电动机节能技术系统的研究毕业论文.doc

电动机节能技术系统的研究毕业论文目录第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，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，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/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。 基于国内抽油机控制系统的使用现状和实际情况，结合国外抽油机控制系统的发展趋势，清华大学自动化系和中国地质大学工程学院联合设计了以单片机为核心的晶闸管移相触发控制的低成本抽油机控制系统。该控制系统主要由电量传感器、晶闸管模块、单片机系统、A/D和D/A转换器等组成。工作原理如下图1-1所示。在空气开关和晶闸管之间设计三相电的相序和缺相检测电路，检测抽油机驱动电动机供电是否正常。抽油机驱动电动机启动和工作过程中一旦不正常，立即停止工作，并有数码管和发光二极管显示指示不正常的状态。数据载波接口空气开关晶闸管电动机缺序与相序检测DA转换器电流检测电压检测功率检测电动机温度检测A/D转换器单片机系统数码显示程序存储器数据存储器数据回放卡图1-1 控制系统工作原理图 通过D/A转换器DAC1210输出010V电压控制晶闸管模块的移相触发相位，实现抽油机电动机的软启动、软停机和调整电动机的供电电压，以便调整电动机输出功率，减少电动机的铁损和铜损，从而达到节能降耗的目的。通过三相电压、电流和有功功率传感器把抽油机电动机的工作参数转换成05V的电压信号，经过12位A/D转换器MAX197进行模数转换，进入单片机系统进行数据处理、存储和显示。根据所检测到的抽油机电动机工作电流和有功功率的变化，实时判断电动机的载荷大小和工况。当电动机工作电流超过额定电流和最高工作温度超过额定工作温度时停止抽油机工作，从而保护电动机。当抽油机电动机工作电流小于空载电流，认为抽油机空载，可停止抽油机工作，等待原油聚集。根据所设定的停机时间，抽油机停止工作一段时间后，控制系统自动启动抽油机，从而实现抽油机停机节能。可根据抽油机运行的载荷工况，自动通过D/A转换器输出010V电压，实时控制晶闸管的移相触发相位，控制其输出电压，从而调节抽油机电动机的输出功率，达到节能目的。 该抽油机控制系统综合应用了传感器技术、单片机技术和晶闸管技术，实现了抽油机控制的自动化和智能化。和国外抽油机控制系统相比，该系统具有较高的性能价格比和较好的功能扩充性，如在此基础上进一步开发，可通过电力载波或其它数据传输方式实现抽油机远距离控制。该控制系统1999年5月在大庆油田采油五厂进行了试验，试验抽油机型号为CYJ-2.5-18HB。系统工作可靠，并具有明显的节能效果，节能率为9.8%。 上海交通大学信息与控制工程系许善镇教授于1999年12月在上海交通大学学报上发表了一篇题名为石油抽油泵节能的新构思的文章。提出了一种可以随机采集在自然界广泛存在的零星风力的装置，用于石油抽油泵的节能。装置的核心是双馈发电机。从结构上看，双馈发电机与常见的感应发电机和同步发电机无太大的差别，但它却有一个引人注目的特点，即对轴上输入转速无任何特殊的要求。围绕这一特点，不仅可以开发出零星风能的采集利用装置，而且对于其他任何具有明显零显、杂散特性的自然能量(如波浪、潮汐等)的采集也同样适宜。双馈发电机是随着电力电子技术发展而崛起的一种电机新品种，即是常规电机的一种应用革新。双馈发电机有两个能量输入通道:电机的转轴，输入机械能量;转子绕组，输入电能。两个能量输入通道输入的机械能和电能，经气隙磁场转换叠加，从定子绕组输出电能.如果以具有确定负载的独立系统为例，在恒频率、电压控制支持下，当转轴输入的机械功率小于(或大于)负载功率时，系统将自动从电网、经变频器和转子绕组吸入(或回馈)电功率给予补足(或扣除).