毕业设计（论文）抽油机电动机晶闸管调压节能控制系统设计.doc

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1、 抽油机电动机晶闸管调压节能控制系统设计 学生专业：电气工程及其自动化 学生姓名： 罗志杰 导师姓名： 王笃亭 摘 要 抽油机电动机起动转矩很大，但是电动机运行过程中多处于轻载状态，电能浪费比较严重，所以研究抽油机电动机节能具有重要意义。电动机处于轻载运行状态时，调节输入端电压使其在能安全带动负载的前提下，自身损耗尽可能小，达到节能的目的。 通过查阅文献对当前国内外常用的节能方法进行分析并对其优缺点逐一比较，在选定降压节能方法后对降压节能运行给予了理论分析与论证，可知定子电压降低，功率因数和效率都将得到改善。通过Matlab仿真和电动机实验对降压节能方案进行验证，为系统设计提供了依据。本文还进

2、行了抽油机电动机调压节能系统的软、硬件设计。系统的硬件设计包括晶闸管调压主电路设计和以PIC16C74单片机为核心的控制电路的设计。针对非同步投入带来的危害，设计了相位检测电路。根据仿真实验得到的控制规律和提出的双反馈控制原理进行了系统的软件设计。关键词：抽油机 节能 晶闸管 单片机 Abstract The start torque of oil-pumping units motor is very large, the motor always moves with low load. This run status results in the energy waste. It mak

3、es sense to research the energy saving of oil-pumping units motor. 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. Through is achi

4、eved 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 analyses the run of the motors under lower voltage. It gets the result that the voltage fall will improve the power factor an

5、d efficiency. The paper makes the simulation and motor experiment and adjusts the regulation rules.At last, the paper makes the systems design of software and hardware. The hardware design includes the SCR voltage regulating main circuit and the control circuit whose core is the PIC16C74 micro-contr

6、oller. 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.Key word: oil-pumping uni saving energy thyristor MCU目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论1 1.1课题的背景及意义1 1.2目前所存在的问题1 1.3目前发展情况及节能技术2 1.

7、3.1抽油机常用节能技术2 1.3.2抽油机今后的发展方向4第2章 抽油机电动机综述5 2.1目前抽油机的种类及应用5 2.1.1游梁式抽油机5 2.1.2无游梁式抽油机6 2.2抽油机的工作原理及分析8 2.3抽油机电动机的调压节能11 2.4本章小结14第3章 抽油机电动机晶闸管节能的仿真与实验15 3.1调压节能系统的仿真分析15 3.2仿真模型的建立15 3.3仿真结果的分析18 3.4电动机调压节能实验21 3.5 本章小结22第4章 节能控制系统的设计23 4.1节能系统主回路的设计23 4.1.1 主回路结构23 4.1.2 晶闸管的阻容吸收电路设计26 4.1.3 晶闸管过电流

8、保护28 4.1.4 无功补偿设计28 4.1.5 操作电路设计29 4.2相位检测与同相投入30 4.2.1 同步投入原理30 4.2.2 相位检测与同步的实现31 4.3节能系统控制电路的设计34 4.3.1 方案设计34 4.3.2 电流检测电路设计35 4.3.3 输出电路设计36 4.3.4 数字显示电路的设计37 4.4节能控制系统软件设计39 4.4.1 软件设计规律的确定39 4.4.2 控制器的软件设计41 4.5本章小结45结 论47致 谢48参考文献49附录1 50附录2 51 ContentsABSTRACT(CHINESE)IABSTRACTIICHAPTER 1IN

9、TRODUCTION1 1.1The topic background and the significance1 1.2Current problems1 1.3The present situation and development of energy saving technology2 1.3.1Pumping unit energy-saving technologies used2 1.3.2Pumping machines the development direction henceforth4CHAPTER 2 SUMMARY MOTOR OF PUMPING UNIT5

10、2.1The oil pump machine types and applications52.1.1Beam type oil pumping machine52.1.2Without walking beam type oil pumping machine6 2.2Oil pumping machine working principle and analysis8 2.3Pumping motor voltage energy saving11 2.4The chapter summary14CHAPTER 3 PUMPING UNIT MOTOR THYRISTOR ENERGY

