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游梁式抽油机变频节能装置研究 曲刚( 材料学) 指导教师：孙永兴( 教授) 摘要 游梁式抽油机的载荷特点和其电动机的机械特性不匹配，造成了游 梁式抽油机效率低、耗能大，存在“大马拉小车”的现象。针对这一问 题，研制了一种采用w v f 控制方式的变频调速系统，调节运行频率控 制电机转速，能有效的实现抽油机的节能，达到降低采油成本的目的。 分析了抽油机的节能机理及异步电动机变频调速理论，对变频调速系统 的硬件和软件进行了设计。系统硬件部分由主电路、控制电路和故障保 护电路组成。主电路部分包括整流电路、中间滤波电路、逆变电路和i p m 驱动电路等，歼关器件i p m 集i g b t 驱动电路和多种保护功能于一体， 具有高频化、模块化和自保护等特点；控制电路以8 0 c 1 9 6 m c 为核心， 其波形发生器产生三相互补的s p w m 波形信号；系统保护电路包括过压 欠压保护、过流保护、过热保护、限流启动、泵升限制和i p m 故障保护 电路。软件程序实现电机的启动、正反转、频率的给定、a d 中断、故 障的判断及保护和s p w m 波的生成。最后对变频调速系统进行了 m a t l a b s i m u l i n k 系统仿真和实验，仿真和实验结果符合设计要求， 表明系统设计方案可行。 关键词：游梁式抽油机，变频调速，i p m ，8 0 c 1 9 6 m c ，正弦脉宽调制 r e s e a r c ho ne n e r g y s a v i n ge q u i p m e n t w i t h v a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o l t e c h n i q u eo f b e a m - p u m p i n g u n i t s q ug a n g ( m a t e r i a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rs u n y o n g x i n g a b s t r a c t t h ep a r t i c u l a rw o r k i n gc o n d i t i o no fb e a m p u m p i n gu n i t si sa n a l y z e d t h ea v e r a g el o a dr a t i oo fb e a m - p u m p i n gu n i t si sl o wa n dt h ew a s t eo f e n e r g yi sg r e a t , b e c a u s et h el o a dc h a r a c t e ro fb e a m - p u m p i n gu n i t sc a nn o t m a t c ht h ec h a r a c t e ro fe l e c t r o m o t o r a c c o r d i n gt ot h i sc i r c u m s t a n c e ，t h i s p a p e rd e v e l o p sav a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ( v v v f ) d e v i c et o s a v ep o w e rl o s s t h i sd e v i c ec a l ls o l v et h ep r o b l e mo ft h eb e a m p u m p i n g u n i t sb a s i c a l l ya n dr e d u c et h ec o s to fo i le x t r a c t i o n t h r o u g ht h et h e o r y a n a l y z i n go fe n e r g ys a v i n gm e t h o do fb e a m - p u m p i n gu n i t sa n dv v v f c o n t r o lp r i n c i p l e ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h