这一特征说明双馈发电机在正常运行时，对轴上输入转速无特殊要求.因此，以它为核心，可构成“随机能量捕捉器”，在杂散自然能量的采集利用方面发挥影响。 节能控制分为调压节能和变频节能两种。在调压节能控制中，不是根据功率因数的变化来控制电动机的定子电压，而是由定子电流的大小及电流的变化率的变化趋势来控制定子电压，这样可以使控制回路的接线方式非常简单。在变频节能控制中，可以充分利用当今丰富的单片机资源优势，提高控制器的可靠性，降低开发成本。众所周知，在轻负载下，适当降低电动机定子电压，定子电流将随之减少，且电动机的输出功率仍可保持不变。在固定负载下，定子电压降低到一定程度后，定子电流不但不会降低，反而会逐步增大，这种情况一般是不允许的。因此，随电动机定子电压的变化，逐步跟踪其定子电流的变化轨迹，定子电流由缓慢降低到突然增大一瞬间所对应定子电压就是要寻找的最佳电压值。实验表明，在接近满载的情况下，电动机的定子电压仍可适当降低。节能控制器的根本目的在于:在保证负载需求的情况下，尽可能地降低系统输入功率。这样，加装了节能控制器的电动机，不仅可以节约有功功率，也可以节约无功功率。实验结果表明，在一般负载下，应用调压节能控制器，可节电5%10%，在空载运行方式下，可节约有功功率70%左右。与同类其他节能装置相比，具有技术简单、效率高的特点，且调压控制器的成本可做得很低，其节能效率还可进一步提高。电动机调压节能控制器由如图1-2所示的几个主要部分组成，其中推理主要由软件完成，这样可以最大限度地减少控制器的硬件成本。380V电压过零检测单片机信号控制光电隔离波形整形基极驱动电动机负载系统电动机调压主电路缓冲电路保护电路电流检测波形整形A/D转换微分推理图1-2 调压节能控制器原理框图 在调压节能控制器中主要采用两种控制方式，即PWM方式与通断方式，两者在不同的负载下各有特点，对惯性较大的负载，采用通断控制方式可在保持输出波形不失真的同时，模拟自然风运行，节电约60%。调频节电控制器的触发电路与调压节能控制器的控制电路基本一样，(如图1-3所示)。但其主电路比后者要复杂一些。在控制方式上，以保持电动机气隙磁通恒定为目标，即在正常调节过程中，始终保持u/f基本不变，在调频的同时自动调节电动机定子电压。在电动机低速运行时，它采用PWM控制策略，应用推理可以用最简洁的方式处理定子电压补偿问题。 综合节能控制器的设计、开发过程，并与传统的节能控制方法相比较，不难发现模糊节能控制器具有以下显著特点: 1.节能控制器的第一个显著特点是它的简洁性，它甚至可以不考虑电动机的详尽运行过程，基于几条简单的实验曲线即可开始模糊节能控制器的设计过程。 2.节能控制器具有较强的鲁棒性，对不同的电动机可以采用同样的推理软件，它可自动跟踪负载变化，取得较好的节能效果。 3.节能控制器的调节规律内涵丰富，包容面大而广，具有较强的自适应能力。 4。节能控制器的输入变量可多可少。在电动机节能控制器设计过程中，虽然选择了较少的控制变量，但取得了较好的控制效果，同时也节约了用于测量的传感器。 5.节能控制器的硬件结构比较简单，主要推理工作及PWM生成策略均由软件实现。6.节能控制器在控制过程中极易处理电动机在低速运转时的电压补偿问题。负载系统电动机保护电路波形整形A/D转换微分推理单片机信号控制光电隔离波形整形基极驱动电动机调压主电路缓冲电路电流检测图1-3 PWM控制器原理框图保护整流滤波380V1.4 本文所做的主要工作 抽油机是我国石油行业的传统设备，也是采油过程中的主要耗电设备，据不完全统计，我国各油田现正在服役的抽油机共有十四万多台，其用电量约占油田总用电量的80%左右。由于抽油机负载呈周期性变化，现运行的抽油机驱动电机几乎全为大马拉小车，负载率和效率都很低，统计结果表明最高效率不超过30%。