（电力系统及其自动化专业论文）高压igbt调压方法及控制器的研究.pdf

华北 电力大学硕士学位论文 摘要 油田或矿山 等企业的抽油机、 牵引机等机械的电动机经常工作在轻载状态， 导 致 电动机的功率利用率低 ，消耗和浪费的电能较大。为了解决这一问题 ，课题提出 用 i g b t器件及专用驱动电 路，开发、研制基于 p w m 斩波控制和以实时功率因数 为判据的调压节能控制装置。论文工作有学术意义和实用价值。 论文依据 1 1 4 0 v高压电动机 的控制需要 ，在论述了 工 g b t调压控制工作原理的 基础上，设计了 调压装置主电路、保护驱动电路及控制器硬件电路，提出了 p wm 斩波调压控制算法及数据处理方法，完成了调压装置控制板的 研制和控制软件的开 发等工作。仿真计算表明，提出的算法和设计的电路是可行的。 关键词: 交流调压，工 g b t , d s p ，电动机 abs tract me c h a n i c a l m o t o r s u c h a s p u m p i n g u n i t s u s e d i n t h e o i l f i e l d o r m i n e o f t e n w o r k s i n t h e s t a t e o f l o w l o a d , w h i c h ma k e s i n d u c t i o n mo t o r i n l o w e f f i c i e n c y a n d e l e c t r i c p o w e r e n e r g y g r e a t l y c o n s u me d a n d w a s t e d . i n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e m, t h i s p a p e r a d v a n c e u s i n g i g b t 学校可以 采用影印、 缩印 或其它复制手 段复制并保存学位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅;学校可以学术交流为 目的 ， 复制赠 送和交换学位论文; 同意学 校可以 用不同方式在不同媒体上发表、 传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学 位论文在解 密后 遵守此 规定 ) 作者签名 : 日期: 导师签名: 日期: 华北电力大学硕士学位论文 第一章 引 言 论文课题的提出 目前在工业生产中， 节能问题己经受到越来越多多的重视， 而油田作为耗电大 户其节能倍受众多人们的关注。电 动机作为将电能转换为机械能的一种转换装置， 在各个领域得到了 广泛应用。 据统计， 我国电动机消耗电能约占 全国用电量的6 0 % 到 7 0 %， 油田每年机械采油耗电量达 4 2亿千瓦时。由于油田 抽油机电机的效率非 常低，总效率只有 1 6 % 2 3 % ,所以造成了 大量、不必要的电能损失m 。因此， 研 发和应用各种高效节能的抽油机，以及不断探索提高抽油机电动机效率的方法，从 而实现电动机节能具有重要的现实意义。 油田 抽油机配套的电动机大多处于轻载运行状态，因 此电动 机的 功率利用率很 低，造成这种现象主要原因有两个: 一是抽油机负 载要求启动转矩大，因此设计抽油机的电机选型偏大，而运行中 实耗功率一般都小于装机功率 1 / 3 ，使抽油机 电动机处于轻载运行状态; 二是抽油机负载特性造成的。 抽油机载荷是脉动载荷，这意味着抽油机在一个 冲程里有相当一部分时间处于轻载运行。 抽油机负荷为周期性脉动负荷， 并迭加有瞬间的 冲击，为了 减小抽油机上下冲 程中负荷的 波动， 一般都配有平衡系统。 抽油机的负荷曲 线上有两个峰值，分别为 抽油机上下冲程的 “ 死点” ， 由于抽油机 自由停车后再启动时，必须从 “ 死点 ”处 开始启动，因此抽袖机启动需要的转矩很大。为了保证足够大的 启动转矩，抽油机 电 机在选择时留有一定的 余量;另外，考虑到泵挂深度、动液面、油粘稠度和井口 回压等因素的影响，使得电动机余量进一步增大;而运行时平均负荷率很低，一般 在2 0 % 左右 ， 负荷 率高 的 也不 过 才3 0 % 12 1 。 因 此， 这 种负 荷 特性 必然 造 成运 行效 率 低，形成 “ 大马拉小车”的 状况，造成大量的 额外电能损失。 因 此， 本课题提出针对 1 1 4 0 v的抽油机电 动机， 研究采用i g b t 控制的 调压节 能方法与技术，实现对电 动机的调压控制、 软启动、运行状态监视和保护，所以课 题研究有重要学术意义和实用价值。 2国内外研究现状 电 力电 子调压技术是随着晶闸管的出现而发展起来的，最早 采用a闸管交流调 压技术实现电动机的软起动是 1 9 7 0年由英国人发明的，由干采用这种方法可以获 得很好的 起动性能，所以曾引 起人们广泛的注意。近二十多年来，国外对晶闸管交 流调压技术进行了广泛的研究，并在工业应用领域得到 了应用，在某些领域应用显 i 华北电力大学硕士学位论文 第一章 引 言 论文课题的提出 目前在工业生产中， 节能问题己经受到越来越多多的重视， 而油田作为耗电大 户其节能倍受众多人们的关注。