抽油機電動機晶閘管調(diào)壓節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、<p>　　抽油機電動機晶閘管調(diào)壓節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　學(xué)生專業(yè)：電氣工程及其自動化</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　抽油機電動機起動轉(zhuǎn)矩很大，但是電動機運行過程中多處于輕載狀態(tài)，電能浪費比較嚴(yán)重，所以研究抽油機電動機節(jié)能具有重要意義。電動機處于輕載運行狀態(tài)時，調(diào)節(jié)輸入端電壓使其在能安

2、全帶動負(fù)載的前提下，自身損耗盡可能小，達(dá)到節(jié)能的目的。</p><p>　　通過查閱文獻(xiàn)對當(dāng)前國內(nèi)外常用的節(jié)能方法進(jìn)行分析并對其優(yōu)缺點逐一比較，在選定降壓節(jié)能方法后對降壓節(jié)能運行給予了理論分析與論證，可知定子電壓降低，功率因數(shù)和效率都將得到改善。通過Matlab仿真和電動機實驗對降壓節(jié)能方案進(jìn)行驗證，為系統(tǒng)設(shè)計提供了依據(jù)。</p><p>　　本文還進(jìn)行了抽油機電動機調(diào)壓節(jié)能系統(tǒng)的軟、硬件

3、設(shè)計。系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括晶閘管調(diào)壓主電路設(shè)計和以PIC16C74單片機為核心的控制電路的設(shè)計。針對非同步投入帶來的危害，設(shè)計了相位檢測電路。根據(jù)仿真實驗得到的控制規(guī)律和提出的雙反饋控制原理進(jìn)行了系統(tǒng)的軟件設(shè)計。</p><p>　　關(guān)鍵詞：抽油機 節(jié)能 晶閘管 單片機</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　T

4、he start torque of oil-pumping unit's motor is very large, the motor always moves with low load. This run status results in the energy waste. It makes sense to research the energy saving of oil-pumping unit's mot

5、or. When motor light-load state，Regulating the input voltage and when the motors run with it，their power loss will be decreased as much as possible while they can burden their load safely. So the purpose of energy saving

6、.</p><p>　　Through is achieved consulting a lot of literature, introduced the general energy saving ways and analyses their merits and defects. After choosing the ways of regulating voltage, the paper analys

7、es the run of the motors under lower voltage. It gets the result that the voltage fall will improve the power factor and efficiency. The paper makes the simulation and motor experiment and adjusts the regulation rules.&l

8、t;/p><p>　　At last, the paper makes the system's design of software and hardware. The hardware design includes the SCR voltage regulating main circuit and the control circuit whose core is the PIC16C74 micr

9、o-controller. In order to keep the in-phase of the lines, it designs the phase detection circuit. On the basis of introduction of the control rules, the paper makes the software design.</p><p>　　Key word: o

10、il-pumping uni saving energy thyristor MCU</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b&

11、gt;</p><p>　　1.1課題的背景及意義1</p><p>　　1.2目前所存在的問題1</p><p>　　1.3目前發(fā)展情況及節(jié)能技術(shù)2</p><p>　　1.3.1抽油機常用節(jié)能技術(shù)2</p><p>　　1.3.2抽油機今后的發(fā)展方向4</p><p>　　第2章

12、抽油機電動機綜述5</p><p>　　2.1目前抽油機的種類及應(yīng)用5</p><p>　　2.1.1游梁式抽油機5</p><p>　　2.1.2無游梁式抽油機6</p><p>　　2.2抽油機的工作原理及分析8</p><p>　　2.3抽油機電動機的調(diào)壓節(jié)能11</p><p&g

13、t;　　2.4本章小結(jié)14</p><p>　　第3章 抽油機電動機晶閘管節(jié)能的仿真與實驗15</p><p>　　3.1調(diào)壓節(jié)能系統(tǒng)的仿真分析15</p><p>　　3.2仿真模型的建立15</p><p>　　3.3仿真結(jié)果的分析18</p><p>　　3.4電動機調(diào)壓節(jié)能實驗21</p>

14、;<p>　　3.5 本章小結(jié)22</p><p>　　第4章 節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計23</p><p>　　4.1節(jié)能系統(tǒng)主回路的設(shè)計23</p><p>　　4.1.1 主回路結(jié)構(gòu)23</p><p>　　4.1.2 晶閘管的阻容吸收電路設(shè)計26</p><p>　　4.1.3 晶閘管過電流保

15、護28</p><p>　　4.1.4 無功補償設(shè)計28</p><p>　　4.1.5 操作電路設(shè)計29</p><p>　　4.2相位檢測與同相投入30</p><p>　　4.2.1 同步投入原理30</p><p>　　4.2.2 相位檢測與同步的實現(xiàn)31</p><p>　

16、　4.3節(jié)能系統(tǒng)控制電路的設(shè)計34</p><p>　　4.3.1 方案設(shè)計34</p><p>　　4.3.2 電流檢測電路設(shè)計35</p><p>　　4.3.3 輸出電路設(shè)計36</p><p>　　4.3.4 數(shù)字顯示電路的設(shè)計37</p><p>　　4.4節(jié)能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計39</p&g

17、t;<p>　　4.4.1 軟件設(shè)計規(guī)律的確定39</p><p>　　4.4.2 控制器的軟件設(shè)計41</p><p>　　4.5本章小結(jié)45</p><p><b>　　結(jié) 論47</b></p><p><b>　　致 謝48</b></p><

18、p><b>　　參考文獻(xiàn)49</b></p><p><b>　　附錄1 50</b></p><p><b>　　附錄2 51</b></p><p><b>　　Contents</b></p><p>　　Abstract(Chine

19、se)I</p><p>　　AbstractII</p><p>　　Chapter 1Introduction1</p><p>　　1.1The topic background and the significance1</p><p>　　1.2Current problems1</p><p>　

20、　1.3The present situation and development of energy saving technology2</p><p>　　1.3.1Pumping unit energy-saving technologies used2</p><p>　　1.3.2Pumping machines the development direction henc

21、eforth4</p><p>　　Chapter 2 Summary motor of pumping unit5</p><p>　　2.1The oil pump machine types and applications5</p><p>　　2.1.1Beam type oil pumping machine5</p><p&

22、gt;　　2.1.2Without walking beam type oil pumping machine6</p><p>　　2.2Oil pumping machine working principle and analysis8</p><p>　　2.3Pumping motor voltage energy saving11</p><p>

23、　　2.4The chapter summary14</p><p>　　Chapter 3 Pumping unit motor thyristor energy saving simulation and experiment15</p><p>　　3.1Simulation analysis of the regulator of energy saving system1

24、5</p><p>　　3.2Simulation model15</p><p>　　3.3The simulation results of the analysis18</p><p>　　3.4Motor voltage regulating and energy saving of experiment21</p><p>　

25、　3.5The chapter summary22</p><p>　　Chapter 4 Energy-saving control system design23</p><p>　　4.1Energy-saving system main circuit design23</p><p>　　4.1.1 Main circuit structure23