11、SAVING SIMULATION AND EXPERIMENT15 3.1Simulation analysis of the regulator of energy saving system15 3.2Simulation model15 3.3The simulation results of the analysis18 3.4Motor voltage regulating and energy saving of experiment21 3.5The chapter summary22CHAPTER 4 ENERGY-SAVING CONTROL SYSTEM DESIGN23

12、 4.1Energy-saving system main circuit design23 4.1.1 Main circuit structure23 4.1.2Thyristor capacitance resistance absorption circuit design26 4.1.3Thyristor over-current protection28 4.1.4Reactive power compensation design28 4.1.5Operating circuit design29 4.2Phase detection and noninverting input

13、30 4.2.1Synchronization input principle30 4.2.2Phase detection and synchronization31 4.3Energy saving control system circuit design34 4.3.1Scheme design34 4.3.2Circuit design of current detection35 4.3.3The output circuit design36 4.3.4Digital display circuit design37 4.4Energy saving control system

14、 software design39 4.4.1Software design to determine the law39 4.4.2Controller software design41 4.5The chapter summary45CONCLUSION47ACKNOWLEDGEMENT48REFERENCES49APPENDIX 150APPENDIX 251第一章 绪论1.1 课题的背景及意义 我国的油田多为低渗透的低能、低产油田，不像中东的油田那样有很强的自喷能力，大部分油田要靠注水来压油入井，再靠抽油机把油从地层中提升上来。以水换油，以电换油是目前我国油田的现实，电费在我国的石

15、油开采成本中占了相当大的比例。所以，石油行业十分重视节约电能。 油田的主要生产设备是抽油机，它将石油从地底提升到地面上来，从而完成采油任务，抽油机电动机用电量占油田总用电量的比例很大。 目前我国抽油机的保守量在10万台以上，电动机装机总容量在3500MW，每年耗电量逾百亿kWh。抽油机的运行效率特别低，在我国平均效率为25.96%，国外平均水平为30.05%，年节能潜力可达几十亿kWh。除了抽油机之外，油田还有大量的注水泵、输油泵和潜油泵等设备，总耗电量超过油田总用电量的80%，可见，石油行业也是推广“电机系统节能”的重点行业。 随着单片机集成度的不断提高，运算速度的不断加快，成本的不断降低，

16、计算机应用技术得到了广泛使用，而半导体功率器件性能不断完善、发展，性价比不断提高，大范围推广先进的节能技术的硬件条件已经具备。近年来我国油田采油厂自动化水平在不断提高，特别是西部油田和一些新建的采油区块，应用了许多高新技术，基于电力电子技术的抽油机节能控制系统已具备了应用的条件。所以课题研究有重要学术意义和实用价值。1.2 目前所存在的问题在抽油机的各种类型中，游梁式抽油机又占主要的地位，它是油田使用最广泛的一种举升设备，约占油田人工举升设备的95%。游梁式抽油机 有杆抽油泵全系统的总效率在国内一般地区平均只有1223，先进地区至今也不到30。美国的常规型抽油机系统效率较高，但也仅有46。系统

17、效率低下，能耗大，耗电就多，因此，节能成为有杆抽油系统的一个亟需解决的问题。此外，随着老油田油井的注水开发，油田已经开始进入高含水采油期。不断提高产液量，这是注水开采油田保证原油稳产的必要趋势。这种开采特点要求抽油机的冲程越长越好，使得在役的常规型游梁式抽油机机型偏小，在一定程度上已经不能满足:长冲程、低冲次,生产的要求。抽油机的拖动装置绝大部分是异步电动机，其中交流鼠笼型异步电动机结构简单、坚固、惯量小、运行可靠、维修少、制造成本低及可应用十恶劣工作环境等优点，使其作为油梁式抽油机动力驱动装置，得到了广泛的应用。在与游梁式抽油机配套的鼠笼型异步电机的使用中，由于起动力矩很大，导致异步电机在许

18、多场合都处于不满负载的状态下工作，从而引起抽油机电机负载率低，功率因数低，浪费电能严重的问题。1.3 目前发展情况及节能技术1.3.1抽油机常用节能技术1改进抽油机的结构这种方法主要是通过对抽油机四杆机构的优化设计和改变抽油机平衡方式来改变抽油机曲柄轴净扭矩曲线的形状和大小，减小负扭矩，使扭矩波动平缓，从而减小抽油机的周期载荷系数，提高电动机的工作效率，达到节能的目的。例：美国CMI公司研究开发TORQMASER 异相型抽油机，其最大扭矩减小60，节电l535美国 Lufilin 公司开发的MARK-型前置式抽油机，平均节电36.8；自20世纪80年代中后期我国油田使用最多的节能型抽油机是偏置

