（电机与电器专业论文）具有短信功能的抽油用自适应电机智能控制器研制.pdf

兰玺耋要：盔：兰竺：兰堡竺三 d e s i g no fi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rw i t hs m s f u n c t i o nf o r s e l f - a d a p t i v em o t o ru s e di no i lp u m p i n g a b s t r a c t t h eb e a mp u m p e rw h i c hi se x t e n s i v e l ya p p l i e di st y p i c a lp u m p i n ge q u i p - m e n tw i t hr o d w i t ht h ec o n s t a n te x p l o i t a t i o no ft h eo i lf i e l d s ，l o w - y i e l d i n gw e l l i si n c r e a s i n g i na d d i t i o n a st h eo i lw e l ld i s t r i b u t i e dr e m o t e l y , t h eb e a mp u m p e r s p a r k i n gc a l ln o tb ed i s c o v e r e di nt i m e ，i tw i l la f f e c to i lp r o d u c t i o n i nt h i st h e s i s ， i no r d e rt om a k et h eb e a mp u m p e rs a v ee n e r g ya n di m p r o v ee f f i c i e n c y , t h e p r o b l e mo fd r ya n de m p t yp u m p i n ga n dp a r k i n gm o n i t o ra r ea n a l y s i s e da n d r e s e a r c h e d a i ma tt h i sp r o b l e m ，an e wt y p eo fs e l f - a d a p t i v ep o w e r s a v i n gm o t o r s y s t e mi sd e s i g n e d i nt h i st h e s i s ，t h ed e s i g no fs e l f - a d a p t i v ep o w e r - s a v i n gm o - t o r si n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ri si n t r o d u c e d c o n s i d e r i n gt h ea c t u a ls i t u a t i o no nt h eo i lf i e l da n dt h em o t o r so u t p u tt o r - q u e sp e r i o d i cc h a n g e ，m o t o r sl o a di sj u d g e db yt h er e g u l a rm e a s u r e m e n to f t h e m o t o r sa v e r a g eo u t p u tp o w e r ad y n a m i cf e e d b a c kl o o pc o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e dt or e a l - t i m em o n i t o rt h ec h a n g ei nt h em o t o r sl o a da n dc o n t r o lt h e m o t o r so u t p u tc h a n g et oi m p r o v ep o w e rf a c t o r i nt h ee v e n to fp a r k i n g ，a sm a n a g e ri sf a ra w a yf r o mw e l l sa n dh ei sd i f f i c u l tt od i s c o v e r , t h es m s m o d u l ei s a p p l i e dt og i v ea na l a r mb ys e n d i n gs h o r tm e s s a g e a l lt h ed o n ew o r ka sf o l l o w ： f i r s t l y 。