1、摘要根據測量，油田用抽油機大部分時間在空抽、電機均在輕載狀態下運行，電機效率和功率因數都比較低，造成大量電能浪費。為此，依據銅耗等于鐵耗時，電動機效率、功率因數最高，最省電原理，設計一種抽油機電機自動控制的節能裝置。采用電動機調壓裝置，基于模糊控制理論，通過主電路中晶閘管的移相控制調節抽油機電機端電壓，進行實時控制。在滿足抽油機正常運轉的前提下，使電動機工作在銅耗等于鐵耗的狀態下，提高抽油機電動機的工作效率和功率因數，達到節能降耗的目的。該裝置在抽油機的整個工作周期中，不改變電動機的轉速，不影響抽油機的采油效率;具有軟啟動、缺相、過載保護等功能。是油田采油生產中較為理想的電動機控制裝置，具有廣

2、泛的推廣使用價值。關鍵詞:抽油機;電動機;節能;單片機;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 課題來源11.2 異步電動機的節能措施11.3 國內外抽油機電動機節能技術發展綜述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節能裝置結構91.4.3控制回路設計91.4.4控制系統軟件的設計10第2章 抽油機的負載特性11第3章 三相異步電動機運行特性分析133.1 穩定運行

6、時的三相異步電動機133.1.1等效電路及矢量圖133.1.2 三相異步電動機的功率關系及損耗分析153.1.3 異步電動機的轉矩表達式163.2 運行條件變化對電動機性能的影響183.2.1 負載變化對損耗、效率、功率因數和轉矩的影響193.2.2電壓變化對電動機性能的形響21第4章 系統硬件設計254.1 概述254.2 抽油機節能裝置主電路254.3 功率控制電路274.4節能裝置控制部分294.5采樣與檢測304.5.1電壓、電流采樣304.5.2 與的相位角檢測324.6 io接口334.7 無功功率補償344.8 節能裝置保護部分354.8.1 外部線路斷相保護364.8.2 功率

7、控制元件故障保護364.8.3 電機缺相保護364.8.4電機短路和過流保護37第5章 控制系統軟件設計38第6章 結論44致謝45參考文獻46第1章 前言1.1 課題來源 能源是人類文明的基石，人類從遠古時代開始就按照自己的要求使用能源，創造出燦爛的文明和文化。我國能源發展戰略的總方針是“堅持開發與節約并重，把節約放在首位”，1998年1月1日中華人民共和國節約能源法的頒布和實施標志著我國的節能工作逐步走上了法制化的軌道。 據不完全統計，在實際使用中，約有65%的電動機裝置經常在輕載或空載狀況下工作，即存在所謂的“大馬拉小車”現象。尤其在我國石油企業中普遍使用的用來驅動有桿采油泵的游梁式抽油

8、機電動機，其所采用的驅動電動機絕大部分為鼠籠式異步電動機，工作時承受周期性變化的負荷，平均負荷率一般為30%以下，有的甚至更低。負載的變化周期在5 -20秒內不等。考慮到啟動負荷及復雜地質情況等因素的影響，大部分游梁式抽油機選用的驅動電動機的額定功率是工作周期輸出功率的23倍左右。以延長油田本部為例:2005年有游梁式抽油機18000余臺，年耗電約3.4億kwh，具有很大的節能降耗潛力。類似這種異步電動機負載率低、效率不高、電能浪費的現象在我國工業生產中很普遍，因此，對其進行節能研究是十分必要的。 隨著電力電子技術、微電子技術、控制技術以及其他方面諸如電機制造工藝的發展，電動機的節能調速運行控