26、</p><p>　　4.1.2Thyristor capacitance resistance absorption circuit design26</p><p>　　4.1.3Thyristor over-current protection28</p><p>　　4.1.4Reactive power compensation design28&l

27、t;/p><p>　　4.1.5Operating circuit design29</p><p>　　4.2Phase detection and noninverting input30</p><p>　　4.2.1Synchronization input principle30</p><p>　　4.2.2Phase dete

28、ction and synchronization31</p><p>　　4.3Energy saving control system circuit design34</p><p>　　4.3.1Scheme design34</p><p>　　4.3.2Circuit design of current detection35</p>

29、<p>　　4.3.3The output circuit design36</p><p>　　4.3.4Digital display circuit design37</p><p>　　4.4Energy saving control system software design39</p><p>　　4.4.1Software des

30、ign to determine the law39</p><p>　　4.4.2Controller software design41</p><p>　　4.5The chapter summary45</p><p>　　Conclusion47</p><p>　　Acknowledgement48</p>

31、<p>　　References49</p><p>　　Appendix 150</p><p>　　Appendix 251</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題的背景及意義</p><p>　　我國的油田多為低滲透的低能、低產(chǎn)油

32、田，不像中東的油田那樣有很強的自噴能力，大部分油田要靠注水來壓油入井，再靠抽油機把油從地層中提升上來。以水換油，以電換油是目前我國油田的現(xiàn)實，電費在我國的石油開采成本中占了相當(dāng)大的比例。所以，石油行業(yè)十分重視節(jié)約電能。</p><p>　　油田的主要生產(chǎn)設(shè)備是抽油機，它將石油從地底提升到地面上來，從而完成采油任務(wù)，抽油機電動機用電量占油田總用電量的比例很大。 目前我國抽油機的保守量在10萬臺以上，電動機裝機總?cè)萘?/p>

33、在3500MW，每年耗電量逾百億kW·h。抽油機的運行效率特別低，在我國平均效率為25.96%，國外平均水平為30.05%，年節(jié)能潛力可達(dá)幾十億kW·h。除了抽油機之外，油田還有大量的注水泵、輸油泵和潛油泵等設(shè)備，總耗電量超過油田總用電量的80%，可見，石油行業(yè)也是推廣“電機系統(tǒng)節(jié)能”的重點行業(yè)。</p><p>　　隨著單片機集成度的不斷提高，運算速度的不斷加快，成本的不斷降低，計算機應(yīng)用技

34、術(shù)得到了廣泛使用，而半導(dǎo)體功率器件性能不斷完善、發(fā)展，性價比不斷提高，大范圍推廣先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)的硬件條件已經(jīng)具備。近年來我國油田采油廠自動化水平在不斷提高，特別是西部油田和一些新建的采油區(qū)塊，應(yīng)用了許多高新技術(shù)，基于電力電子技術(shù)的抽油機節(jié)能控制系統(tǒng)已具備了應(yīng)用的條件。所以課題研究有重要學(xué)術(shù)意義和實用價值。</p><p>　　1.2 目前所存在的問題</p><p>　　在抽油機的各種類型

35、中，游梁式抽油機又占主要的地位，它是油田使用最廣泛的一種舉升設(shè)備，約占油田人工舉升設(shè)備的95%。游梁式抽油機—— 有桿抽油泵全系統(tǒng)的總效率在國內(nèi)一般地區(qū)平均只有12％~23％，先進(jìn)地區(qū)至今也不到30％。美國的常規(guī)型抽油機系統(tǒng)效率較高，但也僅有46％。系統(tǒng)效率低下，能耗大，耗電就多，因此，節(jié)能成為有桿抽油系統(tǒng)的一個亟需解決的問題。此外，隨著老油田油井的注水開發(fā)，油田已經(jīng)開始進(jìn)入高含水采油期。不斷提高產(chǎn)液量，這是注水開采油田保證原油穩(wěn)產(chǎn)的必

36、要趨勢。這種開采特點要求抽油機的沖程越長越好，使得在役的常規(guī)型游梁式抽油機機型偏小，在一定程度上已經(jīng)不能滿足:長沖程、低沖次,生產(chǎn)的要求。抽油機的拖動裝置絕大部分是異步電動機，其中交流鼠籠型異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、堅固、慣量小、運行可靠、維修少、制造成本低及可應(yīng)用十惡劣工作環(huán)境等優(yōu)點，使其作為油梁式抽油機動力驅(qū)動裝置，得到了廣泛的應(yīng)用。在與游梁式抽油機配套的鼠籠型異步電機的使用中，由于起動力矩很大，導(dǎo)致異步電機在許多場合都處于不滿負(fù)載的狀態(tài)

37、下工作，從而引起抽油機電機負(fù)載率低，功率因數(shù)低，浪費電能嚴(yán)重的問題。</p><p>　　1.3 目前發(fā)展情況及節(jié)能技術(shù)</p><p>　　1.3.1抽油機常用節(jié)能技術(shù)</p><p>　　1．改進(jìn)抽油機的結(jié)構(gòu)</p><p>　　這種方法主要是通過對抽油機四桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和改變抽油機平衡方式來改變抽油機曲柄軸凈扭矩曲線的形狀和大小，減小

38、負(fù)扭矩，使扭矩波動平緩，從而減小抽油機的周期載荷系數(shù)，提高電動機的工作效率，達(dá)到節(jié)能的目的。例：美國CMI公司研究開發(fā)TORQM—ASER 異相型抽油機，其最大扭矩減小60％，節(jié)電l5％~35％美國 Lufilin 公司開發(fā)的MARK-Ⅱ型前置式抽油機，平均節(jié)電36.8％；自20世紀(jì)80年代中后期我國油田使用最多的節(jié)能型抽油機是偏置式節(jié)能抽油機，該機系統(tǒng)效率提高3.68％，單耗下降14.87％；1991年由華北油田采油一廠開發(fā)的雙驢頭節(jié)

39、能抽油機與常規(guī)機相比，該機的系統(tǒng)效率提高了8.22％，單耗下降24.5％。</p><p>　　2．采用節(jié)能驅(qū)動設(shè)備</p><p>　　這種方法是從研究電機的特性入手，研究開發(fā)新型的電動機，使之與采油井井況相匹配，進(jìn)而達(dá)到提高電動機的效率和功率因數(shù)的目的，即采用高轉(zhuǎn)差率電動機(轉(zhuǎn)差率8％~13％)和超高轉(zhuǎn)差率電動機代替常規(guī)轉(zhuǎn)差率電動機(轉(zhuǎn)差率小于5％)。美國 Baldor 電器公司生產(chǎn)的

40、高轉(zhuǎn)差率電動機驅(qū)動抽油機可提高功率因數(shù)74％，節(jié)電22.7％；在國內(nèi)，超高轉(zhuǎn)差率電動機有功節(jié)電率為10.56％，綜合節(jié)電率為17.42％；還有采用同步電機、變頻器等，但因造價高，難以推廣；另外，還有采用節(jié)能配電箱來實現(xiàn)節(jié)電的。</p><p>　　3．采用節(jié)能控制裝置</p><p>　　如DSC系列抽油機多功能程控裝置、間抽定時控制裝置。</p><p><