t h eo i lp u m p e r sw o r kp r i n c i p l ea n dt h em o t o r s l o a dm e a s u r ea r e i n t r o d u c e d ，c o n s i d e r i n gt h eo i l f i e l d sf a c t ，p u tf o r w a r dt h es e l f - a d a p t i v i n gc o n t r o lw h i c hi sb a s e do nt h ec h a n g eo fl o a da n dt h ep u m p o f fc o n t r o lw h e nt h e m o t o rw o r ka t l i g h tl o a d ；s e c o n d l y ，t h em a i nc o n t r o l l e r s c i r c u i ta n dt h e s u p e r v i s ec i r c u i ta r ed e s i g n e d ，i tm a k e st h em o t o r se x p o r tp o w e r s w i t c h t h r e s h o l dc a nb ec h a n g e de a s i l ya tt h el o c a l e a g a i n ，t h et h e o r yo ft h es i n g l e c h i p s c o n t r o lo ft h em o b i l ep h o n et os e n ds h o r tm e s s a g ea n di t sa p p l i c a t i o ni nm o t o r c o n t r o la r ei n t r o d u c e d ；f i n a l l y ，m o d u l a r i z a t i o nd e s i g nm e t h o di sa p p l i e dt ot h e w h o l es y s t e md e s i g ni sd i v i d e di n t os o m ef u n c t i o nm o d u l e sa n dm o d u l e sa r e d e s i g n e ds e p a r a t e l y ，l a t e r ，e a c hf u n c t i o nm o d u l ei si n t e g r a t e di n t ot h ew h o l e n - 竺釜兰垩：查兰：兰登：竺竺兰 s y s t e md e s i g na n dc o m p l e t et h es y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e b u g g i n g i n t h el a b ，t h ef u n c t i o no ft h ec o n t r o l l e rw h i c hi sb a s e do nt h el o a d sc h a n g i n g s w i t c ht h em o t o r sg r a d eo fe x p o r tp o w e ri sr e a l i z e db yt h et e s t i n go ft h e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n td e v i c e k e y w o r d so i l - p u m p i n g ；m o t o rc o n t r o l l e r ；p o w e r - s a v i n g ；s h o r tm e s s a g e - 1 1 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文具有短信功能的抽油用自适应 电机智能控制器研制，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分夕 不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 芍f 幕去莘 日期：o o i , 年3 月l l 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 具有短信功能的抽油用自适应电机智能控制器研制系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部 门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 储躲方喇f 嗍训移肌目 导师签名：日期：旆事月l l - p i 哈尔滨理 大学t 学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题研究的背景及目的和意义 近两年来，在国民经济快速增长的拉动下，我国能源需求增长较快，一些 地区发生了不同程度的能源紧张局面。