9、制裝置越來越多，呈百花齊放趨勢。 目前在用的各種電動機控制裝置大部分是通過時序控制來達到節能目的，也有使用變頻調速裝置的，但變頻調速成本太高，維護較為困難，不適應油田實際。因此研制一種集各種節能控制裝置優點，又從根本上解決抽油機電動機節能控制問題的裝置是油田電力管理中的一個難點。1.2 異步電動機的節能措施 在電動機應用方面的節能技術，雖然根據電動機的種類、用途或系統等有各種各樣的方法，但在作為現代企業動力源所使用的范圍內，有下列幾個方面: (1)用高效系列電動機取代一般的高耗能電動機。但這種電動機造價較高，而且經濟效果極大地取決于負載的情況，即對于長期工作于接近額定負載(o%以上)連續運行的

10、應用場合，其節能效果達到最佳。 (2)采用功率因數控制器(即異步電動機節電器)和制動器。 (3)電動機的調速節能。 1).高性能交流電動機變頻調速器。采用微機控制的大功率管逆變技術，利用交直交方式，用于交流異步電動機的調速，節能效果可高達55%以上。 2).轉子串電阻調速。(4)對老式高耗能異步電動機進行節能改造。(5)發展永磁電動機。(6)合理選擇異步電動機。1).選用節能型的電動機，如y型，yx型等。2).選擇合適的輸出功率。電動機的容量選擇一定要使其最低負載率在0.4以上，當電動機的負載率在0.751時，其功率因數和效率最高，因而一定要防止“大馬拉小車”現象發生，減少無功消耗。 3).選

11、擇合適類型的電動機。 4).選擇合適的配電電壓。(7)加強運行管理。 1).對于輕載運行的電動機可采取降壓運行。 2).對于大多數存在周期性空載運行(約占全部工作時間的50%-60%)的電動機，安裝空載自動斷電裝置，減少空載損失(空載時無功功率為額定負載時無功功率的60%-70%)，提高功率因數。 3).對于不同容量的電動機，根據損耗種類采用不同的降損措施。 4).小型鼠籠式異步電動機宜采用直接啟動方式。1.3 國內外抽油機電動機節能技術發展綜述 在機械采油井中應用最廣泛的是游梁式抽油機，具有結構簡單，工作可靠，制造容易等優點，但是耗能高，效率低，沖程和沖次調節不方便，所以實際運行中大都處于不

12、平衡狀態，上下沖程負荷相差較大.在工程設計中，為了使抽油機順利啟動，按抽油機的最大負荷來選配驅動電動機，并留有一定裕量，而抽油機的平均轉矩一般只為最大轉矩的三分之一，因而拖動抽油機的電動機的負荷率也大約為30%，從而形成了“大馬拉小車”的現象。 近年來，國內各油田陸續采用了各種節能方法，取得了不少成果，其中比較成功的是高轉差電動機。但高轉差電動機從節能的角度看是不利的，不僅使轉差損耗增大，也使過渡過程損耗增加。 西安石油學院薄保中、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由異步電動機驅動改為同步電動機驅動的設想，同步電動機選用的是具有自啟動能力的稀土永磁同步電動機。稀土永磁電動機

13、是采用永久磁體代替勵磁繞組來激磁的電動機。其節能原理在于:同步電動機穩定運行在同步轉速，與異步電動機相比沒有轉差損耗;使用稀土永磁材料激磁，提高了功率因數，定子電流減小，銅損降低，提高了電動機效率。 從現場試驗和用戶反應來看，稀土永磁同步電動機還存在以下問題: 1、電壓過低時啟動困難。 2、在電壓高于440v時功率因數下降較快，消耗無功功率比異步電動機多。 3、維修困難，不適應油田野外復雜的工況條件。黑龍江八一農墾大學工程學院研制的單片機控制三相異步電動機節能保護器主要是利用電動機y/轉換。三相異步電動機y/轉換節能器，由于其結構簡單、成本低，是一種適合我國國情的電動機節能控制器。但傳統電動機