41、b>　　4．采用節(jié)能元部件</b></p><p>　　如窄V型帶傳動和同步帶傳動等。</p><p><b>　　5．改進(jìn)平衡方式</b></p><p>　　如采用氣動平衡或天平平衡等。</p><p>　　6．改進(jìn)“三抽”系統(tǒng)部件</p><p>　　有采用抽油桿導(dǎo)向器、空

42、心抽油桿，減振式懸繩器等部件，都可提高三抽系統(tǒng)的工作效率，達(dá)到節(jié)能的目的。</p><p><b>　　7．采用高效節(jié)能泵</b></p><p>　　提高泵效，即降低了百米噸耗，實現(xiàn)節(jié)能。近年來抽油機節(jié)能技術(shù)研究已成為科技攻關(guān)的方向。以上方法都已經(jīng)取得了顯著的節(jié)能效果，有的在原有抽油機的基礎(chǔ)上加以改造，簡單易行，改造費用低，但是不能從根本上解決抽油機的工作工況，使之

43、與電動機的工作特性相匹配；有的改變了電動機的工作特性，使之與抽油機的工作工況相匹配，提高了電動機的工作效率和功率因數(shù)，達(dá)到了節(jié)能的目的，但是改造費用太高，不利于大范圍的推廣。</p><p>　　1.3.2抽油機今后的發(fā)展方向</p><p>　　1．朝著大型化方向發(fā)展</p><p>　　隨著世界油氣資源的不斷開發(fā)，開采油層深度逐年增加，石油含水量也不斷增加，采用

44、大泵提液采油工藝和開采稠油等，都要求采用大型抽油機。所以，近年來國外出現(xiàn)了許多大載荷抽油機，如法國 Mape公司抽油機最大沖10M,WGCO公司抽油機最大沖程24.38M。</p><p>　　2．朝著低能耗方向發(fā)展</p><p>　　為了減少能耗，提高經(jīng)濟效益，近年來研制與應(yīng)用了許多節(jié)能型抽油機。其中包括增大沖程游梁抽油機，增大沖程無游梁抽油機和長沖程無游梁抽油機。如異相機、雙驢頭抽油

45、機、擺桿抽油機、漸開線抽油機、摩擦換向抽油機、液壓抽油機及各種節(jié)能裝置和控制裝置。</p><p>　　3．朝著高適應(yīng)性方向發(fā)展</p><p>　　現(xiàn)在抽油機應(yīng)具備較高的適應(yīng)性，以便拓寬使用范圍。例如適應(yīng)各種自然地理和地質(zhì)構(gòu)造條件抽油的需要；各種成分石油抽取的需要，各種類型油井抽取的需要；深井抽取的需要，長沖程的需要；節(jié)電的需要；精確平衡的需要；無電源和間歇抽取的需要；優(yōu)化抽油的需要等。

46、</p><p>　　4．朝著長沖程無游梁抽油機方向發(fā)展</p><p>　　近年來國內(nèi)、國外研制與應(yīng)用了多種類型的長沖程抽油機，實踐與理論表明，增大沖程無游梁抽油機是增大沖程抽油機的發(fā)展方向，長沖程無游梁抽油機是長沖程抽油機發(fā)展方向</p><p>　　5．朝著自動化和智能化方向發(fā)展</p><p>　　近年來，抽油機技術(shù)發(fā)展的顯著標(biāo)志是自

47、動化和智能化。BAKER提升系統(tǒng)公司、DELTAX公司、APS公司等研制了自動化抽油機，具有保護和報警功能，實時測得油井運動參數(shù)及時顯示與記錄，并通過進(jìn)行綜合計算分析，得出最優(yōu)工況參數(shù)，進(jìn)一步指導(dǎo)抽油機在最優(yōu)工況抽油?？傊?，抽油機將朝著節(jié)能降耗并具有自動化、智能化、長沖程、大載荷、精確平衡等方向發(fā)展。</p><p>　　第二章 抽油機電動機綜述</p><p>　　2.1目前抽油機的種類

48、及應(yīng)用</p><p>　　隨著油田的開發(fā)，抽油機的投入量日益增加。高效、節(jié)能、可靠性高的抽油機是石油機械裝備工業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。國外在抽油機的開發(fā)上投入精力比較多，研究的時間也比較早。除大量開發(fā)生產(chǎn)游梁式抽油機外，國外一些科研和制造公司正在研制和推出各種非傳統(tǒng)型號的抽油機。我國抽油機設(shè)計制造發(fā)展也很快，吸取了前蘇聯(lián)和美國API標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點，依據(jù)我國油田開發(fā)的特點，逐步形成了我國抽油機的新系列。</p>

49、<p>　　目前，國內(nèi)外各油田使用的抽油機有很多種，總體上可分為：游梁式、無游梁式。</p><p>　　2.1.1游梁式抽油機</p><p>　　l.常規(guī)游梁式抽油機</p><p>　　常規(guī)游梁式抽油機是油田使用歷史最悠久，使用數(shù)量最多的一種抽油機。該機采用具有對稱循環(huán)四桿機構(gòu)或近似對稱循環(huán)四桿機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，操作維護方便，但長沖程時平衡效

50、果差，效率低，能耗大，不符合節(jié)能要求，基本停止了生產(chǎn)。</p><p><b>　　2.前置式抽油機</b></p><p>　　前置式抽油機平衡后的理論凈扭矩曲線是一條比較均勻的接近水平的直線，因此其運行平穩(wěn)，減速箱齒輪基本無反向負(fù)荷，連桿、游梁不易疲勞損壞，機械磨損小，噪聲比常規(guī)式抽油機低，整機壽命長。具有體積小、重量輕的優(yōu)點。</p><p&

51、gt;<b>　　3.偏置式抽油機</b></p><p>　　偏置式抽油機又稱異相曲柄平衡式抽油機，特點是平衡塊中心線相對于曲柄中心偏轉(zhuǎn)一個角度，這種機型國外60年代發(fā)展起來并得到API的承認(rèn)。試驗表明，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的偏置式抽油機節(jié)電可達(dá)20％。</p><p><b>　　4.膠帶傳動抽油機</b></p><p>　　

52、膠帶傳動抽油機是美國GROOVES公司于80年代開發(fā)的新型抽油設(shè)備，該機通過二級膠帶傳動，將電動機的原動力傳給曲柄膠帶輪，并帶動游梁擺動。與常規(guī)機相比，其上沖程轉(zhuǎn)矩因數(shù)小，驢頭懸點加速度小。在相同的工況下，具有結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，維修及運行管理方便等特點。</p><p><b>　　5.下偏杠鈴抽油機</b></p><p>　　下偏杠鈴游梁復(fù)合平衡抽油機是在原常

