与端电压平方成正比； 2. 降低端电压时人为机械特性曲线的斜率加大了，恒转矩负载下，电动 机只能在 s=0 到 之间有稳定运行区，调速范围不大； 3. 由于降低端电压时供电频率并没有变化，因此电动机的气隙主磁通被 减弱。在负载电流相同的条件下，电动机电磁转矩减小。 max t max t max t 0 n n 0 t 1u o.8u1 0.6u1 m s 12 图 2-3 电动机机械特性曲线 由特性曲线可以看出，抽油机电动机的起动转矩很大需要电动机全压起动， 当电动机起动完成后负载较低，降压以后的转矩也可以保证安全带动。降低电 动机定子电压，输出转矩减小，即使得电动机负载率增大。负载率的变化会导 致电动机的功率因数和效率变化，具体变化曲线如图 2-4 所示。从图中可以看 出随着负载率的降低，功率因数和效率都降低，空载时两者都很低。当通过降 低电动机的定子电压提高电动机的负载率时，功率因数和效率都将得到改善。 / p kw cos 0 0. .2 2 0 0. .4 4 0 0. .6 6 0 0. .8 8 1 1. .0 0 0 0 2 20 0 4 40 0 6 60 0 1 10 00 0 8 80 0 0 0 0 0. .2 20 0. .4 40 0. .6 60 0. .8 81 1. .0 01 1. .2 2 % % 图 2-4 异步电动机的效率和功率因数曲线 采取降压措施节能时，降压行为还受电动机能否带动负载正常运行的制约， 即电动机所具有的电磁转矩必须能克服空载转矩且带动负载正常运行。简单的 异步电动机机械特性实用表达式为： (2-5) 2 m m t s t s 式中 临界转差率； 某端电压下电机所具有的最大转矩。 m s m t 13 若定子的阻抗参数不变，则它与端电压的平方成正比，可表示为: (2-6) 2 1 2 2 0 1112 2 m u m t rrxx 式中 电动机端任一相电压。 考虑式（2-5）和式（2-6） ，电动机轻载时的电磁转矩与额定运行状况的 电磁转矩之比为： (2-7) 2 2 xx x nnn us t tus 式中 轻载降压时的电磁转矩； 额定电压时的电磁转矩； 轻载降压时电动机的转差率； 额定转差率。 若不计转子铜耗、机械损耗和附加损耗，有: (2-8) 1/ /1 xn xxx nnnnx pstp tpps 式中 轻载降压时的机械角速度； 额定负载额定电压时的机械角速度。 由公式（2-7）和公式（2-8）得： (2-9) 1 1 xnn xx nxx pss uu pss 由公式（2-9）知，电动机端电压的降低不仅与负载大小有关，而且与转 差率有关，即与转速有关，所以电动机端电压的降低程度由负载功率及负载对 转速的要求决定。为了保证降压运行时，负载由轻载突变为额定负载时电动机 能正常工作，电动机能提供的最大转矩不应低于额定负载时的电磁转矩，其最 u x t n t x s n s x n 14 大电磁转矩: (2-10) 2 2 x xmnm n u tt u n t (2-11) 2 1 xn r uu k 式中 降压时电动机的最大电磁转矩； 额定电压时电动机的最大电磁转矩； 过载倍数，等于 。 按式（2-9）得到的电压应按式（2-11）进行校验。异步电动机的过载倍 数一般为 1.83.7，根据式（2-11）可知，降低的电压的最小值范围大致为 : 。 2.4 本章小结 本章首先介绍了抽油机的种类及其应用情况，接着介绍了电动机的工作原 理，分析抽油机电动机运行过程中负载变化特性，对抽油机电能浪费原因进行 了分析。并依据公式分析了降压过程中电动机机械特性，电动机的效率和功率 因数随着负载率的降低而降低，降低电动机定子电压导致电动机的负载率降低， 从而改善电动机的功率因数和效率。最后对电动机的降压运行分析，得到在保 证带动负载情况下的降压范围。 xm t nm t t k/ nmn tt 0.56 n u 15 第三章 抽油机电动机晶闸管节能的仿真与实验 3.1 调压节能系统的仿真分析 计算机仿真技术是现在科学研究和产品设计的新手段，特别是在采用电力 半导体器件对电机进行分析研究中，计算机仿真技术显示出它的巨大优越性。 根据电动机调压控制原理，利用 matlab/simulink 软件构造了一个调压控制 系统，该系统能够很好地模拟真实系统的运行，实现高效的调压系统设计。 3.2 仿真模型的建立 应用晶闸管交流调压装置有三种控制方式：通断控制、相位控制和斩波控 制，在本节仿真过程中采用的是相位控制方式。晶闸管单元由 6 只单向晶闸管 两两反向并联或三只双向晶闸管组成，串接于电动机的三相供电线路上。通过 调节晶闸管的触发角，从而控制导通角，就可调节输出电压，从而控制电动机 的运行过程，达到节能降耗的目的。图 3-1 是一种典型的三相交流晶闸管调压 主电路的结构，每一相上串联反并联晶闸管，通过改变触发角改变主电路的供 电电压。控制系统每隔 60 度发出一次触发脉冲，依次触发 kp1，kp2kp6。 