en e wd e v i c eb a s e do ni n t e l 8 0 c 1 9 6 m ca r ed e s i g n e d t h eh a r d w a r ei sc o m p o s e do fm a i nc i r c u i t ，c o n t r o l c i r c u i ta n df a u l tp r o t e c t i o nc i r c u i t t h em a i nc i r c u i ti sc o m p o s e do fr e c t i f i e r , f i l t e r ，i n v e r t e ra n dd r i v ec i r c u i to fi p m ，w h i c hi sb u i l ti ni n v e r t e rc i r c u i t s p r o v i d eo p t i m u mg a t ed r i v ea n dp r o t e c t i o nf o ri g b t a st h ec o r eo fc o n t r o l c i r c u i t ，i n t e l8 0 c 1 9 6 m cc a np r o v i d es p w mw a v e f o r m sf o rt h ec o n t r o lo f m o t o r sf r o mi t sw f gw h i l eo t h e rf o r m so fe l e c t r o n i ce q u i p m e n tr e q u i r e p r e c i s ep o w e r w a v e f o r mg e n e r a t i o n f a u l tp r o t e c tc i r c u i tp r o v i d e st h ew h o l e s y s t e mv a r i o u sk i n d so fp r o t e c t i o ni nc a s eo f o v e rv o l t a g e ，o v e rc u r r e n t ，o v e r h e a th a p p e n i n g s o f t w a r ep r o g r a mw a ss e tt oc o n t r o lt h er o t a t i o no fm o t o r s ， d e a lw i t ha di n t e r r u p t i o n ，s e t u pf r e q u e n c ya n dg e n e r a t ew a v ef o r m s f i n a l l y t h es y s t e mi ss i m u l a t e db ym a t l a b s i m u l l n k ，a n dn e c e s s a r yp e r i p h e r a l c i r c u i ti sd e s i g n e dt oc o m p l e t et h ee x p e r i m e n t t h er e s u l ti sc o n s i s t e n tw i t h t h et h e o r ya n dr e v e a l st h ev a l i d i t yo ft h ec o n t r o lm e t h o da n de x p e r i m e n t c i r c u i t t h ef e a s i b i l i t yo f t h ec i r c u i td e s i g na n dc o n t r o ll o g i ci sp r o v e d k e yw o r d s ：b e a m p u m p i n gu n i t ；v a r i a b l ef r e q u e n c yv a r i a b l es p e e d ；i p m ； s p w m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石 油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名：边塑1 砷年月，日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 泖0 年6 只，b ， 厶，矿年月p 日 ， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 课题研究背景 1 1 1 游梁式抽油机的节能问题 常规游梁式抽油机具有结构简单、制造容易、可靠性高、耐久性好、 维修方便、适应现场工况等优点，在采油机械中占有举足轻重的地位。 