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。 ～380V 单片机 推理
整流
滤 波
保护
信 号 控 制 光 电 隔 离
波形整 形 基 极 驱 动
电动机 调压主电路
电 动 机
负 载 系 统
保护 电路
缓冲 电路
微分
A/D 转换
波形 整形
电流 检测
图1-3 PWM控制器原理框图
1.4 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
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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。
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P P 1 2 1 2 3 3 4 0 a b U
U 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
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
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。
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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。
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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。
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