油价不断上涨，能源短缺问题越来越突 出，严重阻碍经济发展。缺油、缺电、缺煤、缺水将出现这种局面的原因是多 方面的，既与我国目前的经济发展处于工业化、城镇化进程加快的阶段性特点 有关，也与一些高耗能行业的过度发展和对节能重视不够、技术水平低等有 关。为解决能源紧张问题，从供应侧“开源”和需求侧“节流”两个方面，提 高能源利用效率，对缓解能源紧张的具有重要意义。 机械采油是国内各油田的主要生产方式，抽油机一般由电动机驱动。为了 获得良好的起动性能，并考虑到油井结蜡等情况，常按抽油机的最大负荷来选 配电机，抽油机的设计抽取容量常大于油井的实际产量。另外，抽油机负荷为 脉动负荷，在一个冲程里有相当一部分时间处于轻载运行，而且我国油田地质 状况决定了大部分油井在经过一段时间的开采后就会出现油井供液不足抽取能 力大于油井实际负荷出现抽空现象，而且目前几个大油田正处于开采的中晚 期。这使得抽油机长期在轻载或空载状态下运行，每次只能抽取到很少甚至抽 不到油，其平均负载率在3 0 左右“1 ，使得抽油电动机的效率大约为3 0 ，同 时电动机运行中设计容量和负荷量的不匹配，也使得电动机功率因数和效率降 低，同时使得电网供电质量降低。抽油无效行程增加，造成了电能的大量浪 费，而且长期运行使抽油设备机械损耗加大，加速设备老化。维护费用增高。 目前油田生产中电能耗用巨大，而抽油电动机的用电量又占油田用电量的绝大 部分，由于我国高速的经济发展需要大量的原油，因此许多低产油井仍在继续 采油。如何使这类抽油机在基本不影响产量的情况下大幅度节能，是一个急待 解决的课题。如何在不影响产量的情况下大幅度节能具有重大意义。 有杆抽油是世界石油工业传统的采油方式之一，也是迄今在采油工程中一 直占主导地位的人工举升方式。据估计全国共有五至六万台抽油机在运行。按 文献数据，抽油机井占各油田生产井数的8 0 ，产液量占各油田的6 0 ，产油 量占各油田的7 5 ，能耗占油田总能耗的三分之一。由于我国各油田每年要有 几千口新井投入生产，连同己有设备的更新，每年需要新增几千台抽油机。长 哈尔滨理t 大学_ 学硕+ 学位论文 期以来，石油行业的专家、技术人员一直致力于在不降低产量的前提下如何避 免抽油机出现空抽，从而减少无效电耗和机械损耗。控制抽油机在空抽状态下 停止运行是最常用的方法。此时，如何判定抽油机处于空抽状态成为问题的关 键。对此专家们进行了大量的研究，并取得了不少成果，在实际运行中也出 现了采取人工操作、辅助测量、定时控制等多种控制方法和相应设备。但是由 于处理技术复杂，需要昂贵的仪器设备，因此很长一段时间内都没有理想、实 用的解决方案。随着超大规模集成电路、微处理机的出现，计算机测控技术的 发展，使人们能够用较低廉的成本生产出高效能的节能控制设备。近几年来国 内外纷纷把这一研究的重点集中到以微处理机为核心的智能化抽油机节能控制 装置上。 本课题的意义在于针对采油中电能大量浪费的问题，在不改变原有结构的 基础上，设计了新型节能电动机系统以克服常规抽油电动机控制系统本身存在 的不足，以降低生产成本、提高经济效益，这在理论上不仅是对常规抽油电动 机的一个改进，而且有所创新，因而具有很大的实际意义，若推广使用，对增 产增效、节能降耗、发展油田生产具有重大的实用价值。 1 2 国内外现有的抽油节能控制系统发展现状 鉴于以上的实际情况，如果想提高电能利用效率，应使电机工作于额定负 载附近，此时功率因数将达到最大值，因此只有保证电机容量与负载相匹配， 电机才能安全经济合理地使用。解决问题的关键就是实时检测电机工作状 态，调整输出功率，改变电机的工作特性。从电机本体考虑，提高电机效率和 负荷率，从而提高效率和功率因数。如电磁滑差电动机，稀土永磁同步电动机 等的设计，但是提高电动机效率的潜力不大，提高几个百分点就很不容易，而 且以提高电动机成本为代价；改变电机的机械特性，使抽油机与电动机较好地 配合，提高系统效率。目前有如下常用的几种方法“”“1 。 1 采用超高转差率电机代替目前的普通电机采用超高转差率电动机，这 种电动机的主要特点是机械特性软，上冲程转速减慢，减小驴头的速度和加速 度从而大大减小抽油系统的动载和电机的峰值扭矩使减速箱扭矩减少1 0 一 2 0 9 6 ，遇到换向冲击载荷时，转速将下降，靠曲柄惯性作用，减速器和电动机 的扭矩变化平缓，峰值扭矩明显降低，从而改善了机、杆、泵的配合，提高了 泵的充满系数，增加了产油量，达到系统节能，延长减速箱的使用寿命和减小 抽油杆断脱的目的。这种电动机的转差率增加是通过增加转子电阻来实现的， 哈尔滨理丁大学t 学硕七学位论文 不足是滑差损耗较大，效率低。额定效率一般只有0 8 ，遇到冲击载荷对速度 下降，效率更低。电动机发热较严重，有的厂家的电动机外壳材料选用铝，以 有利于散热，并且在定子绕组上加温控开关，以控制电动机的温升。 2 采用无功补偿措施节能抽油用电动机可以看作一个感性负载，其在能 量传递过程中建立磁场，在一个周期内吸收的功率和放出的功率相等。 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，进行集中补偿，包括高压集中补 偿和低压分组补偿。