電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)的研究

1、摘要根據(jù)測(cè)量，油田用抽油機(jī)大部分時(shí)間在空抽、電機(jī)均在輕載狀態(tài)下運(yùn)行，電機(jī)效率和功率因數(shù)都比較低，造成大量電能浪費(fèi)。為此，依據(jù)銅耗等于鐵耗時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率、功率因數(shù)最高，最省電原理，設(shè)計(jì)一種抽油機(jī)電機(jī)自動(dòng)控制的節(jié)能裝置。采用電動(dòng)機(jī)調(diào)壓裝置，基于模糊控制理論，通過主電路中晶閘管的移相控制調(diào)節(jié)抽油機(jī)電機(jī)端電壓，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。在滿足抽油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，使電動(dòng)機(jī)工作在銅耗等于鐵耗的狀態(tài)下，提高抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的工作效率和功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。該裝置在抽油機(jī)的整個(gè)工作周期中，不改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，不影響抽油機(jī)的采油效率;具有軟啟動(dòng)、缺相、過載保護(hù)等功能。是油田采油生產(chǎn)中較為理想的電動(dòng)機(jī)控制裝置，具有廣

2、泛的推廣使用價(jià)值。關(guān)鍵詞:抽油機(jī);電動(dòng)機(jī);節(jié)能;單片機(jī);銅耗;鐵耗abstract according to statistics,pomping unit in oilfields are working at empty situation with motor running under light load，so make the motor efficiency and power factor too lower,cause a large amount of electric energy wasting.with fuzzy control theory and adoptin

3、g the working voltage of motor the line voltage of pump units motor is a regulated by real time phaseshift control.while meeting the usual running,the working efficiency and power factor are improved，so as to save the electric energy. moreover, the device will not chang the rotational speed of the m

4、otor, during the whole work period of pumping the oil，and do not influent the petroleum production efficiency of the oil pumping machine.the device has the functions of starting softly、lacking phase,overload protection and so on.it is the ideal device of motor controling in the oil field，and has the

5、 extensive using value.keywords:oil pumping rnachine; motor; energy-conservatxan; singlechip microcomputer copper losses;iron losse目 錄第1章 前言11.1 課題來(lái)源11.2 異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能措施11.3 國(guó)內(nèi)外抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)發(fā)展綜述21.4 本文所做的主要工作71.4.1基本思路：“銅耗=鐵耗”81.4.2節(jié)能裝置結(jié)構(gòu)91.4.3控制回路設(shè)計(jì)91.4.4控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)10第2章 抽油機(jī)的負(fù)載特性11第3章 三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性分析133.1 穩(wěn)定運(yùn)行

6、時(shí)的三相異步電動(dòng)機(jī)133.1.1等效電路及矢量圖133.1.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系及損耗分析153.1.3 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式163.2 運(yùn)行條件變化對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的影響183.2.1 負(fù)載變化對(duì)損耗、效率、功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩的影響193.2.2電壓變化對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的形響21第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)254.1 概述254.2 抽油機(jī)節(jié)能裝置主電路254.3 功率控制電路274.4節(jié)能裝置控制部分294.5采樣與檢測(cè)304.5.1電壓、電流采樣304.5.2 與的相位角檢測(cè)324.6 io接口334.7 無(wú)功功率補(bǔ)償344.8 節(jié)能裝置保護(hù)部分354.8.1 外部線路斷相保護(hù)364.8.2 功率

7、控制元件故障保護(hù)364.8.3 電機(jī)缺相保護(hù)364.8.4電機(jī)短路和過流保護(hù)37第5章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)38第6章 結(jié)論44致謝45參考文獻(xiàn)46第1章 前言1.1 課題來(lái)源 能源是人類文明的基石，人類從遠(yuǎn)古時(shí)代開始就按照自己的要求使用能源，創(chuàng)造出燦爛的文明和文化。我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略的總方針是“堅(jiān)持開發(fā)與節(jié)約并重，把節(jié)約放在首位”，1998年1月1日中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法的頒布和實(shí)施標(biāo)志著我國(guó)的節(jié)能工作逐步走上了法制化的軌道。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在實(shí)際使用中，約有65%的電動(dòng)機(jī)裝置經(jīng)常在輕載或空載狀況下工作，即存在所謂的“大馬拉小車”現(xiàn)象。尤其在我國(guó)石油企業(yè)中普遍使用的用來(lái)驅(qū)動(dòng)有桿采油泵的游梁式抽油

8、機(jī)電動(dòng)機(jī)，其所采用的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)絕大部分為鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，工作時(shí)承受周期性變化的負(fù)荷，平均負(fù)荷率一般為30%以下，有的甚至更低。負(fù)載的變化周期在5 -20秒內(nèi)不等?？紤]到啟動(dòng)負(fù)荷及復(fù)雜地質(zhì)情況等因素的影響，大部分游梁式抽油機(jī)選用的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的額定功率是工作周期輸出功率的23倍左右。以延長(zhǎng)油田本部為例:2005年有游梁式抽油機(jī)18000余臺(tái)，年耗電約3.4億kwh，具有很大的節(jié)能降耗潛力。類似這種異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載率低、效率不高、電能浪費(fèi)的現(xiàn)象在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中很普遍，因此，對(duì)其進(jìn)行節(jié)能研究是十分必要的。 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)以及其他方面諸如電機(jī)制造工藝的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)的節(jié)能調(diào)速運(yùn)行控

9、制裝置越來(lái)越多，呈百花齊放趨勢(shì)。 目前在用的各種電動(dòng)機(jī)控制裝置大部分是通過時(shí)序控制來(lái)達(dá)到節(jié)能目的，也有使用變頻調(diào)速裝置的，但變頻調(diào)速成本太高，維護(hù)較為困難，不適應(yīng)油田實(shí)際。因此研制一種集各種節(jié)能控制裝置優(yōu)點(diǎn)，又從根本上解決抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制問題的裝置是油田電力管理中的一個(gè)難點(diǎn)。1.2 異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能措施 在電動(dòng)機(jī)應(yīng)用方面的節(jié)能技術(shù)，雖然根據(jù)電動(dòng)機(jī)的種類、用途或系統(tǒng)等有各種各樣的方法，但在作為現(xiàn)代企業(yè)動(dòng)力源所使用的范圍內(nèi)，有下列幾個(gè)方面: (1)用高效系列電動(dòng)機(jī)取代一般的高耗能電動(dòng)機(jī)。但這種電動(dòng)機(jī)造價(jià)較高，而且經(jīng)濟(jì)效果極大地取決于負(fù)載的情況，即對(duì)于長(zhǎng)期工作于接近額定負(fù)載(o%以上)連續(xù)運(yùn)行的

10、應(yīng)用場(chǎng)合，其節(jié)能效果達(dá)到最佳。 (2)采用功率因數(shù)控制器(即異步電動(dòng)機(jī)節(jié)電器)和制動(dòng)器。 (3)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速節(jié)能。 1).高性能交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速器。采用微機(jī)控制的大功率管逆變技術(shù)，利用交直交方式，用于交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，節(jié)能效果可高達(dá)55%以上。 2).轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。(4)對(duì)老式高耗能異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。(5)發(fā)展永磁電動(dòng)機(jī)。(6)合理選擇異步電動(dòng)機(jī)。1).選用節(jié)能型的電動(dòng)機(jī)，如y型，yx型等。2).選擇合適的輸出功率。電動(dòng)機(jī)的容量選擇一定要使其最低負(fù)載率在0.4以上，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率在0.751時(shí)，其功率因數(shù)和效率最高，因而一定要防止“大馬拉小車”現(xiàn)象發(fā)生，減少無(wú)功消耗。 3).選