由于交流电机为感性负载，配置大，负荷小，负载滞后角较大，造成其功率因数十分低。在油田实际测试，电机的功率因数最高不超过0.54，最低在0.25左右，电能浪费严重。因而开展抽油机的节能研究，提高其效率和功率因数、对提高石油产量、降低石油开采成本，具有十分重要的现实意义。综观国内现用的抽油机电驱动装置，可将其分为三种:一是直接起动、运行时带过载和缺相保护，这种方法可防止在缺相和过载时烧坏电机，但没有软启动功能，电机的起动电流大，运行时加到电机上的电压为固定值，功率因数仍得不到提高。二是应用变频调速装置，该方案随负载大小的不同，通过变频而调节抽油机驱动电机的转速，具有较好的节能效果，但由于变频器成本高，维护工作量大，且调速影响采油效率等因素而没有得到广泛的应用。三是启动时具有软启动、运行时带过载、缺相等保护功能，且能按负载大小调压，虽可实现一定的节能效果，但并未关心是否能保证电机的损耗最小。这三种方案的性能价格比和节能效果都不是最理想的。1.4.1基本思路：“铜耗=铁耗” 在油田的长期工作和实践中，发现除新油田的开采初期，新井产能较高，抽油机电动机可满负荷运转外，绝大部分抽油机电动机均处于轻载状态，甚而有很大一部分油井在大部分时间里处于空抽状态，因而电动机功率因数低，效率低，电能的浪费十分严重。 因此，在各油田进行了广泛调研的基础上，根据抽油机负载的特点和三相异步电动机的工作原理，吸收国外先进技术，研制了一种新型抽油机电机高效节能控制装置，与以往的调压与软启动抽油机控制装置相比，吸收了前述三种方案的优点，按抽油机负载的周期性变化，通过单片机应用C语言编程计算电机的铜损耗和铁损耗，根据电机在铜损耗等于铁损耗时总损耗最小的原理、借助于模糊控制理论，通过主电路中晶闸管的移相控制，调节加到抽油机驱动电机定子侧的输入电压，保证运行中电机的铜损耗与铁损耗相等，降低抽油机的总损耗，提高其工作效率和功率因数，达到节能降耗的目的。交流电动机中，除轴和壳体外，几乎所有的质量都是铁和铜，这些铜和铁在电动机进行电磁能和机械能转换的运行过程中，也将部分电能转化成热能，从而导致了电动机的功率损失。通常把由铁介质发热导致的功率损耗称为铁损耗，铜介质导致的损耗称为铜损耗，图1-4给出了电动机铜损耗、铁损耗同输入电压及负载率变化的特性曲线。PU0123UP1234ab图1-4 电动机铜损耗、铁损耗同输入电压及负载率变化的机械特性曲线 (a)电动机铜铁损耗和总的损耗P输入电压U变化关系 (b)铜损耗和铁损耗P负载率的不同与输入电压U变化曲线1电机总的功率损耗2铁损耗3铜损1负载率90%的铜损耗曲线 2负载率70%的铜损耗曲线3负载率50%的铜损耗曲线4铁损耗由图1-4 (a)电动机铜损耗与铁损耗和总的损耗同输入电压变化的曲线可知:当铜损耗和铁损耗相等时，电动机的总损耗最小。又由图1-4 (b)电动机的铜损耗和铁损耗与输入电压的变化曲线可知:电动机的铁损耗不随负载率变化而变化;但铜损耗随输入电压和负载率的变化而变化。在输入电压不变时若负载变化，铜损耗=铁损耗的平衡就会被破坏。由于抽油机负载的周期性变化特性，要使抽油机的电动机运行时损耗最小，效率最高，应实时计算电动机的铜损耗和铁损耗，通过比较调整电动机的输入电压，这便是本课题开发研制的新型抽油机用高效晶闸管节能装置设计的理论依据。1.4.2 节能装置结构 抽油机节能装置的按功能可以划分为六个部分:第一部分为功率控制电路部分;第二部分为节能装置控制部分;第三部分为U与I的相位检测部分;第四部分为IO接口装置通讯部分;第五部分为节能装置内部故障保护部分;第六部分为电动机缺相保护部分。1.4.3控制回路设计 控制电路是整个抽油机用高效晶闸管节能装置的核心，所有信号的输入、输出、检测、计算、推理和控制都要经过控制电路得以实现和完成。控制电路的系统构成包括主控CPU，节能装置电压、电流的采样输入部分，U电压与1的相位角检测部分，A/D和D/A转换部分_，缺相保护部分，键盘部分，继电器输出部分，看门狗电路和电源部分。