53、規(guī)游梁抽油機的游梁尾端，利用變矩原理增加簡單的下偏杠鈴所形成的一種新型節(jié)能抽油機。該機繼承和保留了原常規(guī)游梁式抽油機的全部優(yōu)點，節(jié)能效果也較明顯。</p><p>　　6.偏輪式游梁抽油機</p><p>　　它打破常規(guī)機四連桿機構(gòu)的框架，以游梁尾部的偏輪為中心，形成獨特的六連桿體系，偏輪桿件均為剛性連接，保持了常規(guī)機的特點。</p><p>　　7.雙驢頭游梁式抽

54、油機</p><p>　　該機是將常規(guī)機游梁與橫梁的鉸鏈連接，改為變徑圓弧的后驢頭、鋼絲繩與橫梁之間的軟連接，構(gòu)成變參數(shù)四桿機構(gòu)來傳遞運動和扭矩，克服原機構(gòu)的死角，增加游梁擺角，沖程提高20％～70％。</p><p>　　2.1.2無游梁式抽油機</p><p>　　l.鏈條式無游梁抽油機</p><p>　　勝利高原公司生產(chǎn)的長沖程、低沖

55、次、ROTAFLEX鏈條驅(qū)動的皮帶式抽油機是一種全新結(jié)構(gòu)的高性能有桿抽油設(shè)備，該機可以滿足下泵深抽、大泵排液、長沖程,低沖次抽稠采油工藝中高含水期油井加深泵掛大排量的需要，是一種高效節(jié)能經(jīng)濟性好的機種。通過增加沖程長度和減少沖次，降低了油管和桿柱接箍的磨損。減少了對扭矩的需要，可使用小減速箱。減少了原動機的循環(huán)負(fù)荷，提高了系統(tǒng)總效率，允許使用小功率電動機。比常規(guī)抽油機操作和維修更安全。這種獨特的抽油機突破了傳統(tǒng)有桿泵系統(tǒng)在排量和深度上所

56、不能達(dá)到的界限。</p><p><b>　　2.液壓抽油機</b></p><p>　　液壓抽油機由液力、電動、氣動元件結(jié)合組成。抽油機的特點是：</p><p>　　(1)沖程長度和速度可以任意調(diào)節(jié)，液控元件可通過儀表隨時顯示抽油桿的瞬時負(fù)荷，示功儀亦可預(yù)先裝在抽油機上，以觀察全機運行情況。</p><p>　　(2

57、)上下沖程的速度可以單獨控制，上沖程慢下沖程快，使抽油桿受力比較平穩(wěn)、合理。</p><p><b>　　(3)輕便。</b></p><p><b>　　3.數(shù)控抽油機</b></p><p>　　數(shù)控抽油機是近幾年研制的機電一體化的抽油裝置，數(shù)控抽油機采用了全數(shù)控電力拖動系統(tǒng)，綜合微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、過程控制技術(shù)

58、，是按照機電一體化的設(shè)計思想精心制作的電子——機械裝置，是一種能根據(jù)抽油井特征隨機改變運動“姿態(tài)”的實時數(shù)字控制電動系統(tǒng)。使整個抽油機成為一個能夠根據(jù)外界工況變化而實時改交運動規(guī)律的機電一體化智能設(shè)備。美國National Supply公司生產(chǎn)的智能抽油機節(jié)約電耗10％～30％。</p><p>　　4.寬帶長沖程油油機</p><p>　　該機仍然采用普通異步交流電動機作為驅(qū)動力并采用了

59、和游梁式抽油機相似的皮帶傳動及減速器作減速裝置。該機的結(jié)構(gòu)特點在于：減速器輸出軸上安裝一寬皮帶輪，寬度帶一端和懸繩器相連另一端安裝于寬皮帶輪上，在寬度帶中間的適當(dāng)位置上固定安裝一個用于放平衡塊的平衡框，通過寬皮帶在帶輪上的纏繞與釋放達(dá)到?jīng)_程換向的目的。</p><p><b>　　5.摩擦換向抽油機</b></p><p>　　摩擦換向抽油機通過電動機正反轉(zhuǎn)驅(qū)動減速器

60、帶動摩擦輪轉(zhuǎn)動，無觸點換向開關(guān)換向，使抽油桿上下運動來抽汲油液。鋼絲繩一端通過懸繩器與光桿連接，另一端與配重箱連接，根據(jù)示功圖載荷的大小可調(diào)整配重鐵，以調(diào)節(jié)摩擦輪兩端的拉力差，做到精確平衡。該機結(jié)構(gòu)簡單，沖次可根據(jù)生產(chǎn)需要用旋鈕任意無級調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)抽油機工作中上、下沖程速度的分別控制。沖程長度可根據(jù)需要設(shè)計配套高度的塔架，在最大沖程下實現(xiàn)任意沖程的調(diào)節(jié)。調(diào)平衡簡單方便，操作強度低、操作時間短。電動機恒扭矩輸出，啟動無沖擊電流，節(jié)電效果

61、顯著。</p><p>　　2.2抽油機的工作原理及分析</p><p>　　目前，我國抽油機主要生產(chǎn)廠家有十幾家，產(chǎn)品主要是以游梁式抽油機為主，約占抽油機總數(shù)的98％~99％，游梁式抽油機的類型很多，但其基本結(jié)構(gòu)和工作原理是相同的。抽油機主要由游梁—連桿—曲柄機構(gòu)、減速裝置、動力設(shè)備和輔助裝置等四大部分組成。如下圖2-1所示。</p><p>　　1-懸繩器；2-

62、驢頭；3-游梁；4-橫梁；5-橫梁軸；6-連桿；7-支架軸；8-支架；9-平衡塊；10-曲柄；11-曲柄銷軸承；12-減速箱；13-減速箱皮帶輪；14-電動機；15-剎車裝置；16-電路控制裝置；17-底座</p><p>　　圖 2-1 抽油機結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　抽油機的工作原理是：電動機將其高速旋轉(zhuǎn)運動傳遞給減速箱的輸入軸，并經(jīng)中間軸帶動輸出軸,輸出軸帶動曲柄作低速旋轉(zhuǎn)運動。同

63、時，曲柄通過連桿經(jīng)橫梁拉著游梁后端上下擺動（或者是連桿直接拉著游梁后端）。游梁前端裝有驢頭，活塞以上液柱及抽油桿等載荷均通過懸繩器懸掛在驢頭上，由于驢頭隨同游梁一起上下擺動，結(jié)果驢頭帶動活塞作上下的垂直往復(fù)運動，就將油抽出井筒。抽油泵主要由工作筒、襯套、柱塞（空心的）和裝在柱塞上的游動凡爾及裝在工作筒下端的固定凡爾組成，其工作原理如下：當(dāng)活塞上行時，游動凡爾受油管內(nèi)液柱壓力作用而關(guān)閉并排出活塞沖程的一段液體。與此同時，活塞下面泵筒空間壓