电容补偿，可使电网输送的无功功率减少，功率损耗下 降，达到节电的目的，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。 3 采用变频器变频器通过改变定子供电频率来改变电机同步转速，实现 对异步电机的调速，为使电动机具有良好的运行特性，变频器必须兼有调压、 调频两个功能，即在正常调节过程中始终维持u f 基本不变，这样才能具有高 效率、调速范围宽、精度高和无极调速等特点。变频调速调压在保证负载需求 的前提下，最大限度地减少其输入功率，做到了节电运行，但是发电时不能回 馈，要通过电阻把发电能量放掉。主要缺点是成本较高，现场维护难度大，而 且变频器本身也有功率损耗，变频器的谐波对电网有影响，并会使电动机附加 损耗增加。 4 采用调压式抽油电动机当抽油用电动机处在轻载或空载工况时，调节 电动机的供电电压，降低电动机的容量，可较大提高负荷率。近年来，随着电 力电子技术和微电子技术的发展，调压节能得到了广泛地应用。我们可以通过 电力电子器件组成的调压电路来调节电动机的电源电压，如采用晶闸管调压。 采用调压电路后可减少铁耗以及无功电流损耗。但是这种方法只调节电压而电 源频率并没有改变，功率因数也没有改善，而且所选电动机功率下降的不多， 负荷率改善不大，而且会带来除基波以外的许多高次谐波，造成对电网的污 染，并使电动机内部的铁心、绕组、导条转子表面产生商次谐波损耗，更有甚 者由于频繁地通断，影响了匝间的耐压，缩短电机的使用寿命。近年来变频变 压方式应用的更为广泛。变频是在普通电动机电源上加变频器，通过改变交流 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 电机定子供电频率来调节电动机转速的。 5 提高供电电压油井分布广泛，而且是低压用电负荷。因此抽油机配电 系统具有线路长、变压器多而且负荷率低的特点，电网损耗较大，提高配电网 络的额定电压可以减少电网损耗、节省经费和提高供电系统可靠性。 6 定时工作方式采用定时开关的方法使抽油电机间歇工作，可以减轻空 抽时机械损耗和功率损耗，但停机时间设定不当，会影响油井产量。尤其当油 井含油量达到满抽条件时，还采用间歇方式将影响产量。因此准确计算停机时 | 日j ，成为解决问题的关键。 7 合理配备抽油机平衡块主要目标是实现油井负荷变化的精确测量，如 抽油机专用电流表的开发和抽油机测功仪1 1 0 1 的研制，通过测试结果对抽油设备 结构参数进行改造达到运行的最佳状态。例如，目前我国大部分油田采油时均 使用游梁式抽油机，它由交流电动机驱动，电动机在一个冲程内承受的扭矩会 出现正负交变过程。当电动机上作在负扭矩时会转化为发电机，向电网输电的 同时仍需从电网吸收滞后的无功功率，这不但增加线路和电机绕组中的损耗， 还会对电网产生干扰，影响供电质量。为减少电动机负值功率的影响，要为抽 油机合理配备平衡块，这就要求准确监测抽油机的工作状态。正确反映抽油机 对电网充电电流的大小，从而正确合理配备抽油机平衡块。因此研制的抽油机 专用电流表能够比较理想地测出抽油机的平衡比，同时还可以测得电动机的电 压、电流、功率、功率因数，绘制抽油机电机的实际电流曲线和功率曲线，为 工程技术人员提供比较直观的科学依据。 8 s u p e r s a v e r 抽油机节电器s u p c r s a v c r 是以m o t o r o l a6 8 h c l l ( 8 b i t ，8 m h z ) 单片机为控制核心，专门设计用于对活塞式抽油机的节电控制。其 节电原理：令抽油机的工作方式与油井负荷匹配，提高泵的充满度而节电。 s u p e r s a v e r 能够自动测知油井的实际负荷，当半抽或空抽发生时，自动令抽油 机停止工作。只有当井内流体的蓄积量能满足再次连续满油的条件时抽油机才 会再次启动，开始抽取。这样做的结果，就能保证每一抽泵装置都有较高的充 满度，不做无用功，减少低效以至无效抽取。自反馈动能优化，当连续抽满一 段时间后，半满捞或负荷降低的问题会不可避免的发生，通过自反馈机制，当 程序通过计算，确定再装率达不到较佳水平时，s u p e r s a v e r 即令泵装置停止工 作，而当再装率达到某一最佳水平时，又令泵装置投入运行。而且s u p e r s a v e r 可以随机地和动能的调整泵装置的再装间歇周期，根据井下负荷的变化而实现 优化控制。从而在根本上解决了泵装置低效率抽取的问题，有效地实现节电“”。 1 3 课题研究内容及主要工作 随着微型计算机技术的推广和普及，采用最新的软件、硬件技术设计智能 化的抽油控制系统对油田的节能降耗具有重大意义。本课题完成的研究工作如 下： 1 游梁式抽油机节能控制方法的研究根据游梁式抽油机及其控制系统的 工作原理，提出抽油电机负载的测量方法；通过分析采油过程中能量消耗的变 化情况，提出空抽现象发生的判断方法，提出了基于测量电机负载的变化自动 调整电机输出功率和发生空抽情况电机间歇工作的节能控制方法。 2 自适应电机智能控制器设计研制以a t 8 9 c 5 2 单片机为核心的抽油用自 适应电机的智能控制器，完成硬件和软件设计。控制器通过测量电机功率变 化，控制自适应电机的输出功率，系统具有过电压保护、缺相保护功能及故障 停机自动短信息报警功能。 