1.4.4控制系统软件的设计控制系统软件以控制理论为基础，采用C51语言进行程序设计，选用Keil uVision2为开发环境块构成:初始化参数采用模块化编程，设计软件整体流程。软件主程序由以下几个模软起动，A/D转换，计算铜耗、铁耗及其差值，控制子程序，D/A转换和输出控制电压子程序。第2章 抽油机的负载特性 油田在开采初期，地层能量较高，有部分油井可以自喷。随着开采时间的延长，油层自然能量逐渐衰竭，必须采用机械采油方式。机械采油就是在地面通过机械设备把原油从油井中采出地面;机械采油可分为有杆泵采油、无杆泵采油和气举采油。而使用最为广泛的就是游梁式抽油机，其原理是通过抽油机、抽油杆带动抽油泵作上下往复运动，将原油从数百至数千米的地下抽汲到地面上来。 抽油机工作时，其驴头悬点承受的载荷主要有: 1、抽油杆自重，油管内、柱塞上的油柱重，油管内外油柱对柱塞下端的压力构成的静载荷; 2、抽油杆柱和油柱运动所产生的惯性载荷; 3、抽油杆柱和油柱运动所产生的振动载荷; 4、柱塞和泵筒间、抽油杆及其接箍和油管间的半干摩擦力，抽油杆和油柱间、油柱和油管间以及油柱通过抽油泵游动阀的液体摩擦力。 其中，惯性载荷、振动载荷、摩擦力和原油的物性(如粘度)、抽油机的运动特性 (冲程和冲次)、油井井身结构密切相关，是一个变量，一般称动载荷。 抽油机在上冲程时，驴头悬点需提起抽油杆柱和油柱，电动机对外作正功;下冲程时，抽油杆依靠自重就可下行，电动机处于发电运行状态，因此，电动机在上、下冲程的载荷是很不均匀的。而悬点运动的加速度和速度的变化又加剧了这种不均匀性，载荷的不均匀性严重地影响了四连杆机构、减速箱和电动机的寿命，也恶化了抽油杆的工作条件。为了解决这一问题，通常的办法是给抽油机增加平衡重。如在抽油机的曲柄、游梁后端或同时在曲柄和游后端增加平衡块，以其达到抽油机一抽油泵装置的平衡运转。但是由于影响抽油机动载荷的因素较多，造成抽油机很难用自身平衡的办法做到运转平衡。在油田现场，用电流法诊断抽油机是否平衡时，一般地认为当平衡率0.7时，即认为抽油机达到了平衡。这表明，拖动抽油机的电机仍有部分时间工作在负功状态。图2-1是抽油机减速器净扭矩曲线，即负载转矩曲线。Mf0图2-1 抽油机负荷曲线 从曲线上可以看出: 1、抽油机的转矩是随着曲柄转角变化而周期性变化的;抽油机的工作频率一般为612次/分，即工作周期为510秒。 2、当出现负扭矩时，减速器主动轮将变为被动轮。如负扭矩较大，将发生从动轮冲击主动轮，影响减速器齿轮的寿命。 3、抽油机启动时，抽油杆一般处于最低位置，所需启动转矩只需克服静磨擦力及原油的表面张力的影响，因此，所需转矩相对较小。抽油机启动后，抽油杆开始上升，很快(约2.5S)就碰到了第一个最大阻力转矩。因此，它一方面要求电动机具有较大的静启转矩，克服静磨擦力;另一方面，要求电机具有较大的平均启动转矩，以便使电机在第一个最大阻力转矩到来之前，超过电机临界(最大转矩转速)，使电机进入稳定工作状态。 抽油机的负载特点决定了三相异步电动机驱动抽油机不可避免地会出现“大马拉小车”的现象。 1、抽油机带载启动，惯性矩较大。在选配电动机功率时为了不影响生产，一般按最大扭矩来选配电动机;抽油机启动后，正常工作时的平均转矩与最大扭矩相比要低1/3,所以电动机输入功率仅为额定功率的1/3，不可避免出现“大马拉小车”的局面。 2、油田生产中有可能出现各种故障，如油井结蜡、砂卡、扶正器损坏等，因此，在在选配电动机功率时也要增加一些裕量，这进一步加剧了“大马拉小车”的现象。 根据油田生产测试，抽油机电动机的平均负荷率一般在20%左右，少数负荷率高的也仅为30%，电动机的长期低负荷运转，造成了效率低，功率因数低，能耗高的状况。 抽油机负荷的周期性变化，反应在电动机上主要是电流功率因数的变化，因此上可以将电流或功率因数作为依据来对抽油机系统进行控制。