11、擇合適類型的電動(dòng)機(jī)。 4).選擇合適的配電電壓。(7)加強(qiáng)運(yùn)行管理。 1).對(duì)于輕載運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)可采取降壓運(yùn)行。 2).對(duì)于大多數(shù)存在周期性空載運(yùn)行(約占全部工作時(shí)間的50%-60%)的電動(dòng)機(jī)，安裝空載自動(dòng)斷電裝置，減少空載損失(空載時(shí)無(wú)功功率為額定負(fù)載時(shí)無(wú)功功率的60%-70%)，提高功率因數(shù)。 3).對(duì)于不同容量的電動(dòng)機(jī)，根據(jù)損耗種類采用不同的降損措施。 4).小型鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)宜采用直接啟動(dòng)方式。1.3 國(guó)內(nèi)外抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)發(fā)展綜述 在機(jī)械采油井中應(yīng)用最廣泛的是游梁式抽油機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，制造容易等優(yōu)點(diǎn)，但是耗能高，效率低，沖程和沖次調(diào)節(jié)不方便，所以實(shí)際運(yùn)行中大都處于不

12、平衡狀態(tài)，上下沖程負(fù)荷相差較大.在工程設(shè)計(jì)中，為了使抽油機(jī)順利啟動(dòng)，按抽油機(jī)的最大負(fù)荷來(lái)選配驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，并留有一定裕量，而抽油機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩一般只為最大轉(zhuǎn)矩的三分之一，因而拖動(dòng)抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率也大約為30%，從而形成了“大馬拉小車”的現(xiàn)象。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各油田陸續(xù)采用了各種節(jié)能方法，取得了不少成果，其中比較成功的是高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)。但高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)從節(jié)能的角度看是不利的，不僅使轉(zhuǎn)差損耗增大，也使過渡過程損耗增加。 西安石油學(xué)院薄保中、米春亭、楊新海、江秀漢等基于以往的研究工作提出了抽油機(jī)由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)改為同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)想，同步電動(dòng)機(jī)選用的是具有自啟動(dòng)能力的稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)。稀土永磁電動(dòng)機(jī)

13、是采用永久磁體代替勵(lì)磁繞組來(lái)激磁的電動(dòng)機(jī)。其節(jié)能原理在于:同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速，與異步電動(dòng)機(jī)相比沒有轉(zhuǎn)差損耗;使用稀土永磁材料激磁，提高了功率因數(shù)，定子電流減小，銅損降低，提高了電動(dòng)機(jī)效率。 從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和用戶反應(yīng)來(lái)看，稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)還存在以下問題: 1、電壓過低時(shí)啟動(dòng)困難。 2、在電壓高于440v時(shí)功率因數(shù)下降較快，消耗無(wú)功功率比異步電動(dòng)機(jī)多。 3、維修困難，不適應(yīng)油田野外復(fù)雜的工況條件。黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院研制的單片機(jī)控制三相異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器主要是利用電動(dòng)機(jī)y/轉(zhuǎn)換。三相異步電動(dòng)機(jī)y/轉(zhuǎn)換節(jié)能器，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，是一種適合我國(guó)國(guó)情的電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器。但傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)

14、y/轉(zhuǎn)換節(jié)能器的控制電路采用分立元件或集成電路設(shè)計(jì)，控制轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換精度不高，轉(zhuǎn)換參數(shù)無(wú)法修改，這樣就造成電動(dòng)機(jī)在y/轉(zhuǎn)換點(diǎn)附近發(fā)生頻繁轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象，即臨界震蕩。從而使接觸器的壽命大為縮短，并且造成電動(dòng)機(jī)功率明顯下降。單片機(jī)控制的三相異步電動(dòng)機(jī)y/轉(zhuǎn)換節(jié)能器可對(duì)電動(dòng)機(jī)的y和y轉(zhuǎn)換的臨界負(fù)載電流值分別進(jìn)行設(shè)定，并可加入一定的回差值，從而解決了接觸器頻繁轉(zhuǎn)換的問題，同時(shí)該節(jié)能器還具有/y降壓?jiǎn)?dòng)和電動(dòng)機(jī)的斷相、過載等保護(hù)功能，對(duì)于變載工作的電動(dòng)機(jī)可取得較好的節(jié)能效果，并保護(hù)電動(dòng)機(jī)的安全。三相異步電動(dòng)機(jī)的損耗主要由鐵損和銅損兩部分構(gòu)成，鐵損正比于電動(dòng)機(jī)端電壓的平方，電動(dòng)機(jī)y/轉(zhuǎn)換節(jié)能的實(shí)質(zhì)是降低電動(dòng)機(jī)

15、的端電壓。電機(jī)由接法改為y接法時(shí)，定子電壓下降為接法時(shí)的，同時(shí)電動(dòng)機(jī)軸輸出功率下降為接法時(shí)的，鐵損也降為接法時(shí)的，此時(shí)如果電動(dòng)機(jī)定子電流減小或增加不多，則電動(dòng)機(jī)處于節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)。而當(dāng)定子電流增加到臨界負(fù)載率對(duì)應(yīng)電流值時(shí)，如此時(shí)電動(dòng)機(jī)仍為y接，則電動(dòng)機(jī)非但不節(jié)能反而浪費(fèi)電能，因此此時(shí)電動(dòng)機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)為接。電動(dòng)機(jī)定子電流主要是由電動(dòng)機(jī)軸輸出功率即電動(dòng)機(jī)負(fù)載功率決定的。對(duì)應(yīng)于這一定子電流的負(fù)載率稱為臨界負(fù)載率。臨界負(fù)載率和定子電流間的關(guān)系為: (1-1)式中 一定子線電流一電機(jī)額定電流一空載勵(lì)磁電流一臨界負(fù)載率 由上式可知，只要測(cè)得電動(dòng)機(jī)定子電流就可以算出電動(dòng)機(jī)的臨界負(fù)載率，從而使電動(dòng)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行于y接或接

16、狀態(tài)而節(jié)約電能。 華中理工大學(xué)的史玉升和梁書云提出了一種三相異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能與安全監(jiān)控方法。利用計(jì)算機(jī)通過一定的算法控制雙向晶閘管的通斷比，使電動(dòng)機(jī)輸出功率與負(fù)載匹配，達(dá)到降耗、節(jié)能的目的。由于采用了單片機(jī)控制，所以系統(tǒng)具有良好的“柔性“和性能價(jià)格比，基于這種技術(shù)的節(jié)能系統(tǒng)適合于經(jīng)常工作于空載或輕載的電動(dòng)機(jī)變負(fù)載工況下。 基于國(guó)內(nèi)抽油機(jī)控制系統(tǒng)的使用現(xiàn)狀和實(shí)際情況，結(jié)合國(guó)外抽油機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，清華大學(xué)自動(dòng)化系和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院聯(lián)合設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心的晶閘管移相觸發(fā)控制的低成本抽油機(jī)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)主要由電量傳感器、晶閘管模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、a/d和d/a轉(zhuǎn)換器等組成。工作原理如下