油田机械采油中，抽油机井占总井数的8 2 1 。我国已有近5 万台抽油 机，抽油机井的耗电量占油田总耗电量的四分之一。 但是由于抽油机本身的结构特征，决定了它平衡效果差，曲柄净扭 矩脉动大，存在负扭矩、载荷率低、工作效率低和能耗大等缺点。抽油 机带负载启动时，启动转矩和启动电流大，会对电动机和抽油机造成很 大的冲击。此外，抽油机的载荷是带有冲击性的交变载荷，为了保证足 够大的启动转矩，使电动机稳定运行并具有一定过载能力，不得不按抽 油机的最大扭矩来选配电动机。而抽油机正常运行所需的平均功率并不 大，这导致抽油机电机正常运行时负荷率很低，一般在2 0 左右，负荷 率高的也不过才3 0 ，普遍存在“大马拉小车”的现象i i , 7 1 。它所带来的 新问题是当抽油机排量过剩时，抽油机的运行会出现无功抽取，出现空 抽或泵空状态，伴随泵空还会产生井喷、气锁等事故，而井喷、气锁又 是导致钻具组、泵装置甚至地面设备损坏的主要原因。另外，由于过度 的不间断运行，机械设备的损耗也相应上升，造成传统抽油机成本高， 噪音大，运行可靠性低【3 j 。 传统油梁式抽油机电机的直接起动时起动电流为额定电流的6 8 倍，对电网冲击很大且快速耗电。在采油成本中，抽油机电费占3 0 左 右，年耗电量占油田总耗电量的2 0 3 0 ，仅次于水成为油田电耗大 户。所以如何使抽油机节能和有效控制泵空是亟待研究的课题。 推广抽油机井系统效率研究成果，提高其运行效率，将对油田带来 巨大的经济效益。自从第一台异相曲柄平衡游梁抽油机应用以来，国内 各大油田开始重视抽油机的节能工作。本课题就是针对游梁式抽油机工 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 作效率低，能耗大这一问题提出的。 1 1 2 游粱式抽油机效率低下的原因 不含动力装置的游梁式抽油机其主体传动效率一般为8 1 4 8 8 5 ，和它配套的通用电动机效率也可达9 1 - - 9 2 5 。实际上，即使 在最佳匹配工况时，游梁式抽油机的地面效率也很少有超过7 4 的。究 其原因，除了井下条件对游梁式抽油机的反馈而产生的有效载荷系数的 影响外，更本质的原因是游梁式抽油机带有冲击的周期性交变载荷特性， 与按恒定负荷设计制造的通用电动机的工作特性不匹配，增加了电动机 的变动损耗，降低了抽油机的地面效率。 设计性能良好、经过细致平衡、在曲柄轴上没有负扭矩，并已进入 稳定工作状态的游梁式抽油机，曲柄轴扭矩 厶电动机输出功率p 2 和电 流，与曲柄转角a ( 或时间f ) 的关系如图卜l 所示。 埝禽 图1 - 1 抽油机稳定工作状态下 厶p 和，与的关系 这时游梁式抽油机实际需要功率为： 只= 厣鬲 m t ， 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 或最= 去摩彬舰伽 ( 1 - 2 ) 按上述计算功率选用的电动机，其输入功率尸i 应等于p 2 q 2 ( r 1 2 为选 定的电动机在输出功率为p 2 时的效率) 。 游梁式抽油机工作时，施加给电动机的不是波动的负荷，而是一个 与上述抽油机平均功耗相同的恒定负荷于讯或、二、，这时游梁式抽油机 的实际需用功率p 2 为 最= 斥= 只岔，t ( 1 - 3 ) 或者 b 。= 志肘。= 志摩m 2 崛伽 ( 1 - 4 ) 相应选用的电动机的输入功率p ，日为 e = 只r 2 ( 1 - 5 ) 式中，”埘为选定的电动机在输出功率为n 时的效率。 根据载荷波动系数c l f 定义，有 c l f = ( 1 6 ) 可得输入功率为 置= 珞c l f r l 2 h r 1 2 ( 1 - 7 ) 由此可见，由于游梁式抽油机载荷的变动特性与恒定载荷设计制造 的普通电动机工作特性不匹配，使电动机输入功率增加，其增加量与载 荷波动系数成i e l p t 4 。 