第3章 三相异步电动机运行特性分析3.1 稳定运行时的三相异步电动机3.1.1等效电路及矢量图三相异步电动机稳定运行时的单相等效电路如图3-1所示:图3-1 异步电动机等效电路图图中: 、为定子绕组电阻、漏抗和电流、为转子绕组电阻、漏抗和电流、为励磁电阻、电抗和励磁电流为附加电阻其矢量图如图3-2所示。由此可以得到三相异步电动机转子旋转时的基本方程式为:0图3-2 异步电动机矢量图 (3-1)令: (校正系数)则有 (3-2) (3-3)3.1.2 三相异步电动机的功率关系及损耗分析图3-3 异步电动机的功率流程图图3-3为异步电动机的功率流程图。其中 为从电源输入的有功功率 （3-4） 为定子铜耗 ( 3-5 ) 正常运行情况下的三相异步电动机，转于铁损耗很小，可以忽略不计，因此，电动机的铁损耗等于定子铁损耗 ( 3-6) 从图3-1等效电路中可以看出，通过空气隙传递到转子方面的电磁功率PM等于转子回路全部电阻上的损耗，即:( 3-7 )转子铜耗为 (3-8)电磁功率减去转子绕组中的铜耗就是等效绕组上的损耗。这部分等效损耗实际上是传输给电机转轴上的机械功率即: (3-9) 电动机在运行时，会产生轴承以及风阻等摩擦阻转矩，这也要损耗一部分功率，把这部分功率叫做机械损耗，用表示。在异步电动机中，除了上述各种损耗外，由于定、转子开槽和定、转子磁动势中含有谐波磁动势，还要产生一些附加损耗。附加损耗一般不易计算，往往根据经验估算。在大型异步电动机中，附加损耗凡。一般约为额定输出功率的0.5%；而在小型异步电动机中，满载时，可达额定输出功率的1%3%。在任意负载时，按定子电流与额定电流比值的平方成正比折算。机械功率减去机械损耗和附加损耗，才是真正的输出功率。综上所述，可得功率关系式如下:输入功率=定子铜耗+定子铁耗+传给转子的功率，即: (3-10)传给转子的功率(电磁功率)=转子铜耗+机械功率，即: (3-11)机械功率=机械损耗+附加损耗+输出功率，即: (3-12)由以上分析可见，异步电动机在正常运行时，由于其转速和主磁通近似不变，导致机械损耗和定子铁耗也近似不变，故称机械损耗和定子铁耗为不变损耗;定、转子铜耗则随电流的平方关系而变化;附加损耗在任意负载时也按定子电流与额定电流比值的平方成正比折算。这样，异步电动机的定子电流和负载电流的变化，可引起定、转子铜耗和附加损耗的变化。通过调压，可以达到减小定、转子铜耗和附加损耗的目的。3.1.3 异步电动机的转矩表达式由上节可知: (3-13)旋转体的机械功率等于作用在旋转体上的转矩与它的机械角速度的乘积。在异步电动机中，机械功率就是电磁转矩乘以转子的机械角速度，所以 (3-14)又因为: (3-15)所以: (3-16)式中，为转矩因数，是气隙每极磁通量，是转子绕组的相数，是转子绕组每相的匝数，是转子绕组的基波绕组因数。由转子电流和定子电压的关系，可以推得另一关系式如下: （3-17）上式说明电磁转矩与定子电压的平方成正比，电压的变化将引起电磁转矩的变化。对式(3-10)，应用函数取极值的必要条件，当时，最大电磁转矩为: (3-18) 一般异步电动机的值在0.120.20之间，进一步推导可以知道任意转差率时的转矩和最大转矩之比为: (3-19) 最大电磁转矩对电动机来说具有重要意义。当电动机运行时，若负载短时突然增大，随后又恢复正常，则只要总的制动转矩不大于最大电磁转矩，电动机仍能稳定运行，但若大于最大电磁转矩，则电动机将停转下来。由此可见，最大电磁转矩愈大，电动机的短时过载能力愈强，因此把电动机的最大电磁转矩与额定 电磁转矩之比称为电动机的过载能力，用过载系数表示，即 (3-22)如图3-4所示的异步电动机曲线中，为负载阻力矩。从图中可以看到，电动机可以工作在1或2的状态，从平衡的角度容易知道，1为稳定平衡点，2为非稳定平衡点。