17、圖1-1所示。在空氣開關(guān)和晶閘管之間設(shè)計(jì)三相電的相序和缺相檢測(cè)電路，檢測(cè)抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)供電是否正常。抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和工作過程中一旦不正常，立即停止工作，并有數(shù)碼管和發(fā)光二極管顯示指示不正常的狀態(tài)。數(shù)據(jù)載波接口空氣開關(guān)晶閘管電動(dòng)機(jī)缺序與相序檢測(cè)da轉(zhuǎn)換器電流檢測(cè)電壓檢測(cè)功率檢測(cè)電動(dòng)機(jī)溫度檢測(cè)a/d轉(zhuǎn)換器單片機(jī)系統(tǒng)數(shù)碼顯示程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)回放卡圖1-1 控制系統(tǒng)工作原理圖 通過d/a轉(zhuǎn)換器dac1210輸出010v電壓控制晶閘管模塊的移相觸發(fā)相位，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)、軟停機(jī)和調(diào)整電動(dòng)機(jī)的供電電壓，以便調(diào)整電動(dòng)機(jī)輸出功率，減少電動(dòng)機(jī)的鐵損和銅損，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。通過三相

18、電壓、電流和有功功率傳感器把抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)轉(zhuǎn)換成05v的電壓信號(hào)，經(jīng)過12位a/d轉(zhuǎn)換器max197進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和顯示。根據(jù)所檢測(cè)到的抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)工作電流和有功功率的變化，實(shí)時(shí)判斷電動(dòng)機(jī)的載荷大小和工況。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作電流超過額定電流和最高工作溫度超過額定工作溫度時(shí)停止抽油機(jī)工作，從而保護(hù)電動(dòng)機(jī)。當(dāng)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)工作電流小于空載電流，認(rèn)為抽油機(jī)空載，可停止抽油機(jī)工作，等待原油聚集。根據(jù)所設(shè)定的停機(jī)時(shí)間，抽油機(jī)停止工作一段時(shí)間后，控制系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)抽油機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)停機(jī)節(jié)能?？筛鶕?jù)抽油機(jī)運(yùn)行的載荷工況，自動(dòng)通過d/a轉(zhuǎn)換器輸出010v電壓，實(shí)時(shí)控制晶閘管的

19、移相觸發(fā)相位，控制其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的輸出功率，達(dá)到節(jié)能目的。 該抽油機(jī)控制系統(tǒng)綜合應(yīng)用了傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和晶閘管技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)控制的自動(dòng)化和智能化。和國(guó)外抽油機(jī)控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有較高的性能價(jià)格比和較好的功能擴(kuò)充性，如在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)，可通過電力載波或其它數(shù)據(jù)傳輸方式實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)遠(yuǎn)距離控制。該控制系統(tǒng)1999年5月在大慶油田采油五廠進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)抽油機(jī)型號(hào)為cyj-2.5-18hb。系統(tǒng)工作可靠，并具有明顯的節(jié)能效果，節(jié)能率為9.8%。 上海交通大學(xué)信息與控制工程系許善鎮(zhèn)教授于1999年12月在上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)上發(fā)表了一篇題名為石油抽油泵節(jié)能的新構(gòu)思的文章。提

20、出了一種可以隨機(jī)采集在自然界廣泛存在的零星風(fēng)力的裝置，用于石油抽油泵的節(jié)能。裝置的核心是雙饋發(fā)電機(jī)。從結(jié)構(gòu)上看，雙饋發(fā)電機(jī)與常見的感應(yīng)發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)無(wú)太大的差別，但它卻有一個(gè)引人注目的特點(diǎn)，即對(duì)軸上輸入轉(zhuǎn)速無(wú)任何特殊的要求。圍繞這一特點(diǎn)，不僅可以開發(fā)出零星風(fēng)能的采集利用裝置，而且對(duì)于其他任何具有明顯零顯、雜散特性的自然能量(如波浪、潮汐等)的采集也同樣適宜。雙饋發(fā)電機(jī)是隨著電力電子技術(shù)發(fā)展而崛起的一種電機(jī)新品種，即是常規(guī)電機(jī)的一種應(yīng)用革新。雙饋發(fā)電機(jī)有兩個(gè)能量輸入通道:電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，輸入機(jī)械能量;轉(zhuǎn)子繞組，輸入電能。兩個(gè)能量輸入通道輸入的機(jī)械能和電能，經(jīng)氣隙磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換疊加，從定子繞組輸出電能.

21、如果以具有確定負(fù)載的獨(dú)立系統(tǒng)為例，在恒頻率、電壓控制支持下，當(dāng)轉(zhuǎn)軸輸入的機(jī)械功率小于(或大于)負(fù)載功率時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)從電網(wǎng)、經(jīng)變頻器和轉(zhuǎn)子繞組吸入(或回饋)電功率給予補(bǔ)足(或扣除).這一特征說明雙饋發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，對(duì)軸上輸入轉(zhuǎn)速無(wú)特殊要求.因此，以它為核心，可構(gòu)成“隨機(jī)能量捕捉器”，在雜散自然能量的采集利用方面發(fā)揮影響。 節(jié)能控制分為調(diào)壓節(jié)能和變頻節(jié)能兩種。在調(diào)壓節(jié)能控制中，不是根據(jù)功率因數(shù)的變化來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的定子電壓，而是由定子電流的大小及電流的變化率的變化趨勢(shì)來(lái)控制定子電壓，這樣可以使控制回路的接線方式非常簡(jiǎn)單。在變頻節(jié)能控制中，可以充分利用當(dāng)今豐富的單片機(jī)資源優(yōu)勢(shì)，提高控制器的可靠性

22、，降低開發(fā)成本。眾所周知，在輕負(fù)載下，適當(dāng)降低電動(dòng)機(jī)定子電壓，定子電流將隨之減少，且電動(dòng)機(jī)的輸出功率仍可保持不變。在固定負(fù)載下，定子電壓降低到一定程度后，定子電流不但不會(huì)降低，反而會(huì)逐步增大，這種情況一般是不允許的。因此，隨電動(dòng)機(jī)定子電壓的變化，逐步跟蹤其定子電流的變化軌跡，定子電流由緩慢降低到突然增大一瞬間所對(duì)應(yīng)定子電壓就是要尋找的最佳電壓值。實(shí)驗(yàn)表明，在接近滿載的情況下，電動(dòng)機(jī)的定子電壓仍可適當(dāng)降低。節(jié)能控制器的根本目的在于:在保證負(fù)載需求的情況下，盡可能地降低系統(tǒng)輸入功率。這樣，加裝了節(jié)能控制器的電動(dòng)機(jī)，不僅可以節(jié)約有功功率，也可以節(jié)約無(wú)功功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一般負(fù)載下，應(yīng)用調(diào)壓節(jié)能控