19、式节能抽油机，该机系统效率提高3.68，单耗下降14.87；1991年由华北油田采油一厂开发的双驴头节能抽油机与常规机相比，该机的系统效率提高了8.22，单耗下降24.5。2采用节能驱动设备这种方法是从研究电机的特性入手，研究开发新型的电动机，使之与采油井井况相匹配，进而达到提高电动机的效率和功率因数的目的，即采用高转差率电动机(转差率813)和超高转差率电动机代替常规转差率电动机(转差率小于5)。美国 Baldor 电器公司生产的高转差率电动机驱动抽油机可提高功率因数74，节电22.7；在国内，超高转差率电动机有功节电率为10.56，综合节电率为17.42；还有采用同步电机、变频器等，但因造

20、价高，难以推广；另外，还有采用节能配电箱来实现节电的。3采用节能控制装置如DSC系列抽油机多功能程控装置、间抽定时控制装置。4采用节能元部件如窄V型带传动和同步带传动等。5改进平衡方式如采用气动平衡或天平平衡等。6改进“三抽”系统部件有采用抽油杆导向器、空心抽油杆，减振式悬绳器等部件，都可提高三抽系统的工作效率，达到节能的目的。7采用高效节能泵提高泵效，即降低了百米吨耗，实现节能。近年来抽油机节能技术研究已成为科技攻关的方向。以上方法都已经取得了显著的节能效果，有的在原有抽油机的基础上加以改造，简单易行，改造费用低，但是不能从根本上解决抽油机的工作工况，使之与电动机的工作特性相匹配；有的改变了

21、电动机的工作特性，使之与抽油机的工作工况相匹配，提高了电动机的工作效率和功率因数，达到了节能的目的，但是改造费用太高，不利于大范围的推广。 1.3.2抽油机今后的发展方向1朝着大型化方向发展随着世界油气资源的不断开发，开采油层深度逐年增加，石油含水量也不断增加，采用大泵提液采油工艺和开采稠油等，都要求采用大型抽油机。所以，近年来国外出现了许多大载荷抽油机，如法国 Mape公司抽油机最大冲10M,WGCO公司抽油机最大冲程24.38M。2朝着低能耗方向发展 为了减少能耗，提高经济效益，近年来研制与应用了许多节能型抽油机。其中包括增大冲程游梁抽油机，增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机。如异相

22、机、双驴头抽油机、摆杆抽油机、渐开线抽油机、摩擦换向抽油机、液压抽油机及各种节能装置和控制装置。3朝着高适应性方向发展现在抽油机应具备较高的适应性，以便拓宽使用范围。例如适应各种自然地理和地质构造条件抽油的需要；各种成分石油抽取的需要，各种类型油井抽取的需要；深井抽取的需要，长冲程的需要；节电的需要；精确平衡的需要；无电源和间歇抽取的需要；优化抽油的需要等。4朝着长冲程无游梁抽油机方向发展近年来国内、国外研制与应用了多种类型的长冲程抽油机，实践与理论表明，增大冲程无游梁抽油机是增大冲程抽油机的发展方向，长冲程无游梁抽油机是长冲程抽油机发展方向5朝着自动化和智能化方向发展近年来，抽油机技术发展的

23、显著标志是自动化和智能化。BAKER提升系统公司、DELTAX公司、APS公司等研制了自动化抽油机，具有保护和报警功能，实时测得油井运动参数及时显示与记录，并通过进行综合计算分析，得出最优工况参数，进一步指导抽油机在最优工况抽油。总之，抽油机将朝着节能降耗并具有自动化、智能化、长冲程、大载荷、精确平衡等方向发展。第二章 抽油机电动机综述2.1目前抽油机的种类及应用 随着油田的开发，抽油机的投入量日益增加。高效、节能、可靠性高的抽油机是石油机械装备工业的当务之急。国外在抽油机的开发上投入精力比较多，研究的时间也比较早。除大量开发生产游梁式抽油机外，国外一些科研和制造公司正在研制和推出各种非传统型