16 a b c kp1 kp4 kp2 kp5 kp3 kp6 ra rb rc 图 3-1 晶闸管交流调压电路 调压电路原理图表明,晶闸管 1 与 4 反并联控制 a 相电路，以此类推晶闸 2 与 5 反并联控制 b 相电路，晶闸管 3 与 6 反并联控制 c 相电路。三相交流 调压的 6 只晶闸管的触发角自 kp1 至 kp6 依次相隔 60，负载为 y 型接法。 在改变控制角 时，该调压装置有 2 种不同的工作状态：在同一时刻每一相 有 1 只晶闸管导通，为第 1 类工作状态；在同一时刻有一相有 2 只晶闸管都不 导通而另两相各有 1 只晶闸管导通，为第 2 类工作状态。在电阻负载时， 在 0到 30之间为第 1 类工作状态，在 30为第 1 类和第 2 类工作状态相 交替，30到 180之间按第 2 类工作状态工作，且当 90时，电流断 续。在感性负载下，输出电压与电流有相位差，电压过零时，晶闸管经过延滞 角后关断。因此要考虑控制角 ，负载功率因数角 才能得到各时间段的工 作状态。只有 时，输出电压才随 的增大而减小，起到调压作用，因此 晶闸管的触发控制需要满足以上关系。 晶闸管移相触发的仿真模型如图 3-2 所示，输入量是 a、b、c 三相电 源电压和所要移相的相位，输出量是与输入量相电压同步的六路移相触发脉冲。 在该模型中用到了同步六脉冲发生器，它可以保持脉冲与相电压的同步，移相 角大小是人为给定的，根据调压节能原理可知移相角的大小与电动机参数及控 制量有关系。 17 6 triger 6 5 triger 5 4 triger 4 3 triger 3 2 triger 2 1 triger 1 3 c 2 b 1 a alpha_deg ab bc ca block pulses synchronized 6-pulse generator uu(e) uu(e) uu(e) uu(e) uu(e) uu(e) ab bc ca a b c subsystem 100 gain 0 constant 1 phase 图 3-2 晶闸管移相触发器内部结构图 调压系统中采用的是晶闸管相位控制方式，且为用两个单向晶闸管组成的 双向晶闸管。在 simulink 的电力系统工具箱中有晶闸管模型，通过组合可以 构成一个双向晶闸管模型。图 3-4 所示为用于 a 相的双向晶闸管调压模型的 内部结构图。由结构图可知，采用的是两个晶闸管反并联连接，输出的 m 端 子是晶闸管的测量值，是流过晶闸管的电流和晶闸管两端的电压的合成矢量， 在本模型中接入端子 terminator，为的是使晶闸管模型的完整性。 3 c 2 b 1 a c b a 图 3-3 三相交流电压源图 18 2 loada 1 a gm ak kp4 gm ak kp1 terminator1 terminator 4 triger4 1 triger1 图 3-4 双向晶闸管内部结构图 晶闸管调压节能系统仿真模型如图 3-5 所示。其中的电机模型采用的电 力系统工具箱中的异步电动机模型，额定电压为 380v，额定功率为 45kw。 图 3-5 晶闸管调压节能系统仿真模型 3.3 仿真结果的分析 在仿真模型中，输入电机参数和一列移相触发角参数，选择合适的数值算 法、输入仿真时间和步长，就可以执行仿真运行命令。输入移相角 为 0， 19 可得到如图 3-6 所示的各量的仿真结果。 取不同的移相触发角，可以得到相应的移相角与输出电压有效值，根据调 压节能原理，当负载变化时需要通过调节电压，即调节晶闸管的移相触发角, 达到节能的目的。电压有效值开始不变化，当移相触发角,达到一定值时，电 压开始随着移相触发角的增大而减小，这与本章开始介绍的调压原理是一致的。 这是因为电动机是非线性、多变量、强耦合的感性负载，所以当电压过零时， 由于电感要阻止电流突变，所以要延续一段时间才能使电流为零，此时若给, 窄脉冲触发信号，则不能使晶闸管导通，所以对电动机负载要采用脉冲列或宽 脉冲触发。对于晶闸管调压节能控制系统来说，需要知道电动机的基本参数， 从而确定晶闸管调压的移相触发角的变化范围。 (a)速度时间曲线 (b)转矩时间曲线 (c)电流时间曲线 图 3-6 电动机起动过程仿真 负载率变化情况下采取调压节能措施的效果可通过表 3-1 明显看出。当电 20 动机负载率降低时,若始终保持电动机的全压运行,电动机的功率因数和效率都 随之降低。与之对应的是，当负载率降低时，电动机降压运行可以提高功率因 数和效率，也就节约了电能。表中右侧数据对比说明降压程度不同，功率因数 和效率的改善也不同，当电压下降太多时，节能效果反而不够好。这是因为电 动机晶闸管调压回产生谐波，造成谐波损耗，影响节能效果。电压调节约低， 谐波影响越严重。 需要说明的是，电动机负载较高时，节能效果并没有明显体现，当此电动 机负载较低时，节能效果尤为明显，这种节能方法更适合于经常处于轻载运行 的电动机。 