电 动机作为将电能转换为机械能的一种转换装置， 在各个领域得到了 广泛应用。 据统计， 我国电动机消耗电能约占 全国用电量的6 0 % 到 7 0 %， 油田每年机械采油耗电量达 4 2亿千瓦时。由于油田 抽油机电机的效率非 常低，总效率只有 1 6 % 2 3 % ,所以造成了 大量、不必要的电能损失m 。因此， 研 发和应用各种高效节能的抽油机，以及不断探索提高抽油机电动机效率的方法，从 而实现电动机节能具有重要的现实意义。 油田 抽油机配套的电动机大多处于轻载运行状态，因 此电动 机的 功率利用率很 低，造成这种现象主要原因有两个: 一是抽油机负 载要求启动转矩大，因此设计抽油机的电机选型偏大，而运行中 实耗功率一般都小于装机功率 1 / 3 ，使抽油机 电动机处于轻载运行状态; 二是抽油机负载特性造成的。 抽油机载荷是脉动载荷，这意味着抽油机在一个 冲程里有相当一部分时间处于轻载运行。 抽油机负荷为周期性脉动负荷， 并迭加有瞬间的 冲击，为了 减小抽油机上下冲 程中负荷的 波动， 一般都配有平衡系统。 抽油机的负荷曲 线上有两个峰值，分别为 抽油机上下冲程的 “ 死点” ， 由于抽油机 自由停车后再启动时，必须从 “ 死点 ”处 开始启动，因此抽袖机启动需要的转矩很大。为了保证足够大的 启动转矩，抽油机 电 机在选择时留有一定的 余量;另外，考虑到泵挂深度、动液面、油粘稠度和井口 回压等因素的影响，使得电动机余量进一步增大;而运行时平均负荷率很低，一般 在2 0 % 左右 ， 负荷 率高 的 也不 过 才3 0 % 12 1 。 因 此， 这 种负 荷 特性 必然 造 成运 行效 率 低，形成 “ 大马拉小车”的 状况，造成大量的 额外电能损失。 因 此， 本课题提出针对 1 1 4 0 v的抽油机电 动机， 研究采用i g b t 控制的 调压节 能方法与技术，实现对电 动机的调压控制、 软启动、运行状态监视和保护，所以课 题研究有重要学术意义和实用价值。 2国内外研究现状 电 力电 子调压技术是随着晶闸管的出现而发展起来的，最早 采用a闸管交流调 压技术实现电动机的软起动是 1 9 7 0年由英国人发明的，由干采用这种方法可以获 得很好的 起动性能，所以曾引 起人们广泛的注意。近二十多年来，国外对晶闸管交 流调压技术进行了广泛的研究，并在工业应用领域得到 了应用，在某些领域应用显 i 华北电力大学硕士学位论文 示出独特的技术优势。 如美国的a b公司生产3 1 5 2 0 0 0 k w的交流调压式电力电子 软起动器，英国的 c t公司，法国的 t e公司，德国 a e g公司及欧洲 a b b公司等 都较早 地推 出了起 动器产 品;德 国的西 门子 公司推出一系列产品 :如 s i r j us 3 r w3 0 / 3 1 适用于 5 5 k w 以 下电机，s i k o s t w 3 r w2 2 适用于 7 1 0 k w 以下电 动机， s i k o s t s r t 2 r w3 4 适用于 1 0 5 0 k w 以 下电机。同时，从软起动出 现就伴随着是否 能实现节约能源问题的研究。 目前，国 外对于晶闸管交流调压技术的研究，己从对通过控制电压控制电 机由 流的开环、闭 环方式，发展到通过建立比较准确实用的数学模型，找到适于三相交 流调压电路电机负载的控制方法，从而可使三相交流调压控制的负载特性达到更 优 。例如，将变频调速中的矢量控制和磁场定向控制引入了调压控制之中，创立了 软转矩控制 5 2 我国对这方面的研究始于 9 0年代，一些院校或科研单位对电动机软启动调压 控制技术都作过一些研究，浙江大学的晶闸管调压节能控制策略研究已 进入实用化 阶段5 0 , 5 1 . 湖南开利科技股份有限公司研制的晶闸 管调压，适用各种功率的软起动 控制器 5 3 ;大庆石油学院研制的晶闸管调压装置也己 在大庆油田得到了 应用 3 , 4 但总体来说，国内外研制的基于晶闸管控制的三相交流调压装置主要用于大容 量电动机 的软启动控制，对晶闸管调压装置用于正常运行时，装置的谐波问题仍在 研究、探讨之中;而基于 i g b t的斩波式调压技术研究则处于起步阶段，国内外都 无成功产品，大都停留在实验室的阶段 5 , 6 , 7 1 ;特别是针对 1 1 4 0 v高压电动机 i g b t 调压装置，国内外尚未见相关的文献报道。 因此， 本课题针对 1 1 4 0 v电动机的、 采 用 i g b t技术的研究工作，具有重要的学术意义和应用价值。 3 论文的主要研究工作 本论文针对1 1 4 0 v 电压等级的抽油机电 动机，设计了一种新型的、基于i g b t 控 制的调压装置，并对与其相关的问题进行了 深入的 研究，完成了 大量的分析、 研究 和计算工作量。 其中，主要成果包括以 下几个方面: i 、在分析了抽油机负载特性和常用节能方法基础上，提出了 对油田抽油机这 种特殊负荷， 要提高电 动机的功率利用率，降低抽油机的电 能损耗，采用以 功率因 数为控制量的调压控制是最科学、最有效的方法 。 