64、力降低，在環(huán)形空間的液柱壓力作用下，井中液體頂開固定凡爾，進(jìn)入泵內(nèi)活塞所讓出的空間?；钊滦袝r，泵筒內(nèi)液體受壓縮，壓力增高，當(dāng)此壓力等于環(huán)形空間內(nèi)液柱壓力時，固定凡爾靠自重而關(guān)閉。在活塞繼續(xù)下行中，泵內(nèi)壓力繼續(xù)升高，當(dāng)泵內(nèi)壓力超過油管內(nèi)液柱壓力時，泵內(nèi)液體即頂開游動凡爾并進(jìn)入油管內(nèi)。這樣，在活塞不斷地上下運動中，固定凡爾和游動凡爾也不斷地交替關(guān)閉和打開，結(jié)果油管內(nèi)液面不斷上升，一直到井口排入輸油管線?！　　　　?lt;/p>&

65、lt;p>　　綜上所述，泵的工作原理可概括為：活塞上行時吸液入泵，排液出井；活塞下行時泵內(nèi)液體轉(zhuǎn)入油管，不排液出井。在理想情況下，當(dāng)泵充滿度很好時，是上下沖程都出油。當(dāng)不考慮液體運動的滯后現(xiàn)象，從井口觀察排油時，應(yīng)當(dāng)是光桿上行時排油忽大，光桿下行時排油忽小，這一忽大忽小是周期性的變化。實際上，由于原油中混有天然氣，有壓縮性，使液體運動滯后于活塞運動，同時由于泵受多種因素影響，所以井口實際排油時呈復(fù)雜狀況。</p>&

66、lt;p>　　抽油機一般由電動機驅(qū)動，通過抽油桿的上下運動將原油抽到地面的管網(wǎng)中，電動機軸上形成的負(fù)荷即抽油機的合成扭矩,呈周期性波勸，每周期有兩次載荷沖擊、有一次負(fù)值扭矩出現(xiàn)，為此在橫梁上安裝平衡塊,對扭矩進(jìn)行協(xié)調(diào)，減小電動機負(fù)載的波動，使電動機轉(zhuǎn)矩變化平穩(wěn)。</p><p>　　油田抽油機上配套的電動機大多處在輕載運行狀態(tài)，引起抽油機電機負(fù)載率低，功率因數(shù)低，浪費電能嚴(yán)重，問題產(chǎn)生的原因主要有以下幾個方

67、面：</p><p>　　1.抽油機的轉(zhuǎn)動慣量較大，并且是帶負(fù)載起動，因此起動時所需的起動轉(zhuǎn)矩較大，一般情況下對電動機的功率需求也較大，所以電動機選型時要滿足起動力矩的要求。電動機起動完成后需要的轉(zhuǎn)矩要求只有起動轉(zhuǎn)矩的一半左右，這導(dǎo)致電動機的負(fù)載率較低。</p><p>　　2.抽油機電動機的準(zhǔn)確選擇需要測量大量數(shù)據(jù)，往往很難做到，而且對抽油機電動機的選擇計算還沒有一個統(tǒng)一的、準(zhǔn)確的計算公

68、式，因此大多數(shù)情況下都采用估算的方法選擇配套電動機的功率，并且留有較大的功率余量。</p><p>　　3. 抽油機的使用周期是很長的，在其使用周期內(nèi)，由于油井工況的變化，對于電動機的功率需求可能有很大的差異，較合理的做法是根據(jù)不同時期的功率需求進(jìn)行匹配，以提高電動機的運行效率和功率因數(shù)。但在實際生產(chǎn)中很難做到，一般是在使用期內(nèi)不再更換電動機，因此都是按抽油機可能遇到的最大功率需求進(jìn)行匹配。</p>

69、<p>　　4. 電動機屬于感性負(fù)載，電流滯后于電壓，導(dǎo)致產(chǎn)生無功電流，功率因數(shù)較小，也造成電能的浪費。</p><p>　　另外還考慮到復(fù)雜的地質(zhì)情況等因素，大部分電機的額定功率為工作周期輸出功率的兩倍左右。而抽油機在工作時，約有一半時間處于接近空載的工作狀態(tài)（稱為空載周期），另一半時間處于帶負(fù)荷的狀態(tài)（稱為工作周期）。</p><p>　　通過分析可知，抽油機電動機經(jīng)常處于

70、輕載運行，而且負(fù)載變化比較大，采用調(diào)節(jié)輸入端電壓使其在能安全帶動負(fù)載的前提下，自身損耗盡可能的小，達(dá)到節(jié)能的目的，面對電動機的降壓運行進(jìn)行分析。</p><p>　　2.3抽油機電動機的調(diào)壓節(jié)能</p><p>　　電動機的機械特性是指轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線或者指轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率關(guān)系曲線。根據(jù)電機學(xué)知識可知電動機的</p><p>　　電磁轉(zhuǎn)矩表示為:　　 　　　　　　

71、　　 (2-1)</p><p>　　轉(zhuǎn)子電流表示為:　　 　　　　　　　　 　(2-2)</p><p>　　當(dāng)s 很小時，同時，那么可以有以下近似式:</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　所以，電動機轉(zhuǎn)矩與端電壓的平方成正比，轉(zhuǎn)差率與端電壓的平方成反比。假設(shè)定子電壓降低系數(shù)為?？?/p>

72、知不同降壓系數(shù)下的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差率為:</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　據(jù)此可以畫出人為機械特性曲線如圖2-3所示，圖中采用標(biāo)幺值單位。從該人為機械特性曲線得到以下結(jié)論：</p><p>　　1. 磁轉(zhuǎn)矩與端電壓平方成正比；</p><p>　　2. 降低端電壓時人為機械特性曲線的斜率加大

73、了，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下，電動機只能在 s=0到 之間有穩(wěn)定運行區(qū)，調(diào)速范圍不大；</p><p>　　3. 由于降低端電壓時供電頻率并沒有變化，因此電動機的氣隙主磁通被減弱。在負(fù)載電流相同的條件下，電動機電磁轉(zhuǎn)矩減小。</p><p>　　圖2-3 電動機機械特性曲線</p><p>　　由特性曲線可以看出，抽油機電動機的起動轉(zhuǎn)矩很大需要電動機全壓起動，當(dāng)電動機起動完

74、成后負(fù)載較低，降壓以后的轉(zhuǎn)矩也可以保證安全帶動。降低電動機定子電壓，輸出轉(zhuǎn)矩減小，即使得電動機負(fù)載率增大。負(fù)載率的變化會導(dǎo)致電動機的功率因數(shù)和效率變化，具體變化曲線如圖2-4所示。從圖中可以看出隨著負(fù)載率的降低，功率因數(shù)和效率都降低，空載時兩者都很低。當(dāng)通過降低電動機的定子電壓提高電動機的負(fù)載率時，功率因數(shù)和效率都將得到改善。</p><p>　　圖2-4 異步電動機的效率和功率因數(shù)曲線</p>&

75、lt;p>　　采取降壓措施節(jié)能時，降壓行為還受電動機能否帶動負(fù)載正常運行的制約，即電動機所具有的電磁轉(zhuǎn)矩必須能克服空載轉(zhuǎn)矩且?guī)迂?fù)載正常運行。簡單的異步電動機機械特性實用表達(dá)式為：</p><p>　　(2-5) 式中 ——臨界轉(zhuǎn)差率；</p><p>　　——某端電壓下電機所具有的最大轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　若定子的阻抗參數(shù)不變，則它與端電壓的平方成