表 3-1 降压节能数据对比表 未采用三相调压电路采用三相调压电路 负载 率 电压电流 （a） 功率 因数 效率电压电流 （a） 功率 因数 效率 85%100%39.000.8840.76992.2%41.600.8630.778 83.7%37.760.8520.769 70%100%32.960.8120.75492.1%35.340.8500.774 78.21%35.000.8030.748 60%100%30.040.7780.71189.5%33.460.8310.767 69.76%31.880.7660.725 50%100%26.480.7300.66786.8%29.040.8150.753 63.25%28.520.6980.684 40%100%23.800.6600.60284.2%26860.7940.733 56.77%24720.5710.596 30%100%20.760.5580.51981.6%22690.7510.693 21 3.4 电动机调压节能实验 由于仿真应用的设备和运行环境都是人为设定处于理想情况，然而油田实 际采油过程中由于种种原因，抽油机电动机运行状态与理想状态有一定差距， 有时候甚至差距很大。这决定了不能完全以仿真得到的结果作为节能控制依据， 为此需要通过实验得到电动机调压节能数据，结合仿真和实验两方面结果得到 较为理想的调压依据。 m ac380v kp1 kp2 kp3 kp4 kp5 kp6 a b c 图 3-7 实验调压电路 基于此原因进行了电动机调压实验，由于条件有限，实验中应用的电动机 并非抽油机应用的大功率电动机。实验用电动机具体参数为：额定功率为 1.5kw，额定电压为 380v。将晶闸管串联接入主电路中进行调压，线路连接 如图 3-7 所示。 如前所述，在感性负载下，输出电压与电流有相位差，电压过零时，晶闸 管经过延滞角后关断。因此要考虑控制角 ，负载功率因数角 才能得到晶 闸管的工作状态。只有 时，输出电压才随 的增大而减小，起到调压 作用，因此晶闸管的触发控制需要满足以上关系。由于不同的电动机具有不同 的参数特性，导致不同型号的电动机的负载功率因数角 也不相同，因此在 22 进行控制时需要严格注意。在电路中应用到的是晶闸管集成模块，输入一个直 流信号可以实现主电路输出电压的平滑调节。 在实验过程中，由于条件所限电动机负载很小，考虑到电动机轻载时谐波 影响较轻，随负载增加供电电流增大，对供电线路的影响也增大。在应用晶闸 管进行电压调节时必须注意谐波损耗问题，当电动机负载率较高时产生的谐波 可能会对电网产生污染。谐波对电网的影响与电网容量有关系，考虑到油田电 网容量很大，而且晶闸管调压范围不大，由晶闸管调压引起的谐波不大，对电 网的影响很小。但是在设计过程中必须考虑到谐波污染问题，为此对所控制电 动机并联电容器进行了无功补偿与谐波抑制。 3.5 本章小结 本章以前面理论分析为基础，对系统进行了 matlab 仿真及电动机实验， 得到了调压节能时的数据和波形并进行了相应分析，验证了降压运行的节能效 果。根据实验过程中电动机的降压运行情况，确定了电压调节范围为 100v， 同时对于电动机调压节能算法进行修正，为后续系统设计实现提供了理论参考 和数据支持。 23 第四章 节能控制系统的设计 抽油机电动机调压节能控制系统设计以上述分析的控制原理为基础，系统 设计大体上可以分为硬件设计和软件设计。系统的硬件电路采用模块化设计方 法，主要由主回路、相位检测电路和控制电路组成。 4.1 节能系统主回路的设计 电动机起动时应该直接由电网供电，保证电动机全压起动，避免电动机起 动电流对晶闸管的冲击；当电动机起动完成以后将电动机接入主电路，根据检 测到的定子电流变化调节线电压，使电动机节能运行。 4.1.1 主回路结构 主回路的设计如图 4-1 所示。主电路装置工作步骤如下： 首先在电动机启动时，断路器和接触器 km1 闭合，同时保持接触器 km2 和 km3 处于断开状态，使电动机能够全压启动，此时调压节能装置并 不投入运行。 接着电动机全压启动完成后，单片机发出控制信号使 km1 断开。输出 晶闸管控制信号，使其处于全导通状态，然后输出控制信号使接触器 km2 和 km3 闭合，晶闸管以最大导通角的状态接入主电路。系统随即根据检测到 的负载变化实时调节供电电压，进入节能运行状态。 本装置中采用的是一种晶闸管智能控制模块，它采用全数字移相触发集成 电路。控制电路与晶闸管主电路集成于一体，使得该模块具有强大的电力调控 功能，模块输出对称性高，无直流分量，晶闸管模块如图 4-2 所示。由于电 动机额定电压为 380v，额定功率为 45kw，选择晶闸管模块参数为最高输出 电压 450v，每相最大电流 200a。根据电动机的参数选择主电路中应用的接 24 触器为德力西公司生产的 cj20-160 型交流接触器，额定电压为 380v 时额定 电流为 160a，接触器线圈电压为交流 220v，可以由供电线路的相电压提供。 km1 km2 l1l2l3 km3 图 4