23、制器，可節(jié)電5%10%，在空載運(yùn)行方式下，可節(jié)約有功功率70%左右。與同類其他節(jié)能裝置相比，具有技術(shù)簡(jiǎn)單、效率高的特點(diǎn)，且調(diào)壓控制器的成本可做得很低，其節(jié)能效率還可進(jìn)一步提高。電動(dòng)機(jī)調(diào)壓節(jié)能控制器由如圖1-2所示的幾個(gè)主要部分組成，其中推理主要由軟件完成，這樣可以最大限度地減少控制器的硬件成本。380v電壓過零檢測(cè)單片機(jī)信號(hào)控制光電隔離波形整形基極驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)調(diào)壓主電路緩沖電路保護(hù)電路電流檢測(cè)波形整形a/d轉(zhuǎn)換微分推理圖1-2 調(diào)壓節(jié)能控制器原理框圖 在調(diào)壓節(jié)能控制器中主要采用兩種控制方式，即pwm方式與通斷方式，兩者在不同的負(fù)載下各有特點(diǎn)，對(duì)慣性較大的負(fù)載，采用通斷控制方式可在保

24、持輸出波形不失真的同時(shí)，模擬自然風(fēng)運(yùn)行，節(jié)電約60%。調(diào)頻節(jié)電控制器的觸發(fā)電路與調(diào)壓節(jié)能控制器的控制電路基本一樣，(如圖1-3所示)。但其主電路比后者要復(fù)雜一些。在控制方式上，以保持電動(dòng)機(jī)氣隙磁通恒定為目標(biāo)，即在正常調(diào)節(jié)過程中，始終保持u/f基本不變，在調(diào)頻的同時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子電壓。在電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，它采用pwm控制策略，應(yīng)用推理可以用最簡(jiǎn)潔的方式處理定子電壓補(bǔ)償問題。 綜合節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)、開發(fā)過程，并與傳統(tǒng)的節(jié)能控制方法相比較，不難發(fā)現(xiàn)模糊節(jié)能控制器具有以下顯著特點(diǎn): 1.節(jié)能控制器的第一個(gè)顯著特點(diǎn)是它的簡(jiǎn)潔性，它甚至可以不考慮電動(dòng)機(jī)的詳盡運(yùn)行過程，基于幾條簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)曲線即可開始模糊

25、節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)過程。 2.節(jié)能控制器具有較強(qiáng)的魯棒性，對(duì)不同的電動(dòng)機(jī)可以采用同樣的推理軟件，它可自動(dòng)跟蹤負(fù)載變化，取得較好的節(jié)能效果。 3.節(jié)能控制器的調(diào)節(jié)規(guī)律內(nèi)涵豐富，包容面大而廣，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力。 4。節(jié)能控制器的輸入變量可多可少。在電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器設(shè)計(jì)過程中，雖然選擇了較少的控制變量，但取得了較好的控制效果，同時(shí)也節(jié)約了用于測(cè)量的傳感器。 5.節(jié)能控制器的硬件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要推理工作及pwm生成策略均由軟件實(shí)現(xiàn)。6.節(jié)能控制器在控制過程中極易處理電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電壓補(bǔ)償問題。負(fù)載系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)電路波形整形a/d轉(zhuǎn)換微分推理單片機(jī)信號(hào)控制光電隔離波形整形基極驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)調(diào)壓主電

26、路緩沖電路電流檢測(cè)圖1-3 pwm控制器原理框圖保護(hù)整流濾波380v1.4 本文所做的主要工作 抽油機(jī)是我國(guó)石油行業(yè)的傳統(tǒng)設(shè)備，也是采油過程中的主要耗電設(shè)備，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)各油田現(xiàn)正在服役的抽油機(jī)共有十四萬(wàn)多臺(tái)，其用電量約占油田總用電量的80%左右。由于抽油機(jī)負(fù)載呈周期性變化，現(xiàn)運(yùn)行的抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)幾乎全為大馬拉小車，負(fù)載率和效率都很低，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明最高效率不超過30%。由于交流電機(jī)為感性負(fù)載，配置大，負(fù)荷小，負(fù)載滯后角較大，造成其功率因數(shù)十分低。在油田實(shí)際測(cè)試，電機(jī)的功率因數(shù)最高不超過0.54，最低在0.25左右，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。因而開展抽油機(jī)的節(jié)能研究，提高其效率和功率因數(shù)、對(duì)提高石油產(chǎn)

27、量、降低石油開采成本，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。綜觀國(guó)內(nèi)現(xiàn)用的抽油機(jī)電驅(qū)動(dòng)裝置，可將其分為三種:一是直接起動(dòng)、運(yùn)行時(shí)帶過載和缺相保護(hù)，這種方法可防止在缺相和過載時(shí)燒壞電機(jī)，但沒有軟啟動(dòng)功能，電機(jī)的起動(dòng)電流大，運(yùn)行時(shí)加到電機(jī)上的電壓為固定值，功率因數(shù)仍得不到提高。二是應(yīng)用變頻調(diào)速裝置，該方案隨負(fù)載大小的不同，通過變頻而調(diào)節(jié)抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，具有較好的節(jié)能效果，但由于變頻器成本高，維護(hù)工作量大，且調(diào)速影響采油效率等因素而沒有得到廣泛的應(yīng)用。三是啟動(dòng)時(shí)具有軟啟動(dòng)、運(yùn)行時(shí)帶過載、缺相等保護(hù)功能，且能按負(fù)載大小調(diào)壓，雖可實(shí)現(xiàn)一定的節(jié)能效果，但并未關(guān)心是否能保證電機(jī)的損耗最小。這三種方案的性能價(jià)格比和節(jié)

28、能效果都不是最理想的。1.4.1基本思路：“銅耗=鐵耗” 在油田的長(zhǎng)期工作和實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)除新油田的開采初期，新井產(chǎn)能較高，抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)可滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)外，絕大部分抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)均處于輕載狀態(tài)，甚而有很大一部分油井在大部分時(shí)間里處于空抽狀態(tài)，因而電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)低，效率低，電能的浪費(fèi)十分嚴(yán)重。 因此，在各油田進(jìn)行了廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)抽油機(jī)負(fù)載的特點(diǎn)和三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理，吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，研制了一種新型抽油機(jī)電機(jī)高效節(jié)能控制裝置，與以往的調(diào)壓與軟啟動(dòng)抽油機(jī)控制裝置相比，吸收了前述三種方案的優(yōu)點(diǎn)，按抽油機(jī)負(fù)載的周期性變化，通過單片機(jī)應(yīng)用c語(yǔ)言編程計(jì)算電機(jī)的銅損耗和鐵損耗，根據(jù)電機(jī)在銅損耗等于鐵損耗

29、時(shí)總損耗最小的原理、借助于模糊控制理論，通過主電路中晶閘管的移相控制，調(diào)節(jié)加到抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子側(cè)的輸入電壓，保證運(yùn)行中電機(jī)的銅損耗與鐵損耗相等，降低抽油機(jī)的總損耗，提高其工作效率和功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。交流電動(dòng)機(jī)中，除軸和殼體外，幾乎所有的質(zhì)量都是鐵和銅，這些銅和鐵在電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電磁能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換的運(yùn)行過程中，也將部分電能轉(zhuǎn)化成熱能，從而導(dǎo)致了電動(dòng)機(jī)的功率損失。通常把由鐵介質(zhì)發(fā)熱導(dǎo)致的功率損耗稱為鐵損耗，銅介質(zhì)導(dǎo)致的損耗稱為銅損耗，圖1-4給出了電動(dòng)機(jī)銅損耗、鐵損耗同輸入電壓及負(fù)載率變化的特性曲線。pu0123up1234ab圖1-4 電動(dòng)機(jī)銅損耗、鐵損耗同輸入電壓及負(fù)載率變化的機(jī)械特