3 短信息模块的应用研究设计了调试电路，研究了单片机控制短信息模 块发送和接收短信息的原理，将短信息报警功能引入油井的监控。 1 4 本章小结 本章首先阐述了研究抽油自适应电机智能控制器的目的和意义。然后介绍 了国内外抽油电机节能得发展状况，介绍了已经采用的电机节能方法，分析了 各自的特点和不足最后针对油田的实际需求，提出了具有短信息报警功能的抽 油用自适应电机智能控制器的设计方案。 哈尔滨理 大学- 学颂十学位论史 第2 章抽油用自适应电机控制系统原理 凡是利用抽油杆柱上下往复运动进行驱动的抽油设备统称为有杆抽油设 备，是我国的机械采油井中应用最广泛的抽油设备。游梁式抽油机是最典型的 一种有杆抽油机，其系统包括抽油机、电动机及其控制柜、抽油杆、抽油泵、 井下管柱和井口装置组成。 2 1 游梁式抽油机系统基本原理 2 1 1 游梁式抽油机的基本结构和工作原理 l 一刹车，2 电动机，3 减速箱，4 曲柄，5 _ 平衡锤，6 连杆，7 一平衡块，8 油粱支承，9 油 粱，l o 支架，1 1 驴头，1 2 悬绳器，1 3 底座 图2 1 游粱式抽油机原理图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h eb e a mp u m p i n g u n i t 油梁式抽油机的工作原理是：电动机将高速旋转运动传给减速箱的输入 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 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 过连杆经横梁拉着游梁后端上下摆动。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，由于驴头随游梁上下摆动，结果驴头 卜吸入阀，2 一游动阀。3 一活塞， 抽油杆，5 一油管 图2 - 2 抽油泵原理圈 f i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ep u m p 哈尔滨理- 大学t 学硕士学位论文 带动活塞作上下的垂直往复运动，将油抽出油井。 抽油泵是由泵筒、柱塞、游动阀( 排出阀、出油阀) 和固定阀( 吸入阀、进油 阀) 组成的容积式往复泵。如图2 2 中所示在柱塞开始向上运动之| j 的瞬间， 游动阀的上腔和下腔的压力相等，游动阀由于阀球的自重而下落，游动阀关 闭，不出油。当柱塞上行对，因为阀门已经关闭，并且柱塞和泵筒又形成液体 密封，所以游动阀上腔的全部液体就随同柱塞被提升。柱塞上行腾出了游动阀 下面的空间，这是在两个阀门之间的压力低于油管与套筒之间的环形空间的压 力，从而固定阀打开，使液体流入泵内，填满柱塞下面的空间。在下冲程时， 髓着固定阀的关闭和柱塞开始下行，在两阀之间的压力大于油管中液柱造成的 压力时，游动阀就打开，这时油管中的液柱重量就从杆柱转移到油管上。 2 1 2 抽油电机的功耗分析和存在的问题 抽油电机的功耗主要由抽油过程中克服原油的重力势能和抽油机本身的机 械损耗两部分组成。如果不考虑抽油机的配重是否平衡，那么在一个冲程中， 电机所消耗的电能应该等于光杆克服上下摩擦力所作的功加上一个冲程中提升 的石油对应的机械能。当工作在上冲程时，抽油机的游梁端的驴头悬点上升， 提起抽油杆和油柱，因而从电网吸收较多的电能；而下冲程时，由于抽油杆依 靠自重下落，电动机的负荷由重负荷转为轻负荷，所以从电网吸收较少的电 能，甚至可以释放能量 t i l l2 13 1 。 在满抽时，每台抽油泵的每次抽油量基本保持不变，而且此时上冲程，抽 油机消耗的能量最大，根据抽油杆的行程和此时的原油产量，可以计算出克服 原油的重力势能所消耗的能量蜀。 在图2 2 中，此时游动阀位于抽油冲程的最高点，游动阀距地面高度为 局，活塞的行程工，井口距地下油液面的高度为凰，原油密度为p ，设泵径为 d ，则满抽时每冲程的油的重量为m o ，如式( 2 - i ) 所示。满抽时所消耗的能 量为如如果认为抽油杆上下运动所需克服的摩擦力几乎保持不变，那么，采 油过程中的机械损耗晶可以看作基本不变。测量此时电机所消耗的电能e 再 根据式( 2 - 2 ) 计算得到的蜀，就可以计算出机械损耗历，具体值如式( 2 3 ) 所 示。 m o = p ( d 2 ) 2 x l ( 2 1 ) 髓= m o l ( 2 2 ) e h = e e ( 2 - 3 ) 哈尔滨理丁大学t 学颂七学位论文 当油液面下降，抽油泵的每次产油量减少时，电机消耗的电能e 将减少， 而晶基本不变届减小，所以通过测量电机的电能消耗能直观地反应出石油的 产量。设瞬时有功功率p ，一个冲程之内测量n 次只，冲程周期为力则一个 周期的有功功耗蜀可由式( 2 - 4 ) 计算。 c e2 奇t ( 2 - 4 ) 当抽油时间比较长时，液面降低至抽油泵的吸入口以下时，即h , h o + l 时，就会发生空抽现象。当空抽发生后，液面水平降至泵装置的吸入口以下， 但是，此时依然会有原油被泵装置抽取到地面。