即当负载阻力矩为转差率为时为稳定运行状态，当负载阻力矩为转差率为时为非稳定运行状态，为稳定运行和不稳定运行两种状态的临界点。因此，超过点，电动机就进入不稳定运行状态，故最大转矩也称为停运转矩。120图3-4 异步电动机曲线 从以上有关公式可以得出下面的近似结论：满载时，当外加电压降低X倍时，为保证输出转矩不变，转差率必须随之增加X的平方倍。此时，电动机的转速将下降。而同时，转子电流也必须增加X倍以保证输出转矩的不变。另一方面，外加电压不能下降太多，因为，电压的变化将引起最大转矩的变化，当最大转矩下降为低于负载额定转矩时，电动机将停止转动。因此，电动机调压控制的约束条件为最低电压时电动机的最大电动转矩不低于负载额定转矩。空载时，负载阻力矩几乎为零，同时，转子绕组的电流非常小，转子的转速接近于同步转速，此时，调压控制的约束条件将为转差率的增加不能使电动机停运。从图3-4的曲线可以看到，当负载阻力矩接近零时，其转差率接近于零，而此时的转差率与最大转矩对应的转差率则相距较远，调压范围较大。3.2 运行条件变化对电动机性能的影响电动机运行条件的变化，主要是指电源(电压、频率)和负载(负载的大小)的变化。电动机在额定工况附近运行时具有最好的经济性，但在实际运行中，电动机不可能始终保持额定条件运行，因为负载总是不断变化的，运行条件也会经常发生变化，从而影响到电动机的效率。当电压、频率在额定值时，随着负载的减小，电动机的输入功率、电磁转矩也会随之降低，而且对于任何类型的负载，电动机都能保持稳定运行。但是电动机的效率不会因此而保持不变，相反，会随着负载的减小而降低，而且在负载减小到一定程度后，效率会有大幅度的下降。这就是说，电动机输入功率的绝对值看起来虽然降低了，但是相对损耗却提高了，使电动机处于一种不经济的运行状态，造成了电能损失，这当然是不希望的。这就需要采取一些措施，希望在负载变化的同时，电动机的输入功率和各种损耗都能随负载的减小而尽可能地成比例降低，同时，保持电动机继续稳定运行。也就是说，这个措施应使电动机在负载变化的整个过程中，能满足两个条件:一是电动机的机械特性始终能满足工作机械的负载特性要求，使系统保持稳定运行，二是电动机的效率在整个负载变化过程中始终处于最佳状态，保持电动机运行的经济性。 在电动机的节能技术中，主要是采用随负载变化的同时改变电动机的定子端电压、定子频率或定、转子间的转差等方法来达到既降低能耗又满足上述条件的目的。但是这样一来，也就完全改变了电动机的运行条件，使得电动机长期偏离额定值运行。而偏离额定值，会引起电动机负载特性的基本参数:电势、磁通、磁化电流、转矩、转差、转速、定、转子的电流及相位等一系列的变化，而且这些变化对不同性质的负载具有不同的影响。下面将对这些影响进行一些具体的分析，以便根据不同的条件采取合理的节能措施。本节将着重分析运行条件的变化对电动机性能的影响，说明如何改变运行条件，使得电动机节能和允许改变条件的程度;以及根据上述相应的改变确定电动机的发热、损耗、有功功率、无功功率、功率因数和转矩等的情况，以便衡量所采用的改变运行条件的节能措施是否经济合理、对不同性质的负载的效果及应用范围。3.2.1 负载变化对损耗、效率、功率因数和转矩的影响 在额定电压和额定频率时，电动机负载的变化会引起电动机的转差率、定子电流、转子电流和转矩相应的变化，这一变化必然又会引起电动机损耗、效率和功率因数的变化，而励磁电流实际上可认为与负载无关。1、负载率m的确.定及负载率的变化对电动机损耗的影响电动机在额定负载时的总损耗为: （3-20）其中： 电动机的固定损耗 额定工况下定子和转子的铜耗、 额定工况下电动机的可变损耗 空载时定子铜耗 定子铜耗中的可变部分 （3-21）式中，即为负载率。同样： (3-22)所以可变损耗可以写为: (3-23) 即可变损耗与负载率的平方成正比。 2、负载率对效率的影响及计算 电动机的效率一般是随额定容量的增大而提高，相同容量电动机的效率则随额定转速的降低而降低。