2 、通过对几种常用的调压电路的 分析比较，根据抽油机电动机调压控制和续 流 控 制 的 需 要 ， 提 出 了 一 种 新 的 调 压 控 制 电 路 ， 并 通 过 理 论 分 析 与 仿 享 计 算 验 证 了 电路的可行性;该电路具有电路简单、使用器件少的优点。 3 、针 对1 1 4 0 v 电 压等级的电动机调压控制需要， 在阅读大量文献和调查研究基 础上，完成了调压装置主电路的设计任务; 包括高压工 g b t 器件选择， i g b t 驱动电路、 华北电力大学硕士学位论文 示出独特的技术优势。 如美国的a b公司生产3 1 5 2 0 0 0 k w的交流调压式电力电子 软起动器，英国的 c t公司，法国的 t e公司，德国 a e g公司及欧洲 a b b公司等 都较早 地推 出了起 动器产 品;德 国的西 门子 公司推出一系列产品 :如 s i r j us 3 r w3 0 / 3 1 适用于 5 5 k w 以 下电机，s i k o s t w 3 r w2 2 适用于 7 1 0 k w 以下电 动机， s i k o s t s r t 2 r w3 4 适用于 1 0 5 0 k w 以 下电机。同时，从软起动出 现就伴随着是否 能实现节约能源问题的研究。 目前，国 外对于晶闸管交流调压技术的研究，己从对通过控制电压控制电 机由 流的开环、闭 环方式，发展到通过建立比较准确实用的数学模型，找到适于三相交 流调压电路电机负载的控制方法，从而可使三相交流调压控制的负载特性达到更 优 。例如，将变频调速中的矢量控制和磁场定向控制引入了调压控制之中，创立了 软转矩控制 5 2 我国对这方面的研究始于 9 0年代，一些院校或科研单位对电动机软启动调压 控制技术都作过一些研究，浙江大学的晶闸管调压节能控制策略研究已 进入实用化 阶段5 0 , 5 1 . 湖南开利科技股份有限公司研制的晶闸 管调压，适用各种功率的软起动 控制器 5 3 ;大庆石油学院研制的晶闸管调压装置也己 在大庆油田得到了 应用 3 , 4 但总体来说，国内外研制的基于晶闸管控制的三相交流调压装置主要用于大容 量电动机 的软启动控制，对晶闸管调压装置用于正常运行时，装置的谐波问题仍在 研究、探讨之中;而基于 i g b t的斩波式调压技术研究则处于起步阶段，国内外都 无成功产品，大都停留在实验室的阶段 5 , 6 , 7 1 ;特别是针对 1 1 4 0 v高压电动机 i g b t 调压装置，国内外尚未见相关的文献报道。 因此， 本课题针对 1 1 4 0 v电动机的、 采 用 i g b t技术的研究工作，具有重要的学术意义和应用价值。 3 论文的主要研究工作 本论文针对1 1 4 0 v 电压等级的抽油机电 动机，设计了一种新型的、基于i g b t 控 制的调压装置，并对与其相关的问题进行了 深入的 研究，完成了 大量的分析、 研究 和计算工作量。 其中，主要成果包括以 下几个方面: i 、在分析了抽油机负载特性和常用节能方法基础上，提出了 对油田抽油机这 种特殊负荷， 要提高电 动机的功率利用率，降低抽油机的电 能损耗，采用以 功率因 数为控制量的调压控制是最科学、最有效的方法 。 2 、通过对几种常用的调压电路的 分析比较，根据抽油机电动机调压控制和续 流 控 制 的 需 要 ， 提 出 了 一 种 新 的 调 压 控 制 电 路 ， 并 通 过 理 论 分 析 与 仿 享 计 算 验 证 了 电路的可行性;该电路具有电路简单、使用器件少的优点。 3 、针 对1 1 4 0 v 电 压等级的电动机调压控制需要， 在阅读大量文献和调查研究基 础上，完成了调压装置主电路的设计任务; 包括高压工 g b t 器件选择， i g b t 驱动电路、 华北 电力大学硕士学位论文 保护电路，散热器等部分的 详细分析、设计和计算。 4 、根据调压装置软启动、调压控制、保护等功能要求，完成了 基于 d s p 2 4 0 7 a 的调压控制器设计，包括控制器硬件系统和软件系统的详细设计;给出了硬件系统 原理图、制版图，以及软件系统各功能模块的程序流程图。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 调压控制方案的研究 2 . 1 抽油机负载特性分析 游梁式抽油机是油田的主要生产设备， 它将石油从地底提升到地面上来，从而 完成采油任务;同时它又是油田 主要耗电设 备，用电量约占 油田总用电 量的 4 0 % 左 右 。 抽油机的拖动装置绝大部分是异步电动机; 其中，鼠笼型异步电机因结构简单、 坚固、惯量小、运行可靠、维修少、制造成本低及能用于恶劣环境等优点， 使其成 为油梁式抽油机主要动力驱动装置， 得到了广泛 的应用 。由于抽油机 电机都处于不 满负载的状态下工作，因此电机负载率低，功率因数低，浪费电能严重 8 ) 另外，考虑到启动负荷及复杂 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。因此抽油机在工作时，约有一半时间处于接近空载的 工作状态( 称空载周期) ， 另一半时间处于带负荷的状态( 称工作周期) 。