24、号的抽油机。我国抽油机设计制造发展也很快，吸取了前苏联和美国API标准的优点，依据我国油田开发的特点，逐步形成了我国抽油机的新系列。目前，国内外各油田使用的抽油机有很多种，总体上可分为：游梁式、无游梁式。2.1.1游梁式抽油机 l.常规游梁式抽油机 常规游梁式抽油机是油田使用历史最悠久，使用数量最多的一种抽油机。该机采用具有对称循环四杆机构或近似对称循环四杆机构，结构简单，运行可靠，操作维护方便，但长冲程时平衡效果差，效率低，能耗大，不符合节能要求，基本停止了生产。 2.前置式抽油机前置式抽油机平衡后的理论净扭矩曲线是一条比较均匀的接近水平的直线，因此其运行平稳，减速箱齿轮基本无反向负荷，连杆

25、、游梁不易疲劳损坏，机械磨损小，噪声比常规式抽油机低，整机寿命长。具有体积小、重量轻的优点。 3.偏置式抽油机偏置式抽油机又称异相曲柄平衡式抽油机，特点是平衡块中心线相对于曲柄中心偏转一个角度，这种机型国外60年代发展起来并得到API的承认。试验表明，经优化设计的偏置式抽油机节电可达20。 4.胶带传动抽油机 胶带传动抽油机是美国GROOVES公司于80年代开发的新型抽油设备，该机通过二级胶带传动，将电动机的原动力传给曲柄胶带轮，并带动游梁摆动。与常规机相比，其上冲程转矩因数小，驴头悬点加速度小。在相同的工况下，具有结构简单，制造成本低，维修及运行管理方便等特点。 5.下偏杠铃抽油机 下偏杠铃

26、游梁复合平衡抽油机是在原常规游梁抽油机的游梁尾端，利用变矩原理增加简单的下偏杠铃所形成的一种新型节能抽油机。该机继承和保留了原常规游梁式抽油机的全部优点，节能效果也较明显。 6.偏轮式游梁抽油机它打破常规机四连杆机构的框架，以游梁尾部的偏轮为中心，形成独特的六连杆体系，偏轮杆件均为刚性连接，保持了常规机的特点。 7.双驴头游梁式抽油机该机是将常规机游梁与横梁的铰链连接，改为变径圆弧的后驴头、钢丝绳与横梁之间的软连接，构成变参数四杆机构来传递运动和扭矩，克服原机构的死角，增加游梁摆角，冲程提高2070。 2.1.2无游梁式抽油机 l.链条式无游梁抽油机 胜利高原公司生产的长冲程、低冲次、ROTA

27、FLEX链条驱动的皮带式抽油机是一种全新结构的高性能有杆抽油设备，该机可以满足下泵深抽、大泵排液、长冲程,低冲次抽稠采油工艺中高含水期油井加深泵挂大排量的需要，是一种高效节能经济性好的机种。通过增加冲程长度和减少冲次，降低了油管和杆柱接箍的磨损。减少了对扭矩的需要，可使用小减速箱。减少了原动机的循环负荷，提高了系统总效率，允许使用小功率电动机。比常规抽油机操作和维修更安全。这种独特的抽油机突破了传统有杆泵系统在排量和深度上所不能达到的界限。 2.液压抽油机 液压抽油机由液力、电动、气动元件结合组成。抽油机的特点是： (1)冲程长度和速度可以任意调节，液控元件可通过仪表随时显示抽油杆的瞬时负荷，

28、示功仪亦可预先装在抽油机上，以观察全机运行情况。 (2)上下冲程的速度可以单独控制，上冲程慢下冲程快，使抽油杆受力比较平稳、合理。 (3)轻便。 3.数控抽油机 数控抽油机是近几年研制的机电一体化的抽油装置，数控抽油机采用了全数控电力拖动系统，综合微电子技术、电力电子技术、过程控制技术，是按照机电一体化的设计思想精心制作的电子机械装置，是一种能根据抽油井特征随机改变运动“姿态”的实时数字控制电动系统。使整个抽油机成为一个能够根据外界工况变化而实时改交运动规律的机电一体化智能设备。美国National Supply公司生产的智能抽油机节约电耗1030。 4.宽带长冲程油油机该机仍然采用普通异步交