76、正比，可表示為:</p><p>　　(2-6) 式中 ——電動機端任一相電壓。</p><p>　　考慮式（2-5）和式（2-6），電動機輕載時的電磁轉(zhuǎn)矩與額定運行狀況的電磁轉(zhuǎn)矩之比為：</p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　式中 ——輕載降壓時的電磁轉(zhuǎn)矩；</p>

77、<p>　　——額定電壓時的電磁轉(zhuǎn)矩；</p><p>　　——輕載降壓時電動機的轉(zhuǎn)差率；</p><p><b>　　——額定轉(zhuǎn)差率。</b></p><p>　　若不計轉(zhuǎn)子銅耗、機械損耗和附加損耗，有:　　　　　　　　　</p><p><b>　　(2-8)</b></p>

78、;<p>　　式中 ——輕載降壓時的機械角速度；</p><p>　　——額定負(fù)載額定電壓時的機械角速度。</p><p>　　由公式（2-7）和公式（2-8）得：</p><p><b>　　(2-9)</b></p><p>　　由公式（2-9）知，電動機端電壓的降低不僅與負(fù)載大小有關(guān)，而且與轉(zhuǎn)差率

79、有關(guān)，即與轉(zhuǎn)速有關(guān)，所以電動機端電壓的降低程度由負(fù)載功率及負(fù)載對轉(zhuǎn)速的要求決定。為了保證降壓運行時，負(fù)載由輕載突變?yōu)轭~定負(fù)載時電動機能正常工作，電動機能提供的最大轉(zhuǎn)矩不應(yīng)低于額定負(fù)載時的電磁轉(zhuǎn)矩，其最大電磁轉(zhuǎn)矩:</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p><b>　　(2-11)</b></p><p&

80、gt;　　式中 ——降壓時電動機的最大電磁轉(zhuǎn)矩；</p><p>　　——額定電壓時電動機的最大電磁轉(zhuǎn)矩；</p><p>　　——過載倍數(shù)，等于 。</p><p>　　按式（2-9）得到的電壓應(yīng)按式（2-11）進(jìn)行校驗。異步電動機的過載倍數(shù)一般為 1.83.7，根據(jù)式（2-11）可知，降低的電壓的最小值范圍大致為 。</p>

81、;<p><b>　　2.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先介紹了抽油機的種類及其應(yīng)用情況，接著介紹了電動機的工作原理，分析抽油機電動機運行過程中負(fù)載變化特性，對抽油機電能浪費原因進(jìn)行了分析。并依據(jù)公式分析了降壓過程中電動機機械特性，電動機的效率和功率因數(shù)隨著負(fù)載率的降低而降低，降低電動機定子電壓導(dǎo)致電動機的負(fù)載率降低，從而改善電動機的功率因數(shù)和效率。最后對電動機

82、的降壓運行分析，得到在保證帶動負(fù)載情況下的降壓范圍。</p><p>　　第三章 抽油機電動機晶閘管節(jié)能的仿真與實驗</p><p>　　3.1調(diào)壓節(jié)能系統(tǒng)的仿真分析</p><p>　　計算機仿真技術(shù)是現(xiàn)在科學(xué)研究和產(chǎn)品設(shè)計的新手段，特別是在采用電力半導(dǎo)體器件對電機進(jìn)行分析研究中，計算機仿真技術(shù)顯示出它的巨大優(yōu)越性。根據(jù)電動機調(diào)壓控制原理，利用 Matlab/Si

83、mulink 軟件構(gòu)造了一個調(diào)壓控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠很好地模擬真實系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)高效的調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計。</p><p>　　3.2仿真模型的建立</p><p>　　應(yīng)用晶閘管交流調(diào)壓裝置有三種控制方式：通斷控制、相位控制和斬波控制，在本節(jié)仿真過程中采用的是相位控制方式。晶閘管單元由6只單向晶閘管兩兩反向并聯(lián)或三只雙向晶閘管組成，串接于電動機的三相供電線路上。通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角，從而控

84、制導(dǎo)通角，就可調(diào)節(jié)輸出電壓，從而控制電動機的運行過程，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。圖3-1是一種典型的三相交流晶閘管調(diào)壓主電路的結(jié)構(gòu)，每一相上串聯(lián)反并聯(lián)晶閘管，通過改變觸發(fā)角改變主電路的供電電壓?？刂葡到y(tǒng)每隔60度發(fā)出一次觸發(fā)脈沖，依次觸發(fā) KP1，KP2……KP6。</p><p>　　圖 3-1 晶閘管交流調(diào)壓電路</p><p>　　調(diào)壓電路原理圖表明,晶閘管1與4反并聯(lián)控制A相電路，以此類

85、推晶閘2與5反并聯(lián)控制B相電路，晶閘管3與6反并聯(lián)控制C相電路。三相交流調(diào)壓的6只晶閘管的觸發(fā)角自Kp1 至Kp6 依次相隔60°，負(fù)載為Y型接法。在改變控制角α?xí)r，該調(diào)壓裝置有 2 種不同的工作狀態(tài)：在同一時刻每一相有1只晶閘管導(dǎo)通，為第1類工作狀態(tài)；在同一時刻有一相有2只晶閘管都不導(dǎo)通而另兩相各有1只晶閘管導(dǎo)通，為第2類工作狀態(tài)。在電阻負(fù)載時，α在0°到30°之間為第1類工作狀態(tài)，在 30°為

86、第1類和第2類工作狀態(tài)相交替，30°到180°之間按第 2 類工作狀態(tài)工作，且當(dāng)α>90°時，電流斷續(xù)。在感性負(fù)載下，輸出電壓與電流有相位差，電壓過零時，晶閘管經(jīng)過延滯角后關(guān)斷。因此要考慮控制角α，負(fù)載功率因數(shù)角φ才能得到各時間段的工作狀態(tài)。只有α>φ時，輸出電壓才隨α的增大而減小，起到調(diào)壓作用，因此晶閘管的觸發(fā)控制需要滿足以上關(guān)系。</p><p>　　晶閘管移相觸發(fā)的

87、仿真模型如圖3-2 所示，輸入量是 A、B、C 三相電源電壓和所要移相的相位，輸出量是與輸入量相電壓同步的六路移相觸發(fā)脈沖。在該模型中用到了同步六脈沖發(fā)生器，它可以保持脈沖與相電壓的同步，移相角大小是人為給定的，根據(jù)調(diào)壓節(jié)能原理可知移相角的大小與電動機參數(shù)及控制量有關(guān)系。</p><p>　　圖3-2 晶閘管移相觸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　調(diào)壓系統(tǒng)中采用的是晶閘管相位控制方式，且

88、為用兩個單向晶閘管組成的雙向晶閘管。在Simulink的電力系統(tǒng)工具箱中有晶閘管模型，通過組合可以構(gòu)成一個雙向晶閘管模型。圖3-4所示為用于A相的雙向晶閘管調(diào)壓模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。由結(jié)構(gòu)圖可知，采用的是兩個晶閘管反并聯(lián)連接，輸出的m端子是晶閘管的測量值，是流過晶閘管的電流和晶閘管兩端的電壓的合成矢量，在本模型中接入端子Terminator，為的是使晶閘管模型的完整性。</p><p>　　圖3-3 三相交流電壓源圖