不管是由人工控制的间歇性周 期运行井，还是机器控制的2 4 小时不问断运行的井，都会有空抽现象发生。 抽油机出现“空抽”是抽油泵的一种工作状态，主要表现为轻负荷或低负 荷，但不完全是干抽或一点原油都抽不上来的无负荷状态。而且，空抽是相对 于满负荷或满抽而占的。 当油井由于供液不足而出现空抽时，首先会造成电能的大量浪费；其次会 造成抽油设备做无用功，造成机械磨损，加速设备老化；更严重的情况下会形 成液击，造成抽油杆的断裂等严重事故 2 2 自适应电机的基本原理 2 2 1 自适应控制的节能原理 自适应节能控制的基本原理是当油井内液面发生变化时，调整电机的输出 功率，使电机的输出功率与负载相匹配，保证电机有较高的负载率，在发生空 抽时，控制电机间歇工作，减少电机运行时间减少抽油机的冲程。在不降低或 稍降低石油产量的前提下尽可能增加停机时间。这样不仅减少电能损耗，而且 减少游梁式抽油机的机械损耗，延长设备不维护运行时间。 采用的容量自适应电动机是通过移相变极和主、副机组合运行可提供6 个 功率出口，定子绕组可实现8 1 2 极变换；在控制器的控制下，可实现双机启 动，并自动根据生产井的负荷实现主、副机的单机运行或主+ 副机共同运行， 使电动机始终处于较佳运行区间，达到节能降耗的目的。 这种电机是通过转子同轴将主、副2 台电动机结合为一体；定子绕组利用 移相变极法进行8 1 2 的变换。1 2 极作为变前极是主要工作极，采用正规6 0 。 哈尔演理丁大学工学硕士学位论文 相带；8 极为近似正规1 2 0 。相带。绕组仅有6 个出头，以便两种极状态的切换 控制。 电机通过变极和主、副机的组合运行可提供6 个功率出口。在设计上同时 兼顾4 个单机方案和2 个组合方案。为降低生产成本，电机采用与y 系列同 中心高8 极电机一致的定、转子冲片内径和外径；同时主、副电机的定、转予 冲片分别采用相同的槽型及尺寸。大电机p r = l s k w , 小电机尸俨7 k w 。 2 2 2 自适应电机功率检测方法 自适应电机的三相供电电路中，三相负载功率等于各相瞬时功率之和“” p = p + p 口+ p 。 ( 2 - 5 ) 电机采用星形接线，则三相电路的瞬时功率p 为 p = u a i a + u a i a + u c i f ( 2 - 6 ) 式中，蝴妇1 f e 一各相电压瞬时值； “纭缸一一各相电流瞬时值。 根据基尔霍夫第一定律，三相三线制电路中有 + + f c = 0 ( 2 。7 ) 由此得到 = 一( i b + 屯) i 8 = 一o 十七) i c = 一( + ) ( 2 8 ) 将式( 2 8 ) 代入式( 2 - 6 ) 中得到 p 宅( “ 一u b ) i a + ( 材c 一甜8 ) = u a 3 i 4 + b 毛( 2 9 ) 式中蝴口1 ，c r 一线电压的瞬时值。 同理可得到 p = 甜 c + u e c i b ( 2 1 0 ) p = i b a + 翻如 ( 2 - 1 1 ) 三相电路的瞬时功率p 在一个周期内的平均值，就是三相电路的平均功率 p p = u l c o s 哪柚，l o + u c b l c c o s ( u c b ，i c ) p = u c l , 。c o s 哪 c ，1 0 + u 日c i8 c o s ( u b c ，i b l p = u 鲥f 口c o s ( u m ，口) + u c a l c c o s ( u 翻，k ) 式中，以且u a c ( k 广钱电压的瞬时值 ( 2 1 2 ) r 2 1 3 ) ( 2 - t 4 ) 哈尔滨理工大学丁学硕士学位论文 厶、如b 一线电流的瞬时值 如果电机负载接成三角形，同样可得到上述结论。 当三相电路完全对称，即三相电源电压对称、三相负载对称时 则三相电路的总功率为 u = u 。= u c = u u n = u 虻= u c = 如u 峨 l = l b = i c = l 九= 九= 九= 妒 p = 3 u , , l , , c o s # = 如u l c o s # ( 2 i s ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 - i s ) ( 2 - 1 9 ) 式( 2 1 9 ) q h ，【，砷相电压，砷相电流，u 线电压，线 电流，相角 电机是感性负载因此相电压超前相电流9 角。如图2 3 所示，从y 接法 的相量图中，可知，当o 。勺 2 可适当增加c 。；c f 一输出 端滤波电容，一般取1 0 9 f 。 图3 - 3a d 7 3 6 的外围电路设计 f i g 3 3a d 7 3 6p e r i p h e r yc i r c u i td e s i g n a d 7 3 6 的输入电压范围仅为0 2 0 0 m v ，为保证转换精度及线性度应使 a d 7 3 6 的输入电压在2 0 0 m v 以内。系统中的被测信号是电机交流供电电压 值和电流值，但电机的线电压信号通过互感器变为0 - 2 0 0 m v 输出后，很难保 证其线性度，因此对电压信号应适当放大输出电压值，取样信号被变换到0 - 2 v 范围内，电流互感器的输出信号经过采样电阻也变换为0 - 2 v 的电压信号。 