在空载周期， 电动机成为一个接近纯电 感的负载。 造成电力系统的无功功率损耗增大， 引起不必 要的有功功率损耗。目 前， 它平均负载率为 2 0 % -3 0 % 之间， 一部分抽油机井的负载 率更低， 造成能 源的极大浪费。将先进的 节能技术应用于机械采油井上，对减少机 械采油井的能耗，降低原油生产成本，提高油田开发的经济效益是非常必要的， 而 且机械采油井的节能潜力很大， 经济效益非常可观。 交流感应电机的工作原理是在 定子的对称三相绕组中通过三相对称 电流产生 三相旋 转磁 动势 力 9 1 。 其中， 基 波磁动 势 作用 于光 滑气隙 ， 并 在气隙 中 产生 旋转 磁 场;基波旋转磁场以同步转速 二6 0 f / p旋转，切割定、转子绕组而分别在绕组中感 生电动势;转子电动势在自 成闭 合回路的转子绕组中产生电 流:该电流与气隙中基 波磁场作用，产生电磁转矩，从而使转子旋转驱动机械负载。 一日 r $,.k “ - ; rr拼- - 1 .一 一 牛r 图2 - 1三相异步电动机的简化等值电路 图2 - 1 中， r , , r2 为定 子 绕 组每 相电 阻 和转 子 折算到 定 于 边的 每相电 阻 ， 为 励磁电阻，为励磁电 抗，x 1 , x ， 为定于绕组每相漏电 抗和转子折算到定子边的每 华北电力大学硕士学位论文 第二章 调压控制方案的研究 2 . 1 抽油机负载特性分析 游梁式抽油机是油田的主要生产设备， 它将石油从地底提升到地面上来，从而 完成采油任务;同时它又是油田 主要耗电设 备，用电量约占 油田总用电 量的 4 0 % 左 右 。 抽油机的拖动装置绝大部分是异步电动机; 其中，鼠笼型异步电机因结构简单、 坚固、惯量小、运行可靠、维修少、制造成本低及能用于恶劣环境等优点， 使其成 为油梁式抽油机主要动力驱动装置， 得到了广泛 的应用 。由于抽油机 电机都处于不 满负载的状态下工作，因此电机负载率低，功率因数低，浪费电能严重 8 ) 另外，考虑到启动负荷及复杂 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。因此抽油机在工作时，约有一半时间处于接近空载的 工作状态( 称空载周期) ， 另一半时间处于带负荷的状态( 称工作周期) 。在空载周期， 电动机成为一个接近纯电 感的负载。 造成电力系统的无功功率损耗增大， 引起不必 要的有功功率损耗。目 前， 它平均负载率为 2 0 % -3 0 % 之间， 一部分抽油机井的负载 率更低， 造成能 源的极大浪费。将先进的 节能技术应用于机械采油井上，对减少机 械采油井的能耗，降低原油生产成本，提高油田开发的经济效益是非常必要的， 而 且机械采油井的节能潜力很大， 经济效益非常可观。 交流感应电机的工作原理是在 定子的对称三相绕组中通过三相对称 电流产生 三相旋 转磁 动势 力 9 1 。 其中， 基 波磁动 势 作用 于光 滑气隙 ， 并 在气隙 中 产生 旋转 磁 场;基波旋转磁场以同步转速 二6 0 f / p旋转，切割定、转子绕组而分别在绕组中感 生电动势;转子电动势在自 成闭 合回路的转子绕组中产生电 流:该电流与气隙中基 波磁场作用，产生电磁转矩，从而使转子旋转驱动机械负载。 一日 r $,.k “ - ; rr拼- - 1 .一 一 牛r 图2 - 1三相异步电动机的简化等值电路 图2 - 1 中， r , , r2 为定 子 绕 组每 相电 阻 和转 子 折算到 定 于 边的 每相电 阻 ， 为 励磁电阻，为励磁电 抗，x 1 , x ， 为定于绕组每相漏电 抗和转子折算到定子边的每 华北电力大学硕士学位论文 相漏电 抗，u , 为 定子 相电 压，i , 为定 于相电 流，i 2 为 转子电 流 折 算值。 电机都必须消耗一定的能量以提供磁场让电机连续工作。当供给笼形电机的电 压恒定时， 由此产生的磁通也保持恒定， 在额定转速下， 磁场消耗的能量保持恒定， 与负载所需的转矩无关。 从能量转换的角度出发，电源输入电机的功率为: 月= m , 叭1 , c o s 0 1 ( 2 - 1 ) u ， 定子的相电压;i , 定子相电流; ，m ， 定子相数;c o s rp ， 功率因数。 1尸.么 !p七!盆以 !pr|1与 1户 id勺!工 图 2 - 2电动机的功率分布图 君: 输 入功 率p m : 转 子的电 磁 功率p: 总 机 械功 率 p 2 :机械功率p c o :定子铜耗p f :定子铁耗 p c . 2 :转 子 铜耗p 。 十 p s : 机 械损 耗加附 加损 耗 支持负载转矩的能量取决于转矩的 大小。当负载转矩增加， 转子转速会稍微下 降( 转差率增大) ，使得感应的 转子电 流上升以增加转矩。 转子中增加的电流由定子 线圈中增加的电流来平衡。 相反， 如果需要的负载转矩减小，转差率减少，转子电流下降，定子电流也相 应下降。但在端电压恒定的情况下，定子中提供磁场的电流在任何负载转矩条件下 将保持恒定。结果是感应电机 的效率随负载的减少而降低 。 事实上，很少电机始终在额定条件下运行。 通常选择的标准电 机其标称值均高 于驱动负载的最大需求。