89、</p><p>　　圖3-4 雙向晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　晶閘管調(diào)壓節(jié)能系統(tǒng)仿真模型如圖 3-5 所示。其中的電機模型采用的電力系統(tǒng)工具箱中的異步電動機模型，額定電壓為 380V，額定功率為45kW。 圖3-5 晶閘管調(diào)壓節(jié)能系統(tǒng)仿真模

90、型</p><p>　　3.3 仿真結(jié)果的分析</p><p>　　在仿真模型中，輸入電機參數(shù)和一列移相觸發(fā)角參數(shù)，選擇合適的數(shù)值算法、輸入仿真時間和步長，就可以執(zhí)行仿真運行命令。輸入移相角α為0，可得到如圖3-6所示的各量的仿真結(jié)果。</p><p>　　取不同的移相觸發(fā)角，可以得到相應(yīng)的移相角與輸出電壓有效值，根據(jù)調(diào)壓節(jié)能原理，當(dāng)負(fù)載變化時需要通過調(diào)節(jié)電壓，即調(diào)

91、節(jié)晶閘管的移相觸發(fā)角,達(dá)到節(jié)能的目的。電壓有效值開始不變化，當(dāng)移相觸發(fā)角,達(dá)到一定值時，電壓開始隨著移相觸發(fā)角的增大而減小，這與本章開始介紹的調(diào)壓原理是一致的。這是因為電動機是非線性、多變量、強耦合的感性負(fù)載，所以當(dāng)電壓過零時，由于電感要阻止電流突變，所以要延續(xù)一段時間才能使電流為零，此時若給,窄脈沖觸發(fā)信號，則不能使晶閘管導(dǎo)通，所以對電動機負(fù)載要采用脈沖列或?qū)捗}沖觸發(fā)。對于晶閘管調(diào)壓節(jié)能控制系統(tǒng)來說，需要知道電動機的基本參數(shù)，從而確定

92、晶閘管調(diào)壓的移相觸發(fā)角的變化范圍。</p><p>　　(a)速度－時間曲線</p><p>　　(b)轉(zhuǎn)矩－時間曲線 (c)電流－時間曲線</p><p>　　圖 3-6 電動機起動過程仿真</p><p>　　負(fù)載率變化情況下采取調(diào)壓節(jié)能措施的效果可通過表3-1明顯看出。當(dāng)電動機負(fù)載率降低時,若始終保持電動機的

93、全壓運行,電動機的功率因數(shù)和效率都隨之降低。與之對應(yīng)的是，當(dāng)負(fù)載率降低時，電動機降壓運行可以提高功率因數(shù)和效率，也就節(jié)約了電能。表中右側(cè)數(shù)據(jù)對比說明降壓程度不同，功率因數(shù)和效率的改善也不同，當(dāng)電壓下降太多時，節(jié)能效果反而不夠好。這是因為電動機晶閘管調(diào)壓回產(chǎn)生諧波，造成諧波損耗，影響節(jié)能效果。電壓調(diào)節(jié)約低，諧波影響越嚴(yán)重。</p><p>　　需要說明的是，電動機負(fù)載較高時，節(jié)能效果并沒有明顯體現(xiàn)，當(dāng)此電動機負(fù)載較

94、低時，節(jié)能效果尤為明顯，這種節(jié)能方法更適合于經(jīng)常處于輕載運行的電動機。</p><p>　　表 3-1 降壓節(jié)能數(shù)據(jù)對比表</p><p>　　3.4 電動機調(diào)壓節(jié)能實驗</p><p>　　由于仿真應(yīng)用的設(shè)備和運行環(huán)境都是人為設(shè)定處于理想情況，然而油田實際采油過程中由于種種原因，抽油機電動機運行狀態(tài)與理想狀態(tài)有一定差距，有時候甚至差距很大。這決定了不能完全以仿真得

95、到的結(jié)果作為節(jié)能控制依據(jù)，為此需要通過實驗得到電動機調(diào)壓節(jié)能數(shù)據(jù)，結(jié)合仿真和實驗兩方面結(jié)果得到較為理想的調(diào)壓依據(jù)。</p><p>　　圖 3-7 實驗調(diào)壓電路</p><p>　　基于此原因進(jìn)行了電動機調(diào)壓實驗，由于條件有限，實驗中應(yīng)用的電動機并非抽油機應(yīng)用的大功率電動機。實驗用電動機具體參數(shù)為：額定功率為 1.5kW，額定電壓為 380V。將晶閘管串聯(lián)接入主電路中進(jìn)行調(diào)壓，線路連接如圖

96、3-7所示。</p><p>　　如前所述，在感性負(fù)載下，輸出電壓與電流有相位差，電壓過零時，晶閘管經(jīng)過延滯角后關(guān)斷。因此要考慮控制角α，負(fù)載功率因數(shù)角φ才能得到晶閘管的工作狀態(tài)。只有α>φ時，輸出電壓才隨α的增大而減小，起到調(diào)壓作用，因此晶閘管的觸發(fā)控制需要滿足以上關(guān)系。由于不同的電動機具有不同的參數(shù)特性，導(dǎo)致不同型號的電動機的負(fù)載功率因數(shù)角φ也不相同，因此在進(jìn)行控制時需要嚴(yán)格注意。在電路中應(yīng)用到的是晶閘

97、管集成模塊，輸入一個直流信號可以實現(xiàn)主電路輸出電壓的平滑調(diào)節(jié)。</p><p>　　在實驗過程中，由于條件所限電動機負(fù)載很小，考慮到電動機輕載時諧波影響較輕，隨負(fù)載增加供電電流增大，對供電線路的影響也增大。在應(yīng)用晶閘管進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)時必須注意諧波損耗問題，當(dāng)電動機負(fù)載率較高時產(chǎn)生的諧波可能會對電網(wǎng)產(chǎn)生污染。諧波對電網(wǎng)的影響與電網(wǎng)容量有關(guān)系，考慮到油田電網(wǎng)容量很大，而且晶閘管調(diào)壓范圍不大，由晶閘管調(diào)壓引起的諧波不大，

98、對電網(wǎng)的影響很小。但是在設(shè)計過程中必須考慮到諧波污染問題，為此對所控制電動機并聯(lián)電容器進(jìn)行了無功補償與諧波抑制。</p><p><b>　　3.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章以前面理論分析為基礎(chǔ)，對系統(tǒng)進(jìn)行了Matlab仿真及電動機實驗，得到了調(diào)壓節(jié)能時的數(shù)據(jù)和波形并進(jìn)行了相應(yīng)分析，驗證了降壓運行的節(jié)能效果。根據(jù)實驗過程中電動機的降壓運行情況，確定了