当容量和转速不变时，电动机的效率将随负载率的变化而变化。可以从任意负载率下电动机的总损耗公式中直接推算出效率和负载率的关系式： (3-24) 3、负载率对功率因数的影响 功率因数是电动机的另一个性能指标。从异步电动机的等效电路图可知:对于电源来说，异步电动机相当于一个电阻和电感互相串并联的电路，功率因数总是小于1的。为了建立磁场，电动机需要从电源吸取很大的无功电流，在正常条件下，励磁电流是不随负载变化的，而转子电流却随负载的增减而增减。当负载变小时，转子电流就会相应减小，于是定子电流与电源电压间的相角就变大，功率因数就降低。在空载时，定子电流，相角最大，功率因数最低。当负载增大时，定子电流中的有功分量增大，从而使功率因数很快上升，当接近额定负载时，最大。如果继续增加负载，由于此导致功率因数又下降。所以电动机的功率因数的高低还与空载电流和额定电流之比有关。知道了电动机的总损耗和效率后，就可以确定任意负载下的功率因数和无功功率的变化情况，其关系式为 (3-25) 其中，为定子电流，为额定线电压。 4、负载率与电磁转矩和转差率的关系电动机在转子中感应的电流与旋转磁场相互作用而产生转矩，使电机旋转，并拖动机械设备一起转动，其工作过程是：在正常方式下，当电动机起动时，电动机的起动转矩首先必须大于负载的机械阻转矩，电动机才能顺利起动。由于大于，有了一定的剩余转矩，电动机就能不断加速至额定转速，为了避免起动时间过长，导致起动电流过大使绕组发热，要求电动机有足够大的起动转矩，以缩短起动时间，减少发热。当电动机达到额定转速时，电动机的电磁转矩与负载的机械阻转矩相平衡，即，系统进入稳定运行状态。如果此时负载增大，即，电动机的平衡被破坏，使得转差率S增大，就会引起转子电流增大，接着电磁转矩也跟着增大，直至与负载转矩达到新的平衡。如果负载转矩再继续增大，且超过电动机的最大转矩，电动机就会因不能承载而不断减速，直至停转，或者由于转子电流增大到超过允许值，使转子绕组发热而烧坏。如果负载在小于额定值的范围内变化，且转速为额定值时，电动机总能保持稳定运行。根据推导，电动机的电磁转矩与负载率的关系可写为： （3-26）式中，为电动机的最大转矩与额定转矩之比。为任意负载时电动机的最大转矩与负载转矩之比，称为任意负载时的最大转矩倍数，当负载为额定值时； 为任意负载时阻转矩与额定转矩之比，称为电动机的转矩率。当转速接近额定转速或转速变化很小时，转矩率在数值上等于负载率。可见，电动机在负载变化时的实际承载能力与负载率成反比，负载越小，承载能力越大，系统越能稳定运行；负载变大，承载能力就降低，如果，承载能力就小于额定承载能力，电动机运行的稳定性将降低。 同理，可求得在额定转差率附近转差率与负载率得关系为: (3-27) 即转差率与负载率成正比，当负载小于额定值变化时，转差率在0之间变化3.2.2电压变化对电动机性能的形响 当负载变化时，是否允许电压同时降低，允许降低电压的范围以及降低电压运行对电动机的影响。 1、电压变化对电磁转矩的影响 异步电动机的电磁转矩与电源电压、频率、极对数，及转差有关，当结构参数和频率一定时，电动机的电磁转矩与电压的平方成正比。当电压降低时，转矩将以平方倍下降。由上述分析可知，正常情况下电动机的电磁转矩是随时随地与负载转矩相平衡的，只要负载不超过额定值，电动机总能保持稳定运行。但如果在负载变化的同时，也改变电源电压，电动机是否能继续保持稳定运行呢?下面将对两类不同性质的负载进行分析： （）恒转矩负载 如切削车床、传送运输机械和本文绪论中提到过的游梁式抽油机中的起重电动机等，其阻转矩为常数。这类负载一般有重载运行方式和轻载运行方式，对于这类负载中的运行电动机，当其轻载运行时，即使供电电压变化较大，转速变化仍然是很小的，电动机总能保持稳定运行。而在重载时，如果电压降低，转速就会很快下降，使电动机失去稳定，直至停转，降低电压节能的措施是否可行，能否使电动机保持稳定运行是有一定条件的.