由于这一原因，所选择的电机几乎一定是超出标准的，当 提供额定电 压时，即使满负 荷运行也有节电空间。 此外， 有些应用其负荷本来就是 变化的，而选择的电机大小必须能满足最大负荷时的需求，尽管最大负荷只是间断 出现， 而其它时间负荷要小得多。 由 子电 机 产生 的转 矩 与 供电电 压的 平 方 成 正比 ， 降 低 端电 压将 减少 转 矩。 降 低 端电 压，实际上是降 低了电 机的额定输出功率，也意味着所需磁场能量的减少。因 此利用这一原理，可从空载至多数负荷情况下保持恒定的电机效率。 尹 原则上，在轻载条件下， 如果能将过剩的励磁电 流减少到仅仅与保持负荷的恒 定转矩相匹配， 则可使电 机的运行效率提高。通过改变电 机的相位角实 现控制。在 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 3中，电 压v和电流i 均以 相量形式表示。两者之间的夹角即相位角可定义为 电流超前或滞后电压的量。 对于感应电 机，电流通常滞后于电压。功率因数( q p f ) 是量化的电流一 电压滞后的三角关系。 巧卉 ， 望 以 i e = 转子电压x s = 定子感抗 功率因数= c o s 夕 图2 - 3 电机功率因数与相位角关系的描述 在不同的负荷条件下，电流、电压的相位角将随之改变。图 2 - 4 是电机电压和 电流在不同负荷条件下的说明。请注意，在部分负荷条件下，相位角或电压和电流 之间的时间滞后将增加。通常，在负载情况下，电机的电流滞后于电压 3 0 0 ;在空 载情况下，电机的电流滞后于电压 8 0 0 0 电 压 时间 9相位角 嘴盆时电视 8相位角 部分负荷时电机 ( a ) ( b ) 图 2 - 4不同负载状况下电流相对于电压的滞后关系 因 此， 如 果能 连续 地监 测电 机电 压和电 流 之间的 相 位角 ( 功率 因 数角) ， 通 过使 用 i g b t等半导体开关元件来” 切削” 电 压而进行控制，只允许电源电压正半周和负 半周的一部分供给电机。 这样的结果是降 低了供给电机的均方根电压。结果， 磁滞 损耗最小化，相位角回到原来的大小，电机效率提高。为了更好的理解为什么损耗 会最小化，下面进一步分析电机负荷变化时将影响哪些因素。 异步电 动 机的 工作特 性 如图2 - 5 所 示。 当电 动机 处 于空 载时， 输出 的 功率p 2 为 零，电 动 机的 电 磁 转矩只 用于 克服空 载转 矩。 此时 转 子电 流、 转 子铜 损耗 很 小， 且 可忽 略; 转差 率 也 很小， 接 近于 零，电 动 机的转 速 接 近同 步 转 速n 1 o随 着 负 载的 增 加，p 2 增大， 这时 转 子电 动 势、 转于 电 流 均增 大， 以 产生 大的电 磁转 矩 来平 衡负 载 6 华北 电力大学硕士学位论文 转矩.相应的 转速有所下降，但降得不多; 转差率增加并不很大。因此，转速n 是 稍微 向下倾斜的一条近似直线的曲线。 笋叭 图2 - 5异步电动机的工作特性 电动 机空 载 时， 转 子电 流差 不多 为零， 定 子电 流等 于 励磁电 流i m 。 随 着负 载增 加， 转速下降 ， 转子电 流 增 大， 定于电 流也 增 大。 当 输出 功 率p 2 较 大时， 定子电 流 几乎随只按正比 例增加。 空载时i , = i , ， 空 载电 流基 本上 是无 功电 流， 因 此空 载 功率因 数 很 低， 一般 不 超过0 .2 。 当 负 载 增大时 ， 定 子电 流中 的 有功电 流增 加， 使c o s q) ， 提高 得 较快. 当 接 近额定负 载时 ，c o s p ， 最高 。 输出 转 矩t = p z + t ， 电 动机 空 载时 ，电 磁 转矩t = t o ， 随 着负 载 增大 ，只 增加 ， 由 于机械角速度m 变化不大，电磁转矩随p 2 的变化，近似地为一条直线。 电 动机 空 载时， 几= 0 , 77 = 0 a 随 着 输出 功率几 增加， 其效 率也 在 增 加， 但效 率的高低决定于损耗在输入功率中 所占的比 重。电 动机损耗中的铁损耗和机械损耗 基本上不随负载的变化而变化，称为不变损耗;而铜损耗和附加损耗随负载的变化 而变化，称为可变损耗。当输出功率增加时，由于可变损耗增加较慢，所以效率上 升较快。当可变损耗等于不 变损耗时，电动机的效率最高，约为0 . 7 5 - 0 . 9 4 ， 此时 负 载出现在0 . 7 -0 . 9 4 倍额定功率范围内。 异步 电动机为感性负载，它从 电网中吸收一定数量 的无功功率，来维持主磁通 和定、转于漏磁通来运行。在额定电 压下轻载运行时的铁损和机械损耗，与额定负 荷时相差极小，在总损耗中占的比例较大，因此运行效率较低。此时若降低输入电 压， 异 步电 动 机的 反电 动 势 和主 磁 通均减 少， 激磁电 流中 的 磁化电 流 随着铁 芯 饱和 程度的下降而降 低。负荷电 流下降，而铁耗与输入端电 压的平方成正比， 铜损与磁 化 电流的平方成正比。 