30、性曲線 (a)電動(dòng)機(jī)銅鐵損耗和總的損耗p輸入電壓u變化關(guān)系 (b)銅損耗和鐵損耗p負(fù)載率的不同與輸入電壓u變化曲線1電機(jī)總的功率損耗2鐵損耗3銅損1負(fù)載率90%的銅損耗曲線 2負(fù)載率70%的銅損耗曲線3負(fù)載率50%的銅損耗曲線4鐵損耗由圖1-4 (a)電動(dòng)機(jī)銅損耗與鐵損耗和總的損耗同輸入電壓變化的曲線可知:當(dāng)銅損耗和鐵損耗相等時(shí)，電動(dòng)機(jī)的總損耗最小。又由圖1-4 (b)電動(dòng)機(jī)的銅損耗和鐵損耗與輸入電壓的變化曲線可知:電動(dòng)機(jī)的鐵損耗不隨負(fù)載率變化而變化;但銅損耗隨輸入電壓和負(fù)載率的變化而變化。在輸入電壓不變時(shí)若負(fù)載變化，銅損耗=鐵損耗的平衡就會(huì)被破壞。由于抽油機(jī)負(fù)載的周期性變化特性，要使抽油機(jī)的

31、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)損耗最小，效率最高，應(yīng)實(shí)時(shí)計(jì)算電動(dòng)機(jī)的銅損耗和鐵損耗，通過比較調(diào)整電動(dòng)機(jī)的輸入電壓，這便是本課題開發(fā)研制的新型抽油機(jī)用高效晶閘管節(jié)能裝置設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。1.4.2 節(jié)能裝置結(jié)構(gòu) 抽油機(jī)節(jié)能裝置的按功能可以劃分為六個(gè)部分:第一部分為功率控制電路部分;第二部分為節(jié)能裝置控制部分;第三部分為u與i的相位檢測(cè)部分;第四部分為io接口裝置通訊部分;第五部分為節(jié)能裝置內(nèi)部故障保護(hù)部分;第六部分為電動(dòng)機(jī)缺相保護(hù)部分。1.4.3控制回路設(shè)計(jì) 控制電路是整個(gè)抽油機(jī)用高效晶閘管節(jié)能裝置的核心，所有信號(hào)的輸入、輸出、檢測(cè)、計(jì)算、推理和控制都要經(jīng)過控制電路得以實(shí)現(xiàn)和完成。控制電路的系統(tǒng)構(gòu)成包括主控cpu，

32、節(jié)能裝置電壓、電流的采樣輸入部分，u電壓與1的相位角檢測(cè)部分，a/d和d/a轉(zhuǎn)換部分_，缺相保護(hù)部分，鍵盤部分，繼電器輸出部分，看門狗電路和電源部分。1.4.4控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件以控制理論為基礎(chǔ)，采用c51語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，選用keil uvision2為開發(fā)環(huán)境塊構(gòu)成:初始化參數(shù)采用模塊化編程，設(shè)計(jì)軟件整體流程。軟件主程序由以下幾個(gè)模軟起動(dòng)，a/d轉(zhuǎn)換，計(jì)算銅耗、鐵耗及其差值，控制子程序，d/a轉(zhuǎn)換和輸出控制電壓子程序。第2章 抽油機(jī)的負(fù)載特性 油田在開采初期，地層能量較高，有部分油井可以自噴。隨著開采時(shí)間的延長(zhǎng)，油層自然能量逐漸衰竭，必須采用機(jī)械采油方式。機(jī)械采油就是在地面通過

33、機(jī)械設(shè)備把原油從油井中采出地面;機(jī)械采油可分為有桿泵采油、無(wú)桿泵采油和氣舉采油。而使用最為廣泛的就是游梁式抽油機(jī)，其原理是通過抽油機(jī)、抽油桿帶動(dòng)抽油泵作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將原油從數(shù)百至數(shù)千米的地下抽汲到地面上來(lái)。 抽油機(jī)工作時(shí)，其驢頭懸點(diǎn)承受的載荷主要有: 1、抽油桿自重，油管內(nèi)、柱塞上的油柱重，油管內(nèi)外油柱對(duì)柱塞下端的壓力構(gòu)成的靜載荷; 2、抽油桿柱和油柱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性載荷; 3、抽油桿柱和油柱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)載荷; 4、柱塞和泵筒間、抽油桿及其接箍和油管間的半干摩擦力，抽油桿和油柱間、油柱和油管間以及油柱通過抽油泵游動(dòng)閥的液體摩擦力。 其中，慣性載荷、振動(dòng)載荷、摩擦力和原油的物性(如粘度)、

34、抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性 (沖程和沖次)、油井井身結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，是一個(gè)變量，一般稱動(dòng)載荷。 抽油機(jī)在上沖程時(shí)，驢頭懸點(diǎn)需提起抽油桿柱和油柱，電動(dòng)機(jī)對(duì)外作正功;下沖程時(shí)，抽油桿依靠自重就可下行，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，因此，電動(dòng)機(jī)在上、下沖程的載荷是很不均勻的。而懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的加速度和速度的變化又加劇了這種不均勻性，載荷的不均勻性嚴(yán)重地影響了四連桿機(jī)構(gòu)、減速箱和電動(dòng)機(jī)的壽命，也惡化了抽油桿的工作條件。為了解決這一問題，通常的辦法是給抽油機(jī)增加平衡重。如在抽油機(jī)的曲柄、游梁后端或同時(shí)在曲柄和游后端增加平衡塊，以其達(dá)到抽油機(jī)一抽油泵裝置的平衡運(yùn)轉(zhuǎn)。但是由于影響抽油機(jī)動(dòng)載荷的因素較多，造成抽油機(jī)很難用自身平衡的辦

35、法做到運(yùn)轉(zhuǎn)平衡。在油田現(xiàn)場(chǎng)，用電流法診斷抽油機(jī)是否平衡時(shí)，一般地認(rèn)為當(dāng)平衡率0.7時(shí)，即認(rèn)為抽油機(jī)達(dá)到了平衡。這表明，拖動(dòng)抽油機(jī)的電機(jī)仍有部分時(shí)間工作在負(fù)功狀態(tài)。圖2-1是抽油機(jī)減速器凈扭矩曲線，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線。mf0圖2-1 抽油機(jī)負(fù)荷曲線 從曲線上可以看出: 1、抽油機(jī)的轉(zhuǎn)矩是隨著曲柄轉(zhuǎn)角變化而周期性變化的;抽油機(jī)的工作頻率一般為612次/分，即工作周期為510秒。 2、當(dāng)出現(xiàn)負(fù)扭矩時(shí)，減速器主動(dòng)輪將變?yōu)楸粍?dòng)輪。如負(fù)扭矩較大，將發(fā)生從動(dòng)輪沖擊主動(dòng)輪，影響減速器齒輪的壽命。 3、抽油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，抽油桿一般處于最低位置，所需啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩只需克服靜磨擦力及原油的表面張力的影響，因此，所需轉(zhuǎn)矩相對(duì)較小。