29、流电动机作为驱动力并采用了和游梁式抽油机相似的皮带传动及减速器作减速装置。该机的结构特点在于：减速器输出轴上安装一宽皮带轮，宽度带一端和悬绳器相连另一端安装于宽皮带轮上，在宽度带中间的适当位置上固定安装一个用于放平衡块的平衡框，通过宽皮带在带轮上的缠绕与释放达到冲程换向的目的。 5.摩擦换向抽油机摩擦换向抽油机通过电动机正反转驱动减速器带动摩擦轮转动，无触点换向开关换向，使抽油杆上下运动来抽汲油液。钢丝绳一端通过悬绳器与光杆连接，另一端与配重箱连接，根据示功图载荷的大小可调整配重铁，以调节摩擦轮两端的拉力差，做到精确平衡。该机结构简单，冲次可根据生产需要用旋钮任意无级调节，可以实现抽油机工作中

30、上、下冲程速度的分别控制。冲程长度可根据需要设计配套高度的塔架，在最大冲程下实现任意冲程的调节。调平衡简单方便，操作强度低、操作时间短。电动机恒扭矩输出，启动无冲击电流，节电效果显著。2.2抽油机的工作原理及分析目前，我国抽油机主要生产厂家有十几家，产品主要是以游梁式抽油机为主，约占抽油机总数的9899，游梁式抽油机的类型很多，但其基本结构和工作原理是相同的。抽油机主要由游梁连杆曲柄机构、减速装置、动力设备和辅助装置等四大部分组成。如下图2-1所示。 1-悬绳器；2-驴头；3-游梁；4-横梁；5-横梁轴；6-连杆；7-支架轴；8-支架；9-平衡块；10-曲柄；11-曲柄销轴承；12-减速箱；1

31、3-减速箱皮带轮；14-电动机；15-刹车装置；16-电路控制装置；17-底座图 2-1 抽油机结构图抽油机的工作原理是：电动机将其高速旋转运动传递给减速箱的输入轴，并经中间轴带动输出轴,输出轴带动曲柄作低速旋转运动。同时，曲柄通过连杆经横梁拉着游梁后端上下摆动（或者是连杆直接拉着游梁后端）。游梁前端装有驴头，活塞以上液柱及抽油杆等载荷均通过悬绳器悬挂在驴头上，由于驴头随同游梁一起上下摆动，结果驴头带动活塞作上下的垂直往复运动，就将油抽出井筒。抽油泵主要由工作筒、衬套、柱塞（空心的）和装在柱塞上的游动凡尔及装在工作筒下端的固定凡尔组成，其工作原理如下：当活塞上行时，游动凡尔受油管内液柱压力作用

32、而关闭并排出活塞冲程的一段液体。与此同时，活塞下面泵筒空间压力降低，在环形空间的液柱压力作用下，井中液体顶开固定凡尔，进入泵内活塞所让出的空间。活塞下行时，泵筒内液体受压缩，压力增高，当此压力等于环形空间内液柱压力时，固定凡尔靠自重而关闭。在活塞继续下行中，泵内压力继续升高，当泵内压力超过油管内液柱压力时，泵内液体即顶开游动凡尔并进入油管内。这样，在活塞不断地上下运动中，固定凡尔和游动凡尔也不断地交替关闭和打开，结果油管内液面不断上升，一直到井口排入输油管线。综上所述，泵的工作原理可概括为：活塞上行时吸液入泵，排液出井；活塞下行时泵内液体转入油管，不排液出井。在理想情况下，当泵充满度很好时，是

33、上下冲程都出油。当不考虑液体运动的滞后现象，从井口观察排油时，应当是光杆上行时排油忽大，光杆下行时排油忽小，这一忽大忽小是周期性的变化。实际上，由于原油中混有天然气，有压缩性，使液体运动滞后于活塞运动，同时由于泵受多种因素影响，所以井口实际排油时呈复杂状况。抽油机一般由电动机驱动，通过抽油杆的上下运动将原油抽到地面的管网中，电动机轴上形成的负荷即抽油机的合成扭矩,呈周期性波劝，每周期有两次载荷冲击、有一次负值扭矩出现，为此在横梁上安装平衡块,对扭矩进行协调，减小电动机负载的波动，使电动机转矩变化平稳。油田抽油机上配套的电动机大多处在轻载运行状态，引起抽油机电机负载率低，功率因数低，浪费电能严重