华北电力大学硕士学位论文 因此，在抽油机运行时，如果能跟随抽油机油井的载荷变化，自 动地跟踪调节 电 动机的输入电 压，即载荷小时降 低电 动机的 输入电压，载荷大时升高电 动机的 输 入电压，则能有效减少电 动机的损耗， 提高电 动机的运行效率和功率因数，从而实 现电动机的降损、节能的目 的p o , i 2 . 2油田常用节能方案分析 2 . 2 . 1采用电 容补偿 电容补偿是我国最早使用的一种节能方法，它有两种方式，就地补偿和集中补 偿。就地补偿是将电容器装在异步 电动机附近，就地进行无功补偿。这种方式既能 提高 功率因数，减少无功损耗，又能改善用电设备的电压质量。但是不能降低电动 机本身的有功损耗，而且投资大，成本高。 集中补偿，不是每台电机都并联电容进 行补偿，而是在总电源端集中进行补偿，特点 是投资少，但只能减少外部供电 线路 的线损，对内部线路的线损无能为力， 效果不如就地补偿方式，并且也不能降低电 动机本身的有功损耗。目前这种方法仍在使用，主要作用是提高电 机的功率因数， 以达到供 电系统对用户的要求标准 。 2 . 2 . 2采用新型电动机 ( 1 ) 超高转差电动机 这种电动机的 特点是转子电阻 较大，通过增加转子电阻， 从而提高电 机的起动 转矩，降低安装容量。其机械特性软，遇到换向冲击载荷时，转速下降，靠曲柄惯 性作用， 减速器和电动机的扭矩变化趋于平缓， 峰值扭矩明显降低， 从而改善了机、 杆、泵的配含，提高了泵的 充满系数， 增加产液量，达到系统节能的目 的。 这种电 动机的不足是滑差高，损耗较大，效率低。额定效率一般只有 0 . 8 ，遇冲击载荷时 速度下降，效率更低，电动机发热较严重。 ( 2 ) 永磁电 动机 永磁电动机 以永磁材料作为励磁装置。由于运行时不需要无功的励磁电来产生 磁场，转子损耗比普通异步电动机小得多，电动机本身的效率比普通 y系列电动机 高， 电机节能效果较好。 这种电 机由 于采用笼型自 起动结构其m- s曲 线并不理想， 其额定运行时机械特性比y系列电动机还硬，因此不能改善机、杆、泵系统配合， 起不到系统节能的作用。 启动电流比y系列电动机还大，启动过程中，电动机转矩 有振 荡。 为 提高 起 动转 矩必 须 适当 增 加有 效 材料。 且由 于 永 磁材 料 价 络昂 贵 】 相同 功率的稀土永磁电动机比y系列电动机成本大约高5 0 倍， 致使该电机生产成本高， 价格远超过感应电机，难以大量推广使用。 ( 3 ) 双功率电 动机 8 华北电力大学硕士学位论文 因此，在抽油机运行时，如果能跟随抽油机油井的载荷变化，自 动地跟踪调节 电 动机的输入电 压，即载荷小时降 低电 动机的 输入电压，载荷大时升高电 动机的 输 入电压，则能有效减少电 动机的损耗， 提高电 动机的运行效率和功率因数，从而实 现电动机的降损、节能的目 的p o , i 2 . 2油田常用节能方案分析 2 . 2 . 1采用电 容补偿 电容补偿是我国最早使用的一种节能方法，它有两种方式，就地补偿和集中补 偿。就地补偿是将电容器装在异步 电动机附近，就地进行无功补偿。这种方式既能 提高 功率因数，减少无功损耗，又能改善用电设备的电压质量。但是不能降低电动 机本身的有功损耗，而且投资大，成本高。 集中补偿，不是每台电机都并联电容进 行补偿，而是在总电源端集中进行补偿，特点 是投资少，但只能减少外部供电 线路 的线损，对内部线路的线损无能为力， 效果不如就地补偿方式，并且也不能降低电 动机本身的有功损耗。目前这种方法仍在使用，主要作用是提高电 机的功率因数， 以达到供 电系统对用户的要求标准 。 2 . 2 . 2采用新型电动机 ( 1 ) 超高转差电动机 这种电动机的 特点是转子电阻 较大，通过增加转子电阻， 从而提高电 机的起动 转矩，降低安装容量。其机械特性软，遇到换向冲击载荷时，转速下降，靠曲柄惯 性作用， 减速器和电动机的扭矩变化趋于平缓， 峰值扭矩明显降低， 从而改善了机、 杆、泵的配含，提高了泵的 充满系数， 增加产液量，达到系统节能的目 的。 这种电 动机的不足是滑差高，损耗较大，效率低。额定效率一般只有 0 . 8 ，遇冲击载荷时 速度下降，效率更低，电动机发热较严重。 ( 2 ) 永磁电 动机 永磁电动机 以永磁材料作为励磁装置。由于运行时不需要无功的励磁电来产生 磁场，转子损耗比普通异步电动机小得多，电动机本身的效率比普通 y系列电动机 高， 电机节能效果较好。 这种电 机由 于采用笼型自 起动结构其m- s曲 线并不理想， 其额定运行时机械特性比y系列电动机还硬，因此不能改善机、杆、泵系统配合， 起不到系统节能的作用。 启动电流比y系列电动机还大，启动过程中，电动机转矩 有振 荡。 为 提高 起 动转 矩必 须 适当 增 加有 效 材料。 且由 于 永 磁材 料 价 络昂 贵 】 相同 功率的稀土永磁电动机比y系列电动机成本大约高5 0 倍， 致使该电机生产成本高， 价格远超过感应电机，难以大量推广使用。 ( 3 ) 双功率电 动机 8 华北电力大学硕士学位论文 因此，在抽油机运行时，如果能跟随抽油机油井的载荷变化，自 动地跟踪调节 电 动机的输入电 压，即载荷小时降 低电 动机的 输入电压，载荷大时升高电 动机的 输 入电压，则能有效减少电 动机的损耗， 提高电 动机的运行效率和功率因数，从而实 现电动机的降损、节能的目 的p o , i 2 . 