摘要
根据测量，油田用抽油机大部分时间在空抽、电机均在轻载状态下运行，电机效率和功率因数都比较低，造成大量电能浪费。为此，依据铜耗等于铁耗时，电动机效率、功率因数最高，最省电原理，设计一种抽油机电机自动控制的节能装置。采用电动机调压装置，基于模糊控制理论，通过主电路中晶闸管的移相控制调节抽油机电机端电压，进行实时控制。在满足抽油机正常运转的前提下，使电动机工作在铜耗等于铁耗的状态下，提高抽油机电动机的工作效率和功率因数，达到节能降耗的目的。该装置在抽油机的整个工作周期中，不改变电动机的转速，不影响抽油机的采油效率;具有软启动、缺相、过载保护等功能。是油田采油生产中较为理想的电动机控制装置，具有广泛的推广使用价值。
关键词:抽油机;电动机;节能;单片机;铜耗;铁耗
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 adopting the working voltage of motor the line voltage of pump unit’s motor is a regulated by real time phase–shift 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 motor, 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 extensive using value.
Keywords:Oil pumping rnachine; Motor; Energy-conservatxan; single–chip microcomputer Copper Losses;Iron Losse
目 录
第1章 前言 ........................................................ 1
1.1 课题来源 ..................................................... 1 1.2 异步电动机的节能措施 ......................................... 1 1.3 国内外抽油机电动机节能技术发展综述 ........................... 2 1.4 本文所做的主要工作 ........................................... 7
1.4.1基本思路：“铜耗=铁耗” .................................. 8 1.4.2节能装置结构 ............................................ 9 1.4.3控制回路设计 ............................................ 9 1.4.4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 .................................. 13
3.1 稳定运行时的三相异步电动机 .................................. 13
3.1.1等效电路及矢量图 ....................................... 13 3.1.2 三相异步电动机的功率关系及损耗分析 ..................... 15 3.1.3 异步电动机的转矩表达式 ................................. 16 3.2 运行条件变化对电动机性能的影响 .............................. 18
3.2.1 负载变化对损耗、效率、功率因数和转矩的影响 ............. 19 3.2.2电压变化对电动机性能的形响 ............................. 21
第4章 系统硬件设计 ................................................ 25
4.1 概述 ........................................................ 25 4.2 抽油机节能装置主电路 ........................................ 25 4.3 功率控制电路 ................................................ 27 4.4节能装置控制部分 ............................................. 29 4.5采样与检测 ................................................... 30
4.5.1电压、电流采样 ......................................... 30 4.5.2 U与I的相位角检测 ..................................... 32
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4.6 IO接口 ...................................................... 33 4.7 无功功率补偿 ................................................ 34 4.8 节能装置保护部分 ............................................ 35
4.8.1 外部线路断相保护 ....................................... 36 4.8.2 功率控制元件故障保护 ................................... 36 4.8.3 电机缺相保护 ........................................... 36 4.8.4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
II
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2～3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
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