再经过电阻分压的方法，使输入信号电压范围从0 2 v 衰减到0 2 0 0 m v 。对测 量准确度稳定性要求不高的场合下是可以的，但对高测量准确度、低温漂的场 合是不行的，因为a d 7 3 6 自身的温漂及分压电阻的温漂特性无从消除。 在电机的智能控制器中，a d 7 3 6 输出的电压和电流有效值，还要经过模数 哈尔滨理t 大学t 学硕+ 学位论文 转换器由于a d 7 3 6 输出为0 - 2 0 0 m v m a ，因而也使模数转换器的输入范围 小，使其基准电压不好选取。若再加上放大电路，将a d 7 3 6 的转换输出o - 2 0 0 m v r m s 放大到可保证模数转换器的分辨率和精度的输入范围内，又将引入另 一不稳定温漂因素。使测得的电压和电流值不稳定1 。 3 1 3 信号匹配电路设计 在控制器设计中，利用l m 3 2 4 运算放大器作为a d 7 3 6 的输入信号衰减器及 转换输出信号放大器构成信号匹配电路，这既保证了a d 7 3 6 的2 0 0 m v r m s 满量 程输入信号电压，同时又有0 2 v 左右的转换输出电压以供模数a d 转换器输 入，很好地解决了温度漂移问题，具有很好的测量准确度、稳定度及低温漂。 1 匹配电路设计理想情况下，运算放大器具有如下参数：开环放大倍数 4 尸；输入阻抗驴，输出阻抗r o = 0 ：频带宽度b w - - o o ：在图3 6 中，当2 点和3 点电压相等时，v o = o ；没有温漂。实际运放与理想运放有些差别，但随着集成 电路制造技术的进一步提高，目前使用的运放实际参数已接近理想参数，因 此，对实际运放有：v i r r = v 2 - 吩如，利用这两条结论，可分析以下两种电路： 图3 4 反相放大器 f i g 3 - 4t h ei n v e r t i n ga m p l i f i e r 在图3 4 中，这是一个电压并联负反馈电路，根据以上两条结论可得； p v r - - 0 ，即同相端与反相端近似短路，i r - ，0 ，同相输入端接地，故称反相输入 端为“虚地”，虚地的存在是反相放大器闭环工作的重要特征电路中取r 伪 1 0 k s 2 、r i = r 2 = 1 0 0 娩，由上分析可得，如式( 3 - 1 ) 所示，反相放大器的增益为k i 耻一鲁 ( 3 1 ) 哈尔滨理 大学t 学硕十学位论文 图3 - 4 中的反相放大器作为a d 7 3 6 的输入信号衰减电路，v i n 为来自互感器 经过滤波的电压或电流信号，v o u t 为范围在0 - 2 0 0 m v 之间的a d 7 3 6 的输入信 号。 图3 5 为同相放大器电路，并由上述分析可知，其同相端和反相端输入电 压近似相等，即引入共模电压，这是同相放大器闭环工作的重要特征。实际上 5 v 图3 5 同相放大器 f i g 3 5t h en o n i n v e r t i n ga m p l i f i e r 真正的输入电压为所加电压与反馈电压之差。电路中取r 伪1 0 0 k q 、r i = r 2 = 1 0 k q ，如式( 3 - 2 ) 所示同相放大器的增益为k 2 。 尼， k ? = j + ( 3 2 ) 2 图3 5 中的反相放大器作为a d 7 3 6 的输出信号衰减电路，v i n 为来自a d 7 3 6 的被测电机电压或电流的有效值，v o u t 为范围在0 2 v 之间的模数转换器的输入 值。 2 温漂电压的分析分析温漂电压时。可以假定输入信号短路，并设附是运算 放大器输入端点的等效漂移电压凡是该点的等效漂移电流。4 场是输出端温漂 引起的误差电压。对于第一级反相放大器可以推出式( 3 3 ) ，对于第二级同相放 大器可以推出式( 3 _ 4 ) ，采用同一个芯片上的两个同类型的运算放大器，由于工 艺条件最为接近，因而可认为两个运放的和如是一样的。 a t = - i d r + ( “等) 】 ( 3 3 ) 、， d = i d r + u + 孑) ( 3 4 ) 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 a v o , ；一l o i d j 1 y d ( 3 - 5 ) a g o j = 一j ，- 1 2 ( 3 6 ) 具体电阻值代入得式( 3 5 ) 、( 3 - 7 ) 它被同相放大器放大1 1 倍得到式( 3 6 ) ，然 后和式( 3 7 ) 相加成为两级放大器的总输出漂移电压( 3 8 ) ，它仅相当于第一级放 大器的漂移输出。再适当增加同相放大电路的r f ( 例如1 1 0 k n ) ，即可以进一步 a t , = 1 0 + ，j ( 3 7 ) a v = - 1 - 1 j 巧 ( 3 8 ) 减少4 瞧要近0 ，从而消除运放引入的漂移输出电压。可以看到当衰减的倍数与 放大的倍数相同时，等倍数的同相放大器与反相放大器级联具有良好的抗温漂 特性。 