2油田常用节能方案分析 2 . 2 . 1采用电 容补偿 电容补偿是我国最早使用的一种节能方法，它有两种方式，就地补偿和集中补 偿。就地补偿是将电容器装在异步 电动机附近，就地进行无功补偿。这种方式既能 提高 功率因数，减少无功损耗，又能改善用电设备的电压质量。但是不能降低电动 机本身的有功损耗，而且投资大，成本高。 集中补偿，不是每台电机都并联电容进 行补偿，而是在总电源端集中进行补偿，特点 是投资少，但只能减少外部供电 线路 的线损，对内部线路的线损无能为力， 效果不如就地补偿方式，并且也不能降低电 动机本身的有功损耗。目前这种方法仍在使用，主要作用是提高电 机的功率因数， 以达到供 电系统对用户的要求标准 。 2 . 2 . 2采用新型电动机 ( 1 ) 超高转差电动机 这种电动机的 特点是转子电阻 较大，通过增加转子电阻， 从而提高电 机的起动 转矩，降低安装容量。其机械特性软，遇到换向冲击载荷时，转速下降，靠曲柄惯 性作用， 减速器和电动机的扭矩变化趋于平缓， 峰值扭矩明显降低， 从而改善了机、 杆、泵的配含，提高了泵的 充满系数， 增加产液量，达到系统节能的目 的。 这种电 动机的不足是滑差高，损耗较大，效率低。额定效率一般只有 0 . 8 ，遇冲击载荷时 速度下降，效率更低，电动机发热较严重。 ( 2 ) 永磁电 动机 永磁电动机 以永磁材料作为励磁装置。由于运行时不需要无功的励磁电来产生 磁场，转子损耗比普通异步电动机小得多，电动机本身的效率比普通 y系列电动机 高， 电机节能效果较好。 这种电 机由 于采用笼型自 起动结构其m- s曲 线并不理想， 其额定运行时机械特性比y系列电动机还硬，因此不能改善机、杆、泵系统配合， 起不到系统节能的作用。 启动电流比y系列电动机还大，启动过程中，电动机转矩 有振 荡。 为 提高 起 动转 矩必 须 适当 增 加有 效 材料。 且由 于 永 磁材 料 价 络昂 贵 】 相同 功率的稀土永磁电动机比y系列电动机成本大约高5 0 倍， 致使该电机生产成本高， 价格远超过感应电机，难以大量推广使用。 ( 3 ) 双功率电 动机 8 华北电力大学硕士学位论文 双功率电动机与普通 y系列电动机的区别在于定子绕组不同， 定子绕组是两个 可并联运行的绕组。机座与普通 y系列电动机相同。比如原来 3 7 k w 的电动机， 现 在其定子绕组设计成一个为 2 2 k w， 一个为 1 5 k w。 电控箱中有一个电流检测电路， 并且能够实现绕组的自 动切换。启 动时可令两 个绕组分时投入( 时差约 0 . 5 s ) ，总的 启动电流减小。当负荷率低于 6 0 %时，可令 2 2 k w 的绕组运行:当负荷率低于 4 0 % 时，可令 1 5 k w的绕组运行。如果抽汲工况发生变化， 负荷较大时， 两个绕组都投 入。 这样， 电动机在各种情况下都有较高的负荷率， 解决了 “ 大马拉小车” 的问题。 电动机运行效率和功率因 数都有较大提高，原有电动机的改造成本也低。缺点是不 能解决系统配合的问题，起不到系统节能的作用 。 ( 4 ) 绕线式异步电动机 方 法是 在普 通 绕线 式 异步电 动 机 ( y z r系 列 ) 转子 滑环的 输出 引 线 端接 一 个三 相 整流桥，整流桥后接一大功率电阻，电阻两端并联一个电力电子开关( i g b t ) 。根据 电动机电流的变化规律， 控制 i g b t以脉宽调制( p w m) 方式通断，构成调制斩波电 阻，使得在换向或冲击载荷时电动机的机械特性变软，从而改善系统的配合，提高 系统效率。在 曲柄转过换向点时控制 i g b t导通，切断电阻，使电动机工作在硬特 性，效率恢复到正常值。 这不仅兼顾了超高滑差电动机和普通电动机的 优点，同时 又克服 了两者的缺点。这种电动机的另一个优点是启动电流小，是额定电流的 2 0 倍，而且启动转矩大， 系统效率的提高与超高转差电动机相近，但电 阻损耗和器件 损耗比超高 转差电 动机低，而且损耗是在电 动机外部，电动机不会过热。其成本较 高 ，可靠性较差。 2 . 2 . 3采 用调速调压 调速即根据不同负载情况和转速要求，通过改变频率来调节电动机的转速，可 以在大范围内实现平滑调速、效率、对负载适用范围广， 但控制复杂，投资也较大。 变频 调速在抽油机上使用有苛刻条 件，即要求交流电 机负发电小，否则将有强烈的 扭矩脉动现象。因电机负发电使变频器的换能器件( g t r , i g b t ) 的受控条件发生变 化，而使换能器件不受内部芯片命令的控制( 换相失败) ， 这包括现有大量的 “ 双向 可控硅节能控制柜” 对交流电机负发电 都有扭矩脉动现象。从而使它们在大多数抽 油机上仅能对电 机的无功功率上有所作为，提高了 交流电 机的功率因数，而有功节 电率几乎与其自 身的转换损耗相抵1 1 2 , 1 3 , 1 4 1 调压即 根据负载的变化， 相应的 调节交流电 动机端电 压，减少电动机的 损耗， 使 其始终工作在最佳 状态。 通常的调压方式有 -y 变换， 交流相控调压鉴 交流斩波调 压。