14、y/轉換節能器的控制電路采用分立元件或集成電路設計，控制轉換電路轉換精度不高，轉換參數無法修改，這樣就造成電動機在y/轉換點附近發生頻繁轉換的現象，即臨界震蕩。從而使接觸器的壽命大為縮短，并且造成電動機功率明顯下降。單片機控制的三相異步電動機y/轉換節能器可對電動機的y和y轉換的臨界負載電流值分別進行設定，并可加入一定的回差值，從而解決了接觸器頻繁轉換的問題，同時該節能器還具有/y降壓啟動和電動機的斷相、過載等保護功能，對于變載工作的電動機可取得較好的節能效果，并保護電動機的安全。三相異步電動機的損耗主要由鐵損和銅損兩部分構成，鐵損正比于電動機端電壓的平方，電動機y/轉換節能的實質是降低電動機

15、的端電壓。電機由接法改為y接法時，定子電壓下降為接法時的，同時電動機軸輸出功率下降為接法時的，鐵損也降為接法時的，此時如果電動機定子電流減小或增加不多，則電動機處于節能運行狀態。而當定子電流增加到臨界負載率對應電流值時，如此時電動機仍為y接，則電動機非但不節能反而浪費電能，因此此時電動機應轉為接。電動機定子電流主要是由電動機軸輸出功率即電動機負載功率決定的。對應于這一定子電流的負載率稱為臨界負載率。臨界負載率和定子電流間的關系為: (1-1)式中 一定子線電流一電機額定電流一空載勵磁電流一臨界負載率 由上式可知，只要測得電動機定子電流就可以算出電動機的臨界負載率，從而使電動機自動運行于y接或接

16、狀態而節約電能。 華中理工大學的史玉升和梁書云提出了一種三相異步電動機的節能與安全監控方法。利用計算機通過一定的算法控制雙向晶閘管的通斷比，使電動機輸出功率與負載匹配，達到降耗、節能的目的。由于采用了單片機控制，所以系統具有良好的“柔性“和性能價格比，基于這種技術的節能系統適合于經常工作于空載或輕載的電動機變負載工況下。 基于國內抽油機控制系統的使用現狀和實際情況，結合國外抽油機控制系統的發展趨勢，清華大學自動化系和中國地質大學工程學院聯合設計了以單片機為核心的晶閘管移相觸發控制的低成本抽油機控制系統。該控制系統主要由電量傳感器、晶閘管模塊、單片機系統、a/d和d/a轉換器等組成。工作原理如下

17、圖1-1所示。在空氣開關和晶閘管之間設計三相電的相序和缺相檢測電路，檢測抽油機驅動電動機供電是否正常。抽油機驅動電動機啟動和工作過程中一旦不正常，立即停止工作，并有數碼管和發光二極管顯示指示不正常的狀態。數據載波接口空氣開關晶閘管電動機缺序與相序檢測da轉換器電流檢測電壓檢測功率檢測電動機溫度檢測a/d轉換器單片機系統數碼顯示程序存儲器數據存儲器數據回放卡圖1-1 控制系統工作原理圖 通過d/a轉換器dac1210輸出010v電壓控制晶閘管模塊的移相觸發相位，實現抽油機電動機的軟啟動、軟停機和調整電動機的供電電壓，以便調整電動機輸出功率，減少電動機的鐵損和銅損，從而達到節能降耗的目的。通過三相

18、電壓、電流和有功功率傳感器把抽油機電動機的工作參數轉換成05v的電壓信號，經過12位a/d轉換器max197進行模數轉換，進入單片機系統進行數據處理、存儲和顯示。根據所檢測到的抽油機電動機工作電流和有功功率的變化，實時判斷電動機的載荷大小和工況。當電動機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停止抽油機工作，從而保護電動機。當抽油機電動機工作電流小于空載電流，認為抽油機空載，可停止抽油機工作，等待原油聚集。根據所設定的停機時間，抽油機停止工作一段時間后，控制系統自動啟動抽油機，從而實現抽油機停機節能。可根據抽油機運行的載荷工況，自動通過d/a轉換器輸出010v電壓，實時控制晶閘管的