由于不同时期、不同地区的井况存在差异，即使设计性能良好的游 梁式抽油机也很少完全工作在设计工况，其载荷多有异常剧烈变动。比 如停车再启动，载荷波动系数大于预期值，甚至在平衡不当时，每周内 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 还会出现负扭矩使电动机处于倒发电运行状态( 见图i 2 阴影部分) ，这 是极为不良的工作状态。这时，在电网与电动机间出现了能量储存和相 互交换传输，大幅度的降低电网功率因数，甚至恶化电网品质，电动机 的综合损耗突然增大，抽油机效率降低，其能耗按载荷波动系数的增大 而变的更为显著。 ， 图2 - 2 抽油机载荷波动状态下 么p 和，与a 的关系 1 1 3 抽油机节能改造方法 由前面分析可知，游梁式抽油机节能应包括两个方面p 】：一是从电 动机本身考虑，就是提高电动机效率和负荷率，从而提高运行效率和功 率因数。提高电动机效率的潜力不大，能提高几个百分点就很不容易， 而且是以提高电动机成本为代价的。因此，如果负荷率高于临界负荷率， 只要并上适当的补偿电容器就达到节能的目的。二是从系统考虑，就是 改变电动机的机械特性，使机、杆、泵整个系统达到较好的配合，提高 系统效率。两者比较，后者的节能潜力比前者大得多。因此，后者应该 是游梁式抽油机用电动机节能的主要研究方向。 目前主要采用的节能技术分为两个方面： 1 改进游梁式抽油机的机械结构 主要是通过对抽油机四轩结构的优化设计和抽油机平衡方式的完善 4 令蹲 盯 m 蛉一。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 来改变抽油机曲柄轴净扭矩曲线的形状和大小，使其波动变的平坦，且 减少负扭矩的存在。从而减少抽油机的周期载荷系数，提高电动机的工 作效率，达到抽油机节能的目的。 我国研制与使用的节能型抽油机类型主要有：异向曲柄平衡抽油机、 前置式抽油机、链条抽油机、气动平衡抽油机和地面驱动井下螺杆泵。 但这些工作均是设法对抽油机的结构进行改善从而达到节能的效果，却 忽略了抽油机的负载变载荷特性，即其负载转矩与速度的平方成正比， 轴功率与转速的三次方成正比例。忽略了抽油机这一特性的结果是：不 论负载如何变化，电动机均按最大负载提供功率。这势必造成能源的浪 费，而这正是国内广大油田上在用抽油机目前普遍存在的情况。 2 改变电动机的工作特性 目前抽油机的电动机主要从三个方面实现节能：其一，人为的改变 电动机的机械特性，主要是改变电源频率，实现与负荷特性的柔性配合； 其二，从设计上改变电动机的机械特性( 如高转差率电动机和超高转差率 电动机) ，从而改善电动机与抽油机的配合，提高系统运行效率，达到节 能；其三，提高电动机的负荷率和功率因数，实现节能。 在我国科技人员已经成功研制了超高转差率电动机、电磁滑差电动 机、稀土永磁同步电动机、变频调速电动机、双功率电动机、绕线式异 步电动机、电动机调压装置和抽油机蓄能调压节能装置等【6 ”。 就发展趋势而言，采用变频调速控制抽油机电机是最理想的节能方 式嘲。对不同类型的油井和相同类型油井的不同工况，变频节能系统佼 抽油机产生不同的运动规律来适应油井工况。使抽油机电动机电源频率 和电压随油井工况而改变，电动机在一个冲程的上冲程和下冲程分别获 得不同转速。这样，驴头的冲次不但可以改变，上下冲程速比( 下冲程驴 头悬点平均速度之比) 也可以改变 9 , 1 0 l 。针对抽油机电机的特殊运行情况， 研制高性能价格比和高可靠性的抽油机电机专用变频控制器是最有发展 前途的油田节能产品。 1 1 4 变频器调速的优点 ( 1 ) 提高油井的产量和泵效。采用变频调速控制，可根据油井的实际 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 供液能力，动态调整抽取速度，既节约电能，又增加原油产量。例如对 于稠油井( 动力粘度大于l o o m p a s ) ，上下冲程速比越大，泵漏失量越小， 泵效越高；在油井注蒸汽后的开采初期( 井口油温高于6 0 v ) ，变频器输 出的电源频率高于工频电网频率，使电动机运转加快，进而使抽油机冲 次加大，加大泵排液量；随着开采时间的延长，油井供液能力下降，原 油粘度上升，变频器输出电源频率降低，降低抽油机冲次以适应油井工 况1 1 1 1 3 1 。 ( 2 ) 提高电动机功率因数。采用变频调速控制，电动机功率因数可由 o 2 5 o 5 0 提高到o 9 0 以上，从而减轻了电网及变压器的负担，降低了 线损。