36、抽油機(jī)啟動(dòng)后，抽油桿開始上升，很快(約2.5s)就碰到了第一個(gè)最大阻力轉(zhuǎn)矩。因此，它一方面要求電動(dòng)機(jī)具有較大的靜啟轉(zhuǎn)矩，克服靜磨擦力;另一方面，要求電機(jī)具有較大的平均啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以便使電機(jī)在第一個(gè)最大阻力轉(zhuǎn)矩到來(lái)之前，超過電機(jī)臨界(最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速)，使電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。 抽油機(jī)的負(fù)載特點(diǎn)決定了三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)不可避免地會(huì)出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。 1、抽油機(jī)帶載啟動(dòng)，慣性矩較大。在選配電動(dòng)機(jī)功率時(shí)為了不影響生產(chǎn)，一般按最大扭矩來(lái)選配電動(dòng)機(jī);抽油機(jī)啟動(dòng)后，正常工作時(shí)的平均轉(zhuǎn)矩與最大扭矩相比要低1/3,所以電動(dòng)機(jī)輸入功率僅為額定功率的1/3，不可避免出現(xiàn)“大馬拉小車”的局面。 2、油田生產(chǎn)

37、中有可能出現(xiàn)各種故障，如油井結(jié)蠟、砂卡、扶正器損壞等，因此，在在選配電動(dòng)機(jī)功率時(shí)也要增加一些裕量，這進(jìn)一步加劇了“大馬拉小車”的現(xiàn)象。 根據(jù)油田生產(chǎn)測(cè)試，抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的平均負(fù)荷率一般在20%左右，少數(shù)負(fù)荷率高的也僅為30%，電動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，造成了效率低，功率因數(shù)低，能耗高的狀況。 抽油機(jī)負(fù)荷的周期性變化，反應(yīng)在電動(dòng)機(jī)上主要是電流功率因數(shù)的變化，因此上可以將電流或功率因數(shù)作為依據(jù)來(lái)對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制。第3章 三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性分析3.1 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的三相異步電動(dòng)機(jī)3.1.1等效電路及矢量圖三相異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的單相等效電路如圖3-1所示:圖3-1 異步電動(dòng)機(jī)等效電路圖圖中: 、

38、為定子繞組電阻、漏抗和電流、為轉(zhuǎn)子繞組電阻、漏抗和電流、為勵(lì)磁電阻、電抗和勵(lì)磁電流為附加電阻其矢量圖如圖3-2所示。由此可以得到三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的基本方程式為:0圖3-2 異步電動(dòng)機(jī)矢量圖 (3-1)令: (校正系數(shù))則有 (3-2) (3-3)3.1.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系及損耗分析圖3-3 異步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖圖3-3為異步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖。其中 為從電源輸入的有功功率 （3-4） 為定子銅耗 ( 3-5 ) 正常運(yùn)行情況下的三相異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)于鐵損耗很小，可以忽略不計(jì)，因此，電動(dòng)機(jī)的鐵損耗等于定子鐵損耗 ( 3-6) 從圖3-1等效電路中可以看出，通過空氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子方

39、面的電磁功率pm等于轉(zhuǎn)子回路全部電阻上的損耗，即:( 3-7 )轉(zhuǎn)子銅耗為 (3-8)電磁功率減去轉(zhuǎn)子繞組中的銅耗就是等效繞組上的損耗。這部分等效損耗實(shí)際上是傳輸給電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的機(jī)械功率即: (3-9) 電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生軸承以及風(fēng)阻等摩擦阻轉(zhuǎn)矩，這也要損耗一部分功率，把這部分功率叫做機(jī)械損耗，用表示。在異步電動(dòng)機(jī)中，除了上述各種損耗外，由于定、轉(zhuǎn)子開槽和定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)中含有諧波磁動(dòng)勢(shì)，還要產(chǎn)生一些附加損耗。附加損耗一般不易計(jì)算，往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算。在大型異步電動(dòng)機(jī)中，附加損耗凡。一般約為額定輸出功率的0.5%；而在小型異步電動(dòng)機(jī)中，滿載時(shí)，可達(dá)額定輸出功率的1%3%。在任意負(fù)載時(shí)，按定子電流

40、與額定電流比值的平方成正比折算。機(jī)械功率減去機(jī)械損耗和附加損耗，才是真正的輸出功率。綜上所述，可得功率關(guān)系式如下:輸入功率=定子銅耗+定子鐵耗+傳給轉(zhuǎn)子的功率，即: (3-10)傳給轉(zhuǎn)子的功率(電磁功率)=轉(zhuǎn)子銅耗+機(jī)械功率，即: (3-11)機(jī)械功率=機(jī)械損耗+附加損耗+輸出功率，即: (3-12)由以上分析可見，異步電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，由于其轉(zhuǎn)速和主磁通近似不變，導(dǎo)致機(jī)械損耗和定子鐵耗也近似不變，故稱機(jī)械損耗和定子鐵耗為不變損耗;定、轉(zhuǎn)子銅耗則隨電流的平方關(guān)系而變化;附加損耗在任意負(fù)載時(shí)也按定子電流與額定電流比值的平方成正比折算。這樣，異步電動(dòng)機(jī)的定子電流和負(fù)載電流的變化，可引起定、轉(zhuǎn)子銅

41、耗和附加損耗的變化。通過調(diào)壓，可以達(dá)到減小定、轉(zhuǎn)子銅耗和附加損耗的目的。3.1.3 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式由上節(jié)可知: (3-13)旋轉(zhuǎn)體的機(jī)械功率等于作用在旋轉(zhuǎn)體上的轉(zhuǎn)矩與它的機(jī)械角速度的乘積。在異步電動(dòng)機(jī)中，機(jī)械功率就是電磁轉(zhuǎn)矩乘以轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度，所以 (3-14)又因?yàn)? (3-15)所以: (3-16)式中，為轉(zhuǎn)矩因數(shù)，是氣隙每極磁通量，是轉(zhuǎn)子繞組的相數(shù)，是轉(zhuǎn)子繞組每相的匝數(shù)，是轉(zhuǎn)子繞組的基波繞組因數(shù)。由轉(zhuǎn)子電流和定子電壓的關(guān)系，可以推得另一關(guān)系式如下: （3-17）上式說明電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，電壓的變化將引起電磁轉(zhuǎn)矩的變化。對(duì)式(3-10)，應(yīng)用函數(shù)取極值的必要條件，當(dāng)

42、時(shí)，最大電磁轉(zhuǎn)矩為: (3-18) 一般異步電動(dòng)機(jī)的值在0.120.20之間，進(jìn)一步推導(dǎo)可以知道任意轉(zhuǎn)差率時(shí)的轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩之比為: (3-19) 最大電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說具有重要意義。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，若負(fù)載短時(shí)突然增大，隨后又恢復(fù)正常，則只要總的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大于最大電磁轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)仍能穩(wěn)定運(yùn)行，但若大于最大電磁轉(zhuǎn)矩，則電動(dòng)機(jī)將停轉(zhuǎn)下來(lái)。由此可見，最大電磁轉(zhuǎn)矩愈大，電動(dòng)機(jī)的短時(shí)過載能力愈強(qiáng)，因此把電動(dòng)機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩與額定 電磁轉(zhuǎn)矩之比稱為電動(dòng)機(jī)的過載能力，用過載系數(shù)表示，即 (3-22)如圖3-4所示的異步電動(dòng)機(jī)曲線中，為負(fù)載阻力矩。從圖中可以看到，電動(dòng)機(jī)可以工作在1或2的狀態(tài)，從平衡的角度容