由于晶闸管不消耗铜铁材料，体积小，价格便宜， 控制方便，成为交流调压的 主要形式;但移相控制方式时属于非正弦波输出，因此采用晶闸管相控降压时，产 华北电力大学硕士学位论文 双功率电动机与普通 y系列电动机的区别在于定子绕组不同， 定子绕组是两个 可并联运行的绕组。机座与普通 y系列电动机相同。比如原来 3 7 k w 的电动机， 现 在其定子绕组设计成一个为 2 2 k w， 一个为 1 5 k w。 电控箱中有一个电流检测电路， 并且能够实现绕组的自 动切换。启 动时可令两 个绕组分时投入( 时差约 0 . 5 s ) ，总的 启动电流减小。当负荷率低于 6 0 %时，可令 2 2 k w 的绕组运行:当负荷率低于 4 0 % 时，可令 1 5 k w的绕组运行。如果抽汲工况发生变化， 负荷较大时， 两个绕组都投 入。 这样， 电动机在各种情况下都有较高的负荷率， 解决了 “ 大马拉小车” 的问题。 电动机运行效率和功率因 数都有较大提高，原有电动机的改造成本也低。缺点是不 能解决系统配合的问题，起不到系统节能的作用 。 ( 4 ) 绕线式异步电动机 方 法是 在普 通 绕线 式 异步电 动 机 ( y z r系 列 ) 转子 滑环的 输出 引 线 端接 一 个三 相 整流桥，整流桥后接一大功率电阻，电阻两端并联一个电力电子开关( i g b t ) 。根据 电动机电流的变化规律， 控制 i g b t以脉宽调制( p w m) 方式通断，构成调制斩波电 阻，使得在换向或冲击载荷时电动机的机械特性变软，从而改善系统的配合，提高 系统效率。在 曲柄转过换向点时控制 i g b t导通，切断电阻，使电动机工作在硬特 性，效率恢复到正常值。 这不仅兼顾了超高滑差电动机和普通电动机的 优点，同时 又克服 了两者的缺点。这种电动机的另一个优点是启动电流小，是额定电流的 2 0 倍，而且启动转矩大， 系统效率的提高与超高转差电动机相近，但电 阻损耗和器件 损耗比超高 转差电 动机低，而且损耗是在电 动机外部，电动机不会过热。其成本较 高 ，可靠性较差。 2 . 2 . 3采 用调速调压 调速即根据不同负载情况和转速要求，通过改变频率来调节电动机的转速，可 以在大范围内实现平滑调速、效率、对负载适用范围广， 但控制复杂，投资也较大。 变频 调速在抽油机上使用有苛刻条 件，即要求交流电 机负发电小，否则将有强烈的 扭矩脉动现象。因电机负发电使变频器的换能器件( g t r , i g b t ) 的受控条件发生变 化，而使换能器件不受内部芯片命令的控制( 换相失败) ， 这包括现有大量的 “ 双向 可控硅节能控制柜” 对交流电机负发电 都有扭矩脉动现象。从而使它们在大多数抽 油机上仅能对电 机的无功功率上有所作为，提高了 交流电 机的功率因数，而有功节 电率几乎与其自 身的转换损耗相抵1 1 2 , 1 3 , 1 4 1 调压即 根据负载的变化， 相应的 调节交流电 动机端电 压，减少电动机的 损耗， 使 其始终工作在最佳 状态。 通常的调压方式有 -y 变换， 交流相控调压鉴 交流斩波调 压。由于晶闸管不消耗铜铁材料，体积小，价格便宜， 控制方便，成为交流调压的 主要形式;但移相控制方式时属于非正弦波输出，因此采用晶闸管相控降压时，产 华北电力大学硕士学位论文 生高次谐波会影响77 的提高程度及c o s的改善程度。交流斩波调压采用全控器件和 脉宽调制技术，可极大减少谐波，目 前正得到广泛应用 i s , i s , ; , l a 通过以 上的分析， 我们可以看出，目 前采用的一些电 机节能方法、技术，大都 存在着这样或那样的问 题，还有待于进一步的提高。且一次性更换所有在用的普通 电 机费用太高，它更适于新建油田的电机选型和老式油田 设备的逐步更新。而变频 调速控制复杂，投资太大，因此调压方式是主要发展方向。 2 . 3交流调压方案的分析 目前， 市场上的开关型交流稳压器类产品，一般采用相控交流/ 交流变换器加 隔离升压变压器结构。由于采用了 各周期相控技术，其响应时间可以小于一个电网 电压周期。但其输出电压和电流的谐波含量较高 ，需要较大容量的滤波环节，并且 电 动机的输人功率因数较低。 从国内 外的研究现状来看， 高性能开关型交流电压调 节装置主要是采用交流p wm斩波、单位功率因数变换器和串 联电压源等方案 l 9 2 . 3 . 1采用p wm斩波方式的交流电压调节器 开关型交流电 压调节器产品最初主要采用晶闸管元件， 应用相位控制技术。随 着全控型器件和 p wm技术的广泛应用，人们提出采用交流 p w m 斩波方式的交流 电压调节器。 为克服图2 - 6 ( a ) 中交流p wm斩波器的开关元件多和对门 控信号要求高的缺点， 提出 了 一种 新型 三 相交 流电 压 调节 装 置s 4 ， 其 主电 路结 构 如图2 - 6 (b ) 所 示。 采 用 2 个全控型功率开关，而且开关s 1 - s 3 和 s 4 的通断为互补关系。旁路续流通路有 3 个 旁路电 容， 保证 在前向 通路 和续 流 通路 开 关切 换间的 死区 时间 里 有连 续的 能量 通 路。 采用交流 p w m 斩波方式的交流电 压调节器直接联结于交流电 源与负载之间， 电 压调节装置的容量一般大于负载容量，功率