电动机装设容量可由1 5 、3 7 、5 5 k w ，分别降到7 5 、1 4 、2 2 k w ， 运行时电能可节约3 0 5 0 u ”。 ( 3 ) 真正实现了电动机的软启动，对电网无冲击。变频调速减少了空 行程，避免了电动机、变速箱、抽油机等过大机械冲击，大大延长了电 动机、泵及有关设备的寿命。 ( 4 ) 操作方便，不需停产即可任意调节速度，解决了因调速造成的停 产，提高了生产效率。 利用变频调速技术，通过传感器技术实现自动控制，使机械采油的 效率在运行过程中始终保持在最佳状态，可有效杜绝设备的空耗，实现 节能。同时实现了抽油机的软启动，令设备选型更加合理。 1 2 课题研究的意义及国内外现状分析 1 2 1 课题研究的意义 目前，在油田抽油设备中，以游梁式抽油机应用最为普遍，数量也 最多，在机械采油设备中占6 0 以上。而游梁式抽油机大多使用异步交 流电动机，在异步电机上加装变频调速装置，根据油井工况对游梁式抽 油机上下冲程进行无级调节，使抽油井供排液系统达到动态协调，提高 泵抽系统的充满度。同时，可以实现电动机的软启动，大幅度降低电动 机的启动电流，提高负荷率，可具有明显的增产、节能效果。 虽然当前通用变频器在油田已经得到广泛应用，但是针对抽油机设 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 计的专用变频器还是很少，而且主要是依赖价格昂贵的进口设备。影响 变频器在油田中应用的最主要的原因是大功率变频控制器的价格十分昂 贵，成本高，用在抽油机电机控制上性价比较低，一次性投资过大。此 外，还有电能回馈和谐波影响电网等难题。因此，研制油田抽油机专用 变频器在节约电能、提高原油产量、减小机械装备的损耗等方面都具有 重要的现实意义和经济意义。 1 2 2 国内外交流调速现状 1 国外现状 随着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得了飞速发展。随 着器件开关频率的提高，并借助于控制模式的优化消除指定谐波，已使 p w m 逆变器的输出波形非常逼进正弦波。网侧尽管以数控整流器取代了 相控整流器，使基波功率因数接近i ，然而电流谐波分量大。p w m 整流 技术和新型单位功率因数变频器的研发，在国外已引起广泛关注。大功 率逆变器的工作频率不取决于开关速度，而是受限于开关损耗。近年研 究出的谐振型逆变器，应用谐振技术使功率开关在零电压下或零电流下 进行开关状态转换，开关损耗几乎为零。 中功率变频调速技术方面，德国西门子公司g t o p w m 变频调速设 备单机容量为1 0 0 9 0 0 k v a ，其控制系统己实现全数字化，用于电力机 车、风机、水泵传动。小功率交流变频调速技术方面，日本富士b j t 变 频器最大单机容量可达7 0 0 k v a ，i g b t 变频器己形成系列产品，其控制 系统也已实现全数字化。 国外交流变频调速技术高速发展有以下特点。 ( 1 ) 市场需求量大。随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短 缺，变频器越来越广泛的应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品 加工等各个行业以及风机、水泵等的节能场合，已取得显著的经济效益。 ( 2 ) 功率器件发展迅速。近年来高电压，大电流的s c r 、g t o 、i g b t 、 i g t 等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高低压、大功率 变频器产品的生产及应用成为现实。 ( 3 ) 控制理论和微电子技术的发展创新。矢量控制、磁通控制、转矩 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础。1 6 位、3 2 位高速微处理器以及信号处理器( d s p ) 和专用集成电路( a s i c ) 技 术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能提供了硬件手段。 ( 4 ) 电力电子制造业的高速发展和变频器相关配套产业的协调发展。 2 国内现状 从总体上看，国内电气传动的技术水平较国际先进水平差距有十几 年。