34、，问题产生的原因主要有以下几个方面：1.抽油机的转动惯量较大，并且是带负载起动，因此起动时所需的起动转矩较大，一般情况下对电动机的功率需求也较大，所以电动机选型时要满足起动力矩的要求。电动机起动完成后需要的转矩要求只有起动转矩的一半左右，这导致电动机的负载率较低。2.抽油机电动机的准确选择需要测量大量数据，往往很难做到，而且对抽油机电动机的选择计算还没有一个统一的、准确的计算公式，因此大多数情况下都采用估算的方法选择配套电动机的功率，并且留有较大的功率余量。3. 抽油机的使用周期是很长的，在其使用周期内，由于油井工况的变化，对于电动机的功率需求可能有很大的差异，较合理的做法是根据不同时期的功率

35、需求进行匹配，以提高电动机的运行效率和功率因数。但在实际生产中很难做到，一般是在使用期内不再更换电动机，因此都是按抽油机可能遇到的最大功率需求进行匹配。4. 电动机属于感性负载，电流滞后于电压，导致产生无功电流，功率因数较小，也造成电能的浪费。另外还考虑到复杂的地质情况等因素，大部分电机的额定功率为工作周期输出功率的两倍左右。而抽油机在工作时，约有一半时间处于接近空载的工作状态（称为空载周期），另一半时间处于带负荷的状态（称为工作周期）。通过分析可知，抽油机电动机经常处于轻载运行，而且负载变化比较大，采用调节输入端电压使其在能安全带动负载的前提下，自身损耗尽可能的小，达到节能的目的，面对电动机

36、的降压运行进行分析。2.3抽油机电动机的调压节能电动机的机械特性是指转矩和转速关系曲线或者指转矩与转差率关系曲线。根据电机学知识可知电动机的电磁转矩表示为: (2-1)转子电流表示为: (2-2)当s 很小时，同时，那么可以有以下近似式: (2-3)所以，电动机转矩与端电压的平方成正比，转差率与端电压的平方成反比。假设定子电压降低系数为。可知不同降压系数下的转矩和转差率为: (2-4)据此可以画出人为机械特性曲线如图2-3所示，图中采用标幺值单位。从该人为机械特性曲线得到以下结论：1. 磁转矩与端电压平方成正比；2. 降低端电压时人为机械特性曲线的斜率加大了，恒转矩负载下，电动机只能在 s=0

37、到 之间有稳定运行区，调速范围不大；3. 由于降低端电压时供电频率并没有变化，因此电动机的气隙主磁通被减弱。在负载电流相同的条件下，电动机电磁转矩减小。 图2-3 电动机机械特性曲线由特性曲线可以看出，抽油机电动机的起动转矩很大需要电动机全压起动，当电动机起动完成后负载较低，降压以后的转矩也可以保证安全带动。降低电动机定子电压，输出转矩减小，即使得电动机负载率增大。负载率的变化会导致电动机的功率因数和效率变化，具体变化曲线如图2-4所示。从图中可以看出随着负载率的降低，功率因数和效率都降低，空载时两者都很低。当通过降低电动机的定子电压提高电动机的负载率时，功率因数和效率都将得到改善。图2-4

38、异步电动机的效率和功率因数曲线采取降压措施节能时，降压行为还受电动机能否带动负载正常运行的制约，即电动机所具有的电磁转矩必须能克服空载转矩且带动负载正常运行。简单的异步电动机机械特性实用表达式为： (2-5) 式中 临界转差率； 某端电压下电机所具有的最大转矩。若定子的阻抗参数不变，则它与端电压的平方成正比，可表示为: (2-6) 式中 电动机端任一相电压。考虑式（2-5）和式（2-6），电动机轻载时的电磁转矩与额定运行状况的电磁转矩之比为： (2-7)式中 轻载降压时的电磁转矩； 额定电压时的电磁转矩； 轻载降压时电动机的转差率； 额定转差率。 若不计转子铜耗、机械损耗和附加损耗，有: (2

39、-8)式中 轻载降压时的机械角速度； 额定负载额定电压时的机械角速度。由公式（2-7）和公式（2-8）得： (2-9)由公式（2-9）知，电动机端电压的降低不仅与负载大小有关，而且与转差率有关，即与转速有关，所以电动机端电压的降低程度由负载功率及负载对转速的要求决定。为了保证降压运行时，负载由轻载突变为额定负载时电动机能正常工作，电动机能提供的最大转矩不应低于额定负载时的电磁转矩，其最大电磁转矩: (2-10) (2-11)式中 降压时电动机的最大电磁转矩； 额定电压时电动机的最大电磁转矩； 过载倍数，等于 。按式（2-9）得到的电压应按式（2-11）进行校验。异步电动机的过载倍数一般为 1.