99、電壓調(diào)節(jié)范圍為100V，同時對于電動機調(diào)壓節(jié)能算法進(jìn)行修正，為后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)提供了理論參考和數(shù)據(jù)支持。</p><p>　　第四章 節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　抽油機電動機調(diào)壓節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計以上述分析的控制原理為基礎(chǔ)，系統(tǒng)設(shè)計大體上可以分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。系統(tǒng)的硬件電路采用模塊化設(shè)計方法，主要由主回路、相位檢測電路和控制電路組成。</p><p>

100、;　　4.1節(jié)能系統(tǒng)主回路的設(shè)計</p><p>　　電動機起動時應(yīng)該直接由電網(wǎng)供電，保證電動機全壓起動，避免電動機起動電流對晶閘管的沖擊；當(dāng)電動機起動完成以后將電動機接入主電路，根據(jù)檢測到的定子電流變化調(diào)節(jié)線電壓，使電動機節(jié)能運行。</p><p>　　4.1.1 主回路結(jié)構(gòu)</p><p>　　主回路的設(shè)計如圖 4-1 所示。主電路裝置工作步驟如下：</p

101、><p>　　首先在電動機啟動時，斷路器和接觸器 KM1 閉合，同時保持接觸器KM2 和 KM3 處于斷開狀態(tài)，使電動機能夠全壓啟動，此時調(diào)壓節(jié)能裝置并不投入運行。</p><p>　　接著電動機全壓啟動完成后，單片機發(fā)出控制信號使 KM1 斷開。輸出晶閘管控制信號，使其處于全導(dǎo)通狀態(tài)，然后輸出控制信號使接觸器 KM2 和KM3 閉合，晶閘管以最大導(dǎo)通角的狀態(tài)接入主電路。系統(tǒng)隨即根據(jù)檢測到的負(fù)

102、載變化實時調(diào)節(jié)供電電壓，進(jìn)入節(jié)能運行狀態(tài)。</p><p>　　本裝置中采用的是一種晶閘管智能控制模塊，它采用全數(shù)字移相觸發(fā)集成電路?？刂齐娐放c晶閘管主電路集成于一體，使得該模塊具有強大的電力調(diào)控功能，模塊輸出對稱性高，無直流分量，晶閘管模塊如圖4-2 所示。由于電動機額定電壓為 380V，額定功率為 45kW，選擇晶閘管模塊參數(shù)為最高輸出電壓 450V，每相最大電流 200A。根據(jù)電動機的參數(shù)選擇主電路中應(yīng)用的

103、接觸器為德力西公司生產(chǎn)的 CJ20-160 型交流接觸器，額定電壓為380V 時額定電流為 160A，接觸器線圈電壓為交流 220V，可以由供電線路的相電壓提供。</p><p>　　圖 4-1 主電路結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖 4-2 晶閘管智能控制模塊</p><p>　　晶閘管智能控制模塊有三種控制信號類型，分別為：0~5V電壓控制，0~10V電壓控制和

104、4~20mA電流控制。在系統(tǒng)設(shè)計過程中應(yīng)用的是 0~10V電壓控制，單片機輸出 0~10V直流控制信號，可保證對主電路輸出電壓進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)。晶閘管模塊的控制輸入端口為 9 腳，如圖 4-3 所示。</p><p>　　圖 4-3 晶閘管控制端口</p><p>　　圖中各功能代號的具體使用如下：</p><p>　　1 腳：外接+12V 控制電源正極；</p&

105、gt;<p>　　2 腳：控制電源地線及屏蔽線；</p><p>　　3 腳：控制電源地線，內(nèi)部與 2 腳相通；</p><p>　　4 腳：0~10V 信號輸入；</p><p>　　5 腳：方便用戶檢測模塊功能使用，此端在模塊內(nèi)部通過 1電阻與控制電源+12V 連接，輸出10V直流信號，可外接10～100K電位器，但不宜作給定信號使用。</p

106、><p>　　6 腳和 7 腳：為空腳；</p><p>　　8 腳：0~5V 信號輸入；</p><p>　　9 腳：4~20mA 信號輸入。</p><p>　　4.1.2 晶閘管的阻容吸收電路設(shè)計</p><p>　　晶閘管從導(dǎo)通到阻斷時，和開關(guān)斷開電路一樣，線路電感釋放能量產(chǎn)生過電壓。由于晶閘管導(dǎo)通期間，載流子充滿

107、元件內(nèi)部，在關(guān)斷過程中，晶閘管在反向電壓作用下，正向電流下降到零時，元件內(nèi)部仍殘存著載流子。這些載流子在反向電壓作用下瞬時出現(xiàn)較大的反向電流，使殘存的載流子迅速消失，這時反向電流減小的速度極快，因此即使和元件串聯(lián)的線路電感很小，產(chǎn)生的感應(yīng)電勢依然很大，這個電勢與電源電壓串聯(lián)，反向加在已恢復(fù)阻斷的反向元件上，可能導(dǎo)致晶閘管的反向擊穿。這種由于晶閘管關(guān)斷引起的過電壓，稱為關(guān)斷過電壓，其數(shù)值可過工作電壓峰值的 5~6倍，所以必須采取保護措施。

108、</p><p>　　晶閘管元件在控制大電感負(fù)載時會有干擾電網(wǎng)和自干擾的現(xiàn)象，其原因是當(dāng)晶閘管元件控制一個連接電感性負(fù)載的電路斷開或閉合時，其線圈中的電流通路被切斷，其變化率極大，因此在電感上產(chǎn)生一個高電壓，這個電壓通過電源的內(nèi)阻加在開關(guān)觸點的兩端，然后感應(yīng)電壓一次次放電直到感應(yīng)電壓低于放電所必須的電壓為止，在這一過程中將產(chǎn)生極大的脈沖束。這些脈沖束疊加在供電電壓上，并且把干擾傳給供電線或以輻射形式傳向周圍空間，

109、這種脈沖具有很高的幅度，很寬的頻率，因而具有感性負(fù)載的開關(guān)點是一個很強的噪聲源。在本系統(tǒng)中雙向晶閘管的負(fù)載是大功率電動機，屬于感性負(fù)載，所以應(yīng)盡量避免這個問題。</p><p>　　在設(shè)計中，采用電阻電容阻尼電路減少這種危害。利用電容電壓不能突變的特性吸收晶閘管換向時產(chǎn)生的尖峰狀過電壓，把它限制在允許范圍內(nèi)。串接電阻是在晶閘管阻斷時防止電容和電感振蕩，其阻尼作用，另外阻容電路還具有加速晶閘管導(dǎo)通的作用。</

110、p><p>　　在晶閘管兩端并聯(lián)電容，利用電容兩端電壓瞬時不能突變的特性，吸收尖峰過電壓，把它限制在允許的范圍內(nèi)。裝置中在電容電路串接電阻R，稱為過電壓阻容吸收電路。串聯(lián)電阻的作用是：阻斷電路震蕩；限制晶閘管開通損耗和電流上升率。阻容吸收電路要十分靠近晶閘管，引線很短。</p><p>　　阻容電路參數(shù)按表 4-1 所示的經(jīng)驗數(shù)據(jù)值，結(jié)合裝置中的晶閘管額定電流為200A，實際選取為電阻為