为了清晰而简洁地显示出负载、电压、转矩、转子电流和转差率之间的关系，列出以下关系式：（3-28） 由上式可知，电动机可承受的负载转矩不仅与电压的平方成正比，与负载率成反比，而且还与电动机本身的承载能力有关。由3.1.3节可知，任意负载时，电动机能稳定运行的必要条件是使，即。因此当负载率一定时，如越大，电压允许调节的范围也就越大，式中，为调压系数。 由上式还可知，转子电流与调压系数成反比，与负载率成正比:转差率则与电压的平方成反比，与负载率成正比变化。利用式(3-28)可以方便地分析出不同性质的负载在不同运行方式下受电压变化的影响。 利用式(3-28)进行分析时，应注意到:转差率与调压系数的平方成反比变化，但转速的平方成正比，负载阻转矩只受运行方式(重载和轻载)、负载性质(恒转矩或变转矩)的影响，两者不能混淆。另外，对恒转矩负载，转差率只允许在0的范围内变动才稳定，在此范围内改变电压时，转速的变化是很小的，一般电压降低10%，转速只降低1%左右。 综上所述，恒转矩负载在重载方式下运行时，不允许电压有较大变化，通常规定电压的变化范围为，而其在轻载方式下运行时，允许电压有较大的变化，变化范围视负载的情况而定。 （2）变转矩负载 当电压降低时，转差S升高，转速将随之有一定程度的降低，同时阻转矩也跟着降低，这就使允许调压的范围变大.不仅在0的线性工作段可以稳定工作，而且在T-S曲线的下降段也能稳定工作。所以对于变转矩负载，不仅调压范围大，而且由于阻转矩的下降，使得转子电流也跟着下降，这就不会出现象恒转矩负载那样转子过热的问题，也不会出现不稳定的问题，显然在这种场合采取调压方法是可行的，节能效果也比恒转矩负载好得多。 2、随负载变化允许调压的范围 由上分析可见，随负载变化调压只适用于变转矩负载和恒转矩负载的轻载状况。同时，调节电压应遵循两个约束条件: （1）在一定负载下降低电压运行时，必须使电动机继续保持最大转矩倍数; （2）转子电流不应超过额定值。顺便指出，对恒转矩负载的轻载状况，调压仅仅在于提高电动机的功率因数，节约电动机本身的有功功率和无功功率损失，而对于变转矩负载来说，除了可以节约这部分损失外，还可以减少输出功率，节能效果更为显著，应用也更有意义。3、电压变化对电动机功率、效率和功率因数的影响前面从不使电动机失去稳定和不使转子发热的角度，也就是从安全的角度出发，分析了负载变化时，允许调压的范围。下面讨论降低电压能否给电动机的经济运行带来好处。 由前面的分析可知： （3-29） （3-30） （3-31）可见，影响电动机输入功率、效率和功率因数的主要原因是电动机的输出功率和电动机本身的损耗，那么电压的变化对这三者有什么影响呢?简析如下:（1）电压变化对输出功率的影响由前分析可知，对于恒转矩负载，无论是在重载还是在轻载状况下，电动机的输出功率常数，基本不变。而对于变转矩负载，情况就大不一样了。由于电动机在低速时也能保持稳定运行，因此，允许的电压、转差率和相应的转速的变化范围较大，而变转矩负载的阻转矩是随着转速的增减而增减的，例如机泵类的负载转矩与转速的平方成正比关系。因此，变转矩负载的输出功率将随电压的降低而降低。降低的程度，随电动机性能的不同而不同。（2）电压变化对电动机的损耗影响 电动机的损耗，由3.1.2节可知: (3-32) 电压变化对各项损耗的影响如下: 1）机械损耗 机械损耗与转速成正比，由于电压变化所引起的转速变化不大，因此可认为 常数 (3-33) 2）附加损耗 附加损耗与电流的平方成正比，与电压的平方成反比 (3-34)3）定子铁耗当电压接近额定值时，电动机的磁路趋于饱和:当电压低于额定值时，铁耗近似地与外加电压的平方成正比，即 （3-35）4）转子铜耗转子铜耗的大小主要取决于转子电流的大小，而转子电流的大小又取决于电压和负载的大小，如式(3-31)所示。当电压变化时，由于主磁通与电压成正比变化，所以转