40、83.7，根据式（2-11）可知，降低的电压的最小值范围大致为 。2.4本章小结本章首先介绍了抽油机的种类及其应用情况，接着介绍了电动机的工作原理，分析抽油机电动机运行过程中负载变化特性，对抽油机电能浪费原因进行了分析。并依据公式分析了降压过程中电动机机械特性，电动机的效率和功率因数随着负载率的降低而降低，降低电动机定子电压导致电动机的负载率降低，从而改善电动机的功率因数和效率。最后对电动机的降压运行分析，得到在保证带动负载情况下的降压范围。第三章 抽油机电动机晶闸管节能的仿真与实验3.1调压节能系统的仿真分析计算机仿真技术是现在科学研究和产品设计的新手段，特别是在采用电力半导体器件对电机进行

41、分析研究中，计算机仿真技术显示出它的巨大优越性。根据电动机调压控制原理，利用 Matlab/Simulink 软件构造了一个调压控制系统，该系统能够很好地模拟真实系统的运行，实现高效的调压系统设计。3.2仿真模型的建立应用晶闸管交流调压装置有三种控制方式：通断控制、相位控制和斩波控制，在本节仿真过程中采用的是相位控制方式。晶闸管单元由6只单向晶闸管两两反向并联或三只双向晶闸管组成，串接于电动机的三相供电线路上。通过调节晶闸管的触发角，从而控制导通角，就可调节输出电压，从而控制电动机的运行过程，达到节能降耗的目的。图3-1是一种典型的三相交流晶闸管调压主电路的结构，每一相上串联反并联晶闸管，通过

42、改变触发角改变主电路的供电电压。控制系统每隔60度发出一次触发脉冲，依次触发 KP1，KP2KP6。 图 3-1 晶闸管交流调压电路调压电路原理图表明,晶闸管1与4反并联控制A相电路，以此类推晶闸2与5反并联控制B相电路，晶闸管3与6反并联控制C相电路。三相交流调压的6只晶闸管的触发角自Kp1 至Kp6 依次相隔60，负载为Y型接法。在改变控制角时，该调压装置有 2 种不同的工作状态：在同一时刻每一相有1只晶闸管导通，为第1类工作状态；在同一时刻有一相有2只晶闸管都不导通而另两相各有1只晶闸管导通，为第2类工作状态。在电阻负载时，在0到30之间为第1类工作状态，在 30为第1类和第2类工作状态

43、相交替，30到180之间按第 2 类工作状态工作，且当90时，电流断续。在感性负载下，输出电压与电流有相位差，电压过零时，晶闸管经过延滞角后关断。因此要考虑控制角，负载功率因数角才能得到各时间段的工作状态。只有时，输出电压才随的增大而减小，起到调压作用，因此晶闸管的触发控制需要满足以上关系。 晶闸管移相触发的仿真模型如图3-2 所示，输入量是 A、B、C 三相电源电压和所要移相的相位，输出量是与输入量相电压同步的六路移相触发脉冲。在该模型中用到了同步六脉冲发生器，它可以保持脉冲与相电压的同步，移相角大小是人为给定的，根据调压节能原理可知移相角的大小与电动机参数及控制量有关系。图3-2 晶闸管移

44、相触发器内部结构图调压系统中采用的是晶闸管相位控制方式，且为用两个单向晶闸管组成的双向晶闸管。在Simulink的电力系统工具箱中有晶闸管模型，通过组合可以构成一个双向晶闸管模型。图3-4所示为用于A相的双向晶闸管调压模型的内部结构图。由结构图可知，采用的是两个晶闸管反并联连接，输出的m端子是晶闸管的测量值，是流过晶闸管的电流和晶闸管两端的电压的合成矢量，在本模型中接入端子Terminator，为的是使晶闸管模型的完整性。 图3-3 三相交流电压源图 图3-4 双向晶闸管内部结构图晶闸管调压节能系统仿真模型如图 3-5 所示。其中的电机模型采用的电力系统工具箱中的异步电动机模型，额定电压为 380V，额定功率为45kW。 图3-5 晶闸管调压节能系统仿真模型3.3 仿真结果的分析在仿真模型中，输入电机参数和一列移相触发角参数，选择合适的