在无换向器电机、大功率交一交等变频技术方面，国内只有少数科研 单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。 在中小功率变频技术方面，国内学者作了大量的变频理论的基础研究。 随着高性能单片机和数字信号处理器的使用，国内学者紧跟国外最新控 制策略，针对交流感应电机特点，采样高次谐波注入s p w m 和空间磁通 矢量p w m 等方法，控制算法采样模糊控制、神经网络理论对感应电机 转子电阻、磁链和转矩进行在线观测，在实现无速度传感器交流变频调 速的研究上作了大量的研究。在新型电力电子器件应用方面，由于g t r 、 g t o 、i g b t 、i p m 等全控器件的使用，使得中小功率的变流主电路大大 简化。大功率s c r ，g t o 、i g b t 、i g c t 等器件的并联、串联技术应用， 使高电压，大电流变频器产品的生产及应用成为现实。在控制器件方面， 实现了1 6 位、3 2 位单片机的应用。国内学者并一直致力于变频调速新 型控制策略的研究，但由于半导体功率器件和d s p 等器件依赖进口，使 得变频器的制造成本略高，无法形成产业化，难与国外的名牌相抗衡。 国内变频产品的品种和质量还不能满足市场需要，每年仍需大量进口高 性能的变频器。 国内交流变频调速技术产业状况如下： ( 1 ) 变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、 物力，但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模。 ( 2 ) 变频器产品所用半导体器件的制造业刚起步。 ( 3 ) 相关配套产业及行业落后。 ( 4 ) 产销量少，可靠性及工艺水平不高。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 2 3 抽油机变频控制器应用中存在的问题 1 倒发电现象难处理 抽油杆下落过程中，电机转子超过电机同步转速时，交流电机变成 交流发电机，产生“泵升电压”。抽油机倒发电的能量约占输入电能的 2 0 。“倒发电”现象使电器与电网之间发生了能量交换，无用功增大， 降低了电机的功率因数，恶化了电网的品质。我国新颁布的电业法中明 确规定，用电器的功率因数必须达到o 8 5 以上，否则将处以1 2 0 的罚 款 1 5 1 7 1 。 2 缺少集中控制和管理 智能控制器的变频调速方案和电能回馈方案主要针对单井设计，所 以每一口井都要配备变频器和回馈单元，造价太高，且各抽油机控制器 之间相互独立，缺乏信息共享和集中管理【1 8 】。 3 变频器产业及相关行业有待发展 随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器的市场 需求量大增，而我国变频器产业的整机技术起步较晚。目前应用的多为 通用变频器，不能适应抽油机负载特性的要求，且故障率高。油井工况 的恶劣和负载的复杂性要求开发抽油机专用的变频器”。 4 电磁干扰 变频器是一个很强的电磁干扰源，变频器中的开关电源，以及产生 的s p w m 电压波形，会对控制及通讯系统造成非常大的干扰，影响设备 的正常运行，所以必须采取屏蔽措施。干扰的途径除了感应、辐射之外， 还包括传导干扰，即通过连接线传导的干扰。对于传导性干扰，要从信 号线上的共模及差模干扰入手，才能真正解决干扰问题。 1 。3 本课题的研究内容 1 分析油田游梁式抽油机工作特性以及其载荷特点，掌握提高机械 采油效率的内在机理，考察采用变频调速技术改造现役游梁式抽油机， 实现增产、降耗、节能的可行性。 2 学习异步电动机变频调速技术的理论、控制方法和正弦波调制技 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 术( s p w m ) 的基本原理，掌握s p w m 波形的基波电压、采样方法、调制 策略、谐波特性和产生方式。 3 对8 0 c 1 9 6 m c 单片机的芯片结构、工作原理和设计方法进行研 究。针对游梁式抽油机的负载特性，开发一种以十六位单片机为控制核 心的小功率交频器。该变频器采用恒压频比控制方式，逆变部分采用内 含i g b t 模块及驱动电路的智能功率模块( i p m ) ，使变频系统具有集成化 程度高、可靠性好等特点。 4 完成变频系统的硬件设计，系统主要由主电路、控制回路和故障 保护电路组成，给出各部分电路的工作原理和各部分器件的选取依据。 