一 互感器的输出信号经过变换成为幅值为0 2 v 的正弦交流信号，这个信号经 过真有效值转换电路后，输出交流信号的有效值直流电压，实际测量值如表3 一 l 所示。 表3 1 交直流转换数据 输入正弦交流电压幅值a d 输入端直流电压测壤值 ( v )( v ) 0o 0 0 2 0 10 0 8 2 0 20 1 4 8 o 30 2 1 6 0 40 3 0 7 o 5 0 3 7 2 o 6o 4 4 8 o 70 5 0 5 0 8o 6 0 9 0 90 6 8 4 1 o o 7 6 l 1 2 0 9 1 4 1 4 1 0 1 2 哈尔滨理t 大学t 学硬+ 学位论文 3 1 4 模数转换电路 经过采样滤波处理后的自适应电机的电压、电流信号是一个平滑的直流模 拟信号，要将该信号输入给单片机，必须经过模数转换器转换为数字信号。 图3 _ 6 t l c 2 5 4 3 与单片机接口电路 f i g 3 - 6t h e i n t e r f a c ec i r c u i to f t l c 2 5 4 3 t l c 2 5 4 3 是美国n 公司的1 2 位串行摸数转换器，使用开关电容逐次逼近 技术完成a d 转换过程。由于是串行输入结构，可通过串行的三态输出端与主 处理器或其它外围串行口高速传输数据，能够节省单片机i o 资源，且价格适 中，分辨率较高，可以满足系统用于测量电压与电流有效值的要求。 t l c 2 5 4 3 具有1 2 位分辩率a d 转换器；1 1 个模拟输入通道；3 路内置自 测试方式i 采样率为6 6 k b p s ；具有单、双极性输出；可编程的m s b 或l s b 前 导；可编程输出数据长度除了通用的数字控制能力外，该器件有一个片内的1 4 路模拟开关，可以选择1 1 输入中的任何1 个或3 个内部自测试电压中的一个 采样保持是自动的，在转换结束时e o c 输出端变高。 哈尔滨理 大学t 学硕士学位论文 表3 - 2t l c 2 5 4 3 引脚功能说明 t a b l e3 - 2t h ep i nd e s c r i p t i o no f t l c 2 5 4 3 引脚号名称 i ，o 功能 l 9 ，l l ，a 玎q o a f n l o j 1 1 个模拟输入端模拟茸输入端。1 1 1 2 路输入信号由内部多路器选通。对丁二 4 i m h z 的i oc l o c k ，驱动源阻抗必须 小于或等于5 0 1 1 ，而且用6 0 p f 电容来限 制模拟输入电压的斜率 1 7d 觚a i n p u tl 串行数据输入端。由4 位的串行地址 输入来选择模拟茸输入通道 1 5c si 片选端。在l - w 瑞由高变低时，内部 计数器复位由低变高时，在没定时间内 禁止d a t ai n p u t 和i oc l o c k 1 9 e o co 转换结束端在最后的i oc l o c k 下降沿之后，e o c 从高电平变为低电平 并保持到转换完成和数疆堡各传输塑生 1 6d a l a o u to a d 转换结果的二态串行输出端。 c 譬为高时处于高阻抗状态，c f 为低时 处于激活状态 l og n di 地。g n d 是内部电路的地回路端 除另有说明外，所有电压测量都相对 g n d 而言 1 8c l o c ki 输入，输出时钟端。! oc l o c k 接收 串行输入信号并完成以下四个功能：( i ) 在i o c l o c k 的前8 个上升沿，8 位输 入数据存入输入数据寄存器。( 2 ) 在i o c l o c k 的第4 个f 降沿，被选通的模拟 输入电压开始向电容器充电，直剑i o c l o c k 的最后个f 降沿为止( 3 ) 将前 一次转换数据的其余1 1 位输出到d a t a o u t 端，在i ，o c l o c k 的f 降沿时数据 开始变化。( 4 ) t oc l o c k 的最后一个f 降沿。将转换的控制信号传送到内部状态 控制位 1 4i 也f +i 正基准电压端基准电压的正端( 通常 为v c c ) 被加剑r e f + ，最大的输入电压范 围由加f 本端与r e f 端的电压差决定 1 3 r e f 1 负基准电压端基准电压的低端( 通常 为地) 被加到r e f - 2 0v c cl正电源端 2 2 哈尔滨理一 大学- 学硕十学位论文 器件基准由外围电路提供，可插分输入也可单端，范围是+ 2 5 v v e e 。基 准电压加在r e f + 和r e f 端，当输入信号等于或高于r e f + 端的电压时，数字 输出为满度；当输入信号等于或低于r e f 端电压时，输出为0 。在允许的温度 范围内转换时间小于1 0 1 t s ，线形误差小于：t ：i l s b 。有片内转换时钟，i o 口最 高时钟频率为4 1 m h z ，工作电源是+ 5 v ：t - 0 2 5 v 。 自适应电机的智能控制器采用a t 8 9 c 5 2 单片机为控制器核心，其不带s p i 或相同的接口能力，为了和t l c 2 5 4 3 模数转换器接口，需要用软件来模拟s p i 的时序操作。图3 - 6 是t l c 2 5 4 3 和a t