43、易知道，1為穩(wěn)定平衡點(diǎn)，2為非穩(wěn)定平衡點(diǎn)。即當(dāng)負(fù)載阻力矩為轉(zhuǎn)差率為時(shí)為穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)負(fù)載阻力矩為轉(zhuǎn)差率為時(shí)為非穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，為穩(wěn)定運(yùn)行和不穩(wěn)定運(yùn)行兩種狀態(tài)的臨界點(diǎn)。因此，超過點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)就進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，故最大轉(zhuǎn)矩也稱為停運(yùn)轉(zhuǎn)矩。120圖3-4 異步電動(dòng)機(jī)曲線 從以上有關(guān)公式可以得出下面的近似結(jié)論：滿載時(shí)，當(dāng)外加電壓降低x倍時(shí)，為保證輸出轉(zhuǎn)矩不變，轉(zhuǎn)差率必須隨之增加x的平方倍。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將下降。而同時(shí)，轉(zhuǎn)子電流也必須增加x倍以保證輸出轉(zhuǎn)矩的不變。另一方面，外加電壓不能下降太多，因?yàn)椋妷旱淖兓瘜⒁鹱畲筠D(zhuǎn)矩的變化，當(dāng)最大轉(zhuǎn)矩下降為低于負(fù)載額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)將停止轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，電動(dòng)機(jī)調(diào)

44、壓控制的約束條件為最低電壓時(shí)電動(dòng)機(jī)的最大電動(dòng)轉(zhuǎn)矩不低于負(fù)載額定轉(zhuǎn)矩。空載時(shí)，負(fù)載阻力矩幾乎為零，同時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的電流非常小，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速，此時(shí)，調(diào)壓控制的約束條件將為轉(zhuǎn)差率的增加不能使電動(dòng)機(jī)停運(yùn)。從圖3-4的曲線可以看到，當(dāng)負(fù)載阻力矩接近零時(shí)，其轉(zhuǎn)差率接近于零，而此時(shí)的轉(zhuǎn)差率與最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率則相距較遠(yuǎn)，調(diào)壓范圍較大。3.2 運(yùn)行條件變化對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的影響電動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件的變化，主要是指電源(電壓、頻率)和負(fù)載(負(fù)載的大小)的變化。電動(dòng)機(jī)在額定工況附近運(yùn)行時(shí)具有最好的經(jīng)濟(jì)性，但在實(shí)際運(yùn)行中，電動(dòng)機(jī)不可能始終保持額定條件運(yùn)行，因?yàn)樨?fù)載總是不斷變化的，運(yùn)行條件也會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化，從而影

45、響到電動(dòng)機(jī)的效率。當(dāng)電壓、頻率在額定值時(shí)，隨著負(fù)載的減小，電動(dòng)機(jī)的輸入功率、電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)隨之降低，而且對(duì)于任何類型的負(fù)載，電動(dòng)機(jī)都能保持穩(wěn)定運(yùn)行。但是電動(dòng)機(jī)的效率不會(huì)因此而保持不變，相反，會(huì)隨著負(fù)載的減小而降低，而且在負(fù)載減小到一定程度后，效率會(huì)有大幅度的下降。這就是說，電動(dòng)機(jī)輸入功率的絕對(duì)值看起來(lái)雖然降低了，但是相對(duì)損耗卻提高了，使電動(dòng)機(jī)處于一種不經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)，造成了電能損失，這當(dāng)然是不希望的。這就需要采取一些措施，希望在負(fù)載變化的同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸入功率和各種損耗都能隨負(fù)載的減小而盡可能地成比例降低，同時(shí)，保持電動(dòng)機(jī)繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。也就是說，這個(gè)措施應(yīng)使電動(dòng)機(jī)在負(fù)載變化的整個(gè)過程中，能滿足兩

46、個(gè)條件:一是電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性始終能滿足工作機(jī)械的負(fù)載特性要求，使系統(tǒng)保持穩(wěn)定運(yùn)行，二是電動(dòng)機(jī)的效率在整個(gè)負(fù)載變化過程中始終處于最佳狀態(tài)，保持電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。 在電動(dòng)機(jī)的節(jié)能技術(shù)中，主要是采用隨負(fù)載變化的同時(shí)改變電動(dòng)機(jī)的定子端電壓、定子頻率或定、轉(zhuǎn)子間的轉(zhuǎn)差等方法來(lái)達(dá)到既降低能耗又滿足上述條件的目的。但是這樣一來(lái)，也就完全改變了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件，使得電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期偏離額定值運(yùn)行。而偏離額定值，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)負(fù)載特性的基本參數(shù):電勢(shì)、磁通、磁化電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)差、轉(zhuǎn)速、定、轉(zhuǎn)子的電流及相位等一系列的變化，而且這些變化對(duì)不同性質(zhì)的負(fù)載具有不同的影響。下面將對(duì)這些影響進(jìn)行一些具體的分析，以便根據(jù)不同的條件

47、采取合理的節(jié)能措施。本節(jié)將著重分析運(yùn)行條件的變化對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的影響，說明如何改變運(yùn)行條件，使得電動(dòng)機(jī)節(jié)能和允許改變條件的程度;以及根據(jù)上述相應(yīng)的改變確定電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱、損耗、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩等的情況，以便衡量所采用的改變運(yùn)行條件的節(jié)能措施是否經(jīng)濟(jì)合理、對(duì)不同性質(zhì)的負(fù)載的效果及應(yīng)用范圍。3.2.1 負(fù)載變化對(duì)損耗、效率、功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩的影響 在額定電壓和額定頻率時(shí)，電動(dòng)機(jī)負(fù)載的變化會(huì)引起電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率、定子電流、轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)矩相應(yīng)的變化，這一變化必然又會(huì)引起電動(dòng)機(jī)損耗、效率和功率因數(shù)的變化，而勵(lì)磁電流實(shí)際上可認(rèn)為與負(fù)載無(wú)關(guān)。1、負(fù)載率m的確.定及負(fù)載率的變化對(duì)電動(dòng)機(jī)損耗的影響電動(dòng)

48、機(jī)在額定負(fù)載時(shí)的總損耗為: （3-20）其中： 電動(dòng)機(jī)的固定損耗 額定工況下定子和轉(zhuǎn)子的銅耗、 額定工況下電動(dòng)機(jī)的可變損耗 空載時(shí)定子銅耗 定子銅耗中的可變部分 （3-21）式中，即為負(fù)載率。同樣： (3-22)所以可變損耗可以寫為: (3-23) 即可變損耗與負(fù)載率的平方成正比。 2、負(fù)載率對(duì)效率的影響及計(jì)算 電動(dòng)機(jī)的效率一般是隨額定容量的增大而提高，相同容量電動(dòng)機(jī)的效率則隨額定轉(zhuǎn)速的降低而降低。當(dāng)容量和轉(zhuǎn)速不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的效率將隨負(fù)載率的變化而變化?？梢詮娜我庳?fù)載率下電動(dòng)機(jī)的總損耗公式中直接推算出效率和負(fù)載率的關(guān)系式： (3-24) 3、負(fù)載率對(duì)功率因數(shù)的影響 功率因數(shù)是電動(dòng)機(jī)的另一個(gè)性能