5 完成变频系统控制系统的的软件设计，实现8 0 c 1 9 6 m c 内置波 形发生器产生s p w m 调制信号，并采用恒压频比法控制电机的输入电压 值和频率。 6 在理论和实践的基础上，进行变频系统的s i m u l i n k 仿真和试 验，并对实验结果进行分析，验证设计方案的可行性。 创新性：本文采用8 0 c 1 9 6 m c 作为控制核心，系统结构紧凑、控制 灵活、调试方便。i n t e l8 0 c 1 9 6 m c 是专为三相交流电机变频调速设计的 十六位单片机，其中三相交流电机变频器门级驱动信号发生器w f g 可 以产生独立的3 对p w m 波形，大大简化了用于产生同步脉宽调制波形 的控制软件和外部硬件。由于8 0 c 1 9 6 m c 运算速度快，1 6 m h z 的晶振完 全可实现p w m 控制，这样c p u 能够腾出大量的时间进行算法的运算， 从而提高整个系统的调速性能。 变频调速装置的智能功率模块i p m 采用 g b t 作为功率开关，发挥 了i g b t 开关频率高、不用缓冲电路，低损耗等特点。而且i p m 内含逻 辑、控制、检测和保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等 多种智能功能，不仅减小了系统的体积和开发周期，也大大增强了系统 的可靠性。变频系统的总体设计适应了当今功率器件的发展方向模 块化、复合化和功率集成电路( p i c ) 。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章异步电动机的变频调速 第2 章异步电动机的变频调速 2 1 恒压频比控制方式 异步电动机的转速由电源频率和极对数决定，改变电源频率就可以 调节电动机的转速。但是，频率改变时电动机内部阻抗也改变，这样会 引起高速时由于励磁不足造成转矩不足和低速时由于过励磁造成的磁饱 和现象，使电动机的功率因数，效率显著下降。 w f 控制方式是在改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机 磁通保持一定，大范围内调速运行时，电动机的效率、功率因数不下降。 这种控制方式因为是控制电压( v o l t a g e ) 与频率( f r e q u e n c y ) 的比，故称为 洲f 控制口啦! l 。 由n o = 6 0 i p 知，当级对数p 不变时，同步转速n o 和电源频率五成 正比。连续的改变电源频率，就可以平滑的调节电动机的转速。由电机 学可知，异步电动机有如下关系式 矾e l = 4 4 4 f l k m 西m ( 2 一1 ) 式中，定子绕组匝数m 、定子绕组系数昏1 为常数。 在电源频率 一定时，定子绕组感应电动势e 1 与产生它的气隙合成 磁通0 l m 成正比。忽略定子阻抗压降时，定子电压矾与e l 近似相等。若 阢不变，石与呜。成反比。在调节五的同时，还要协调的控制其他量， 才可以使异步电动机具有较好的性能。 1 保持明a = 常数的控制方式 对于恒转矩负载，希望在调速过程中保持最大转矩z k 。不变，即电 动机的过载能力不变。最大转矩z 刍。为 ( 2 2 ) 式中，蜀、局为定子漏电抗和转子漏电抗的折合值，q 。 若忽略，l ，并考虑考虑蜀+ 鼍= x r 2 x a ( 厶+ e ) ，则o c ( 矾伤) ， 所以在从额定频率向下调节石时，协调控制u t ，使石与矾的比值保持 i l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章异步电动机的变频调速 不变，即可保证调速过程电动机的最大转矩不变。 在频率较高时，定子电阻，l 相对于短路电抗放来说，可以忽略( 因 为甄。哳) ，在调节石同时调节矾，并保持【 a = c ( 常数) ，即可使。 不变。但是在频率较低时，i 相对溉来说，不可忽略。，此时即使仍保持 压频比恒定，蛾也要减小，从而使最大转矩减小。电动机低速运行 时，过载能力随转速h 的降低而降低。这种控制方式的变频调速只适用 于风机类负载，或是能轻载起动，而又要求调速范围较小的场合 2 2 , 2 3 1 。 2 保持e l a = c ( 常数) 的控制方式 对于要求调速范围大的恒转矩负载，希望在整个调速范围内，保持 最大转矩不变，即中k 不变，由式( 2 1 ) 看出，可以采用e i a = 常数的控 制方式，也称为恒磁通控制方式。 由于异步电动机的感应电动势e 1 不好测量和控制，所以在实际应用 中采取补偿的办法。随着 的降低，适当提高u l ，以补偿n 上的压降， 等效的满足e l a = 常数，以达到维持最大转矩不变的目的。如图2 1 所 示，曲线1 为蜀a = 常数时的u 与 的关系曲线；曲线2 是随石的降 低，逐渐增加补偿量时的矾与五的关系曲线；曲线3 所示的补偿情况， 考虑到低频空载时，由于电阻压降减小，应减小补偿量，否则将使电动 机磁通吼，增大，导致磁路过饱和。 3 恒功率控制方式 电动机在额定转速以上运行时，定予频率将大于额定频率，如按以 上控制方式，定子电压则要相应的高于额定电压，这是不允许的。因此 在基频以上应采取恒功率控制方式。这与直流电动机在额定转速以上， 采用恒压弱磁调速相似。此时，由于定子电压限制在允许范围内，而频 率升高，致使气隙磁通减小，转矩减小，但因为转速上升了，所以属恒 功率性质。恒功率控制方式所要求的电压频率协调关系，可作如下推导： 忽略n 时，l 。o c “z ) z ，额定转矩死为 瓦u ? 硝2 ( 2 - 3 ) 式中，a 为电动机的过载倍数。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章异步电动机的变频调速 同理，对于任意电压研， 转矩为 r - t u ：f 硪1 要求恒功率调速时，应满足 与其相对应的频率彳，异步电动机的相应 ( 2 4 ) 瓦q ，= z ：磷或l 石= z x ( 2 5 ) 将式( 2 - 3 ) 和式( 2 4 ) 代入式( 2 5 ) ，可得 箕：擘(2-6) r 。 ? 只要满足“2 崩= c 的条件，即可达到恒功率调速，实际在基频以上 调速时，是保持矾为额定值不变，而只升高频率，所以为近似恒功率调 速。 速 图2 - i 叽与五的关系曲线图2 - 2 异步电动机变频调速特性 综上所述，异步电动机变频调速的基本控制方式如图2 - 2 所示，一 般在基频以下采用研f = c 或e t f = c 的控制方式：基频以上采用恒功 率控制方式。 4 异步电动机在f = c 控制下的机械特性 由n o = 6 0 j i p 知，改变电源频率 ，就有不同的n o ，从而得到不同 的机械特性。若再得知最大转矩的变化规律和机械特性运行段的斜率， 即可得出变频调速的机械特性。 ( 1 ) 最大转矩当石从基频向下调，而数值较高时，n 可忽略；当_ ，i 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章异步电动机的变频调速 数值较低时，l 不可忽略，由式( 2 - 2 ) 可见，最大转矩将减小。这是因为 f i 上产生的压降使得定子电动势e i 进一步降低，气隙磁通面k 减小，所 以，即使保持f = c ，也不能保持不变，致使最大转矩减小。一 下降越多，n 的影响越大，z m 。减小越多。为了提高低速时电动机的过 载能力，必须适当的提高矾，采用e l f = c 的控制方式。当从基频向上 调时，u 保持额定值不变，石增加，中k 减小，z 。随之减小。 ( 2 ) 运行段的斜率有电机学知，l 临界转差率鼢为 s m 2 在五较高时，忽略r l ，将五十墨= 2 顽( 厶+ e ) 代入式( 2 6 ) 中，得 2 燕 又因为转速n = n ( 1 - s ) ，所以对应最大转矩时的转速降为 瓴= 2 丽雨r 2 面了6 0 f 1 = c 五正五工 | 、 u c e s p ，因此取魄”= 1 2 0 0 v 。 2 确定电流额定值厶 在选用智能功率模块时，需要考虑到电机的过载要求。功率器件的 电流定额为 l = ( 1 2 2 ) l = ( 1 2 2 ) x 4 2 1 7 1 2 = 3 4 5 5 7 a 式中，1 2 2 为安全系数：1 2 为电机的过载因数。 因此，选取三菱公司耐压1 2 0 0 v 、电流5 0 a 智能功率模块( i p m ) ： p m 5 0 r l a l 2 0 。 3 3 智能功率模块( i p m ) p m 5 0 r l a l 2 0 的功能及特点 3 3 1p m 5 0 r l a l 2 0 的特性 p m 5 0 砌a 1 2 0 的特性包括： ( 1 ) 集射极最大压降为1 2 0 0 v ，最大的集射极电流为5 0 a ，浪涌电流 为1 0 0 a ，