49、指標(biāo)。從異步電動(dòng)機(jī)的等效電路圖可知:對(duì)于電源來(lái)說，異步電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于一個(gè)電阻和電感互相串并聯(lián)的電路，功率因數(shù)總是小于1的。為了建立磁場(chǎng)，電動(dòng)機(jī)需要從電源吸取很大的無(wú)功電流，在正常條件下，勵(lì)磁電流是不隨負(fù)載變化的，而轉(zhuǎn)子電流卻隨負(fù)載的增減而增減。當(dāng)負(fù)載變小時(shí)，轉(zhuǎn)子電流就會(huì)相應(yīng)減小，于是定子電流與電源電壓間的相角就變大，功率因數(shù)就降低。在空載時(shí)，定子電流，相角最大，功率因數(shù)最低。當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，定子電流中的有功分量增大，從而使功率因數(shù)很快上升，當(dāng)接近額定負(fù)載時(shí)，最大。如果繼續(xù)增加負(fù)載，由于此導(dǎo)致功率因數(shù)又下降。所以電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)的高低還與空載電流和額定電流之比有關(guān)。知道了電動(dòng)機(jī)的總損耗和效率后，就可

50、以確定任意負(fù)載下的功率因數(shù)和無(wú)功功率的變化情況，其關(guān)系式為 (3-25) 其中，為定子電流，為額定線電壓。 4、負(fù)載率與電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差率的關(guān)系電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，并拖動(dòng)機(jī)械設(shè)備一起轉(zhuǎn)動(dòng)，其工作過程是：在正常方式下，當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩首先必須大于負(fù)載的機(jī)械阻轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)才能順利起動(dòng)。由于大于，有了一定的剩余轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)就能不斷加速至額定轉(zhuǎn)速，為了避免起動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致起動(dòng)電流過大使繞組發(fā)熱，要求電動(dòng)機(jī)有足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以縮短起動(dòng)時(shí)間，減少發(fā)熱。當(dāng)電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載的機(jī)械阻轉(zhuǎn)矩相平衡，即，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

51、如果此時(shí)負(fù)載增大，即，電動(dòng)機(jī)的平衡被破壞，使得轉(zhuǎn)差率s增大，就會(huì)引起轉(zhuǎn)子電流增大，接著電磁轉(zhuǎn)矩也跟著增大，直至與負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到新的平衡。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩再繼續(xù)增大，且超過電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)就會(huì)因不能承載而不斷減速，直至停轉(zhuǎn)，或者由于轉(zhuǎn)子電流增大到超過允許值，使轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱而燒壞。如果負(fù)載在小于額定值的范圍內(nèi)變化，且轉(zhuǎn)速為額定值時(shí)，電動(dòng)機(jī)總能保持穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)推導(dǎo)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載率的關(guān)系可寫為： （3-26）式中，為電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比。為任意負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之比，稱為任意負(fù)載時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，當(dāng)負(fù)載為額定值時(shí)； 為任意負(fù)載時(shí)阻轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，稱為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)

52、矩率。當(dāng)轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)速變化很小時(shí)，轉(zhuǎn)矩率在數(shù)值上等于負(fù)載率?？梢?，電動(dòng)機(jī)在負(fù)載變化時(shí)的實(shí)際承載能力與負(fù)載率成反比，負(fù)載越小，承載能力越大，系統(tǒng)越能穩(wěn)定運(yùn)行；負(fù)載變大，承載能力就降低，如果，承載能力就小于額定承載能力，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性將降低。 同理，可求得在額定轉(zhuǎn)差率附近轉(zhuǎn)差率與負(fù)載率得關(guān)系為: (3-27) 即轉(zhuǎn)差率與負(fù)載率成正比，當(dāng)負(fù)載小于額定值變化時(shí)，轉(zhuǎn)差率在0之間變化3.2.2電壓變化對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的形響 當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，是否允許電壓同時(shí)降低，允許降低電壓的范圍以及降低電壓運(yùn)行對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響。 1、電壓變化對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響 異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電源電壓、頻率、極對(duì)數(shù)，及轉(zhuǎn)差有關(guān)，

53、當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和頻率一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比。當(dāng)電壓降低時(shí)，轉(zhuǎn)矩將以平方倍下降。由上述分析可知，正常情況下電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是隨時(shí)隨地與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的，只要負(fù)載不超過額定值，電動(dòng)機(jī)總能保持穩(wěn)定運(yùn)行。但如果在負(fù)載變化的同時(shí)，也改變電源電壓，電動(dòng)機(jī)是否能繼續(xù)保持穩(wěn)定運(yùn)行呢?下面將對(duì)兩類不同性質(zhì)的負(fù)載進(jìn)行分析： （）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 如切削車床、傳送運(yùn)輸機(jī)械和本文緒論中提到過的游梁式抽油機(jī)中的起重電動(dòng)機(jī)等，其阻轉(zhuǎn)矩為常數(shù)。這類負(fù)載一般有重載運(yùn)行方式和輕載運(yùn)行方式，對(duì)于這類負(fù)載中的運(yùn)行電動(dòng)機(jī)，當(dāng)其輕載運(yùn)行時(shí)，即使供電電壓變化較大，轉(zhuǎn)速變化仍然是很小的，電動(dòng)機(jī)總能保持穩(wěn)定運(yùn)行。而在重載時(shí)，如果電

54、壓降低，轉(zhuǎn)速就會(huì)很快下降，使電動(dòng)機(jī)失去穩(wěn)定，直至停轉(zhuǎn)，降低電壓節(jié)能的措施是否可行，能否使電動(dòng)機(jī)保持穩(wěn)定運(yùn)行是有一定條件的.為了清晰而簡(jiǎn)潔地顯示出負(fù)載、電壓、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系，列出以下關(guān)系式：（3-28） 由上式可知，電動(dòng)機(jī)可承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不僅與電壓的平方成正比，與負(fù)載率成反比，而且還與電動(dòng)機(jī)本身的承載能力有關(guān)。由3.1.3節(jié)可知，任意負(fù)載時(shí)，電動(dòng)機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件是使，即。因此當(dāng)負(fù)載率一定時(shí)，如越大，電壓允許調(diào)節(jié)的范圍也就越大，式中，為調(diào)壓系數(shù)。 由上式還可知，轉(zhuǎn)子電流與調(diào)壓系數(shù)成反比，與負(fù)載率成正比:轉(zhuǎn)差率則與電壓的平方成反比，與負(fù)載率成正比變化。利用式(3-28)可以方便地分析出不同性質(zhì)的負(fù)載在不同運(yùn)行方式下受電壓變化的影響。 利用式(3-28)進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)注意到:轉(zhuǎn)差率與調(diào)壓系數(shù)的平方成反比變化，但轉(zhuǎn)速的平方成正比，負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩只受運(yùn)行方式(重載和輕載)、負(fù)載性質(zhì)(恒轉(zhuǎn)矩或變轉(zhuǎn)矩)的影響，兩者不能混淆。另外，對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，轉(zhuǎn)差率只允許在0的范圍內(nèi)變動(dòng)才穩(wěn)定，在此范圍內(nèi)改變電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速的變化是很小的，一般電壓降低10%，轉(zhuǎn)速只降低1%左右。 綜上所述，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在重載方式下