19、移相觸發相位，控制其輸出電壓，從而調節抽油機電動機的輸出功率，達到節能目的。 該抽油機控制系統綜合應用了傳感器技術、單片機技術和晶閘管技術，實現了抽油機控制的自動化和智能化。和國外抽油機控制系統相比，該系統具有較高的性能價格比和較好的功能擴充性，如在此基礎上進一步開發，可通過電力載波或其它數據傳輸方式實現抽油機遠距離控制。該控制系統1999年5月在大慶油田采油五廠進行了試驗，試驗抽油機型號為cyj-2.5-18hb。系統工作可靠，并具有明顯的節能效果，節能率為9.8%。 上海交通大學信息與控制工程系許善鎮教授于1999年12月在上海交通大學學報上發表了一篇題名為石油抽油泵節能的新構思的文章。提

20、出了一種可以隨機采集在自然界廣泛存在的零星風力的裝置，用于石油抽油泵的節能。裝置的核心是雙饋發電機。從結構上看，雙饋發電機與常見的感應發電機和同步發電機無太大的差別，但它卻有一個引人注目的特點，即對軸上輸入轉速無任何特殊的要求。圍繞這一特點，不僅可以開發出零星風能的采集利用裝置，而且對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。雙饋發電機是隨著電力電子技術發展而崛起的一種電機新品種，即是常規電機的一種應用革新。雙饋發電機有兩個能量輸入通道:電機的轉軸，輸入機械能量;轉子繞組，輸入電能。兩個能量輸入通道輸入的機械能和電能，經氣隙磁場轉換疊加，從定子繞組輸出電能.

21、如果以具有確定負載的獨立系統為例，在恒頻率、電壓控制支持下，當轉軸輸入的機械功率小于(或大于)負載功率時，系統將自動從電網、經變頻器和轉子繞組吸入(或回饋)電功率給予補足(或扣除).這一特征說明雙饋發電機在正常運行時，對軸上輸入轉速無特殊要求.因此，以它為核心，可構成“隨機能量捕捉器”，在雜散自然能量的采集利用方面發揮影響。 節能控制分為調壓節能和變頻節能兩種。在調壓節能控制中，不是根據功率因數的變化來控制電動機的定子電壓，而是由定子電流的大小及電流的變化率的變化趨勢來控制定子電壓，這樣可以使控制回路的接線方式非常簡單。在變頻節能控制中，可以充分利用當今豐富的單片機資源優勢，提高控制器的可靠性

22、，降低開發成本。眾所周知，在輕負載下，適當降低電動機定子電壓，定子電流將隨之減少，且電動機的輸出功率仍可保持不變。在固定負載下，定子電壓降低到一定程度后，定子電流不但不會降低，反而會逐步增大，這種情況一般是不允許的。因此，隨電動機定子電壓的變化，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應定子電壓就是要尋找的最佳電壓值。實驗表明，在接近滿載的情況下，電動機的定子電壓仍可適當降低。節能控制器的根本目的在于:在保證負載需求的情況下，盡可能地降低系統輸入功率。這樣，加裝了節能控制器的電動機，不僅可以節約有功功率，也可以節約無功功率。實驗結果表明，在一般負載下，應用調壓節能控

23、制器，可節電5%10%，在空載運行方式下，可節約有功功率70%左右。與同類其他節能裝置相比，具有技術簡單、效率高的特點，且調壓控制器的成本可做得很低，其節能效率還可進一步提高。電動機調壓節能控制器由如圖1-2所示的幾個主要部分組成，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電壓過零檢測單片機信號控制光電隔離波形整形基極驅動電動機負載系統電動機調壓主電路緩沖電路保護電路電流檢測波形整形a/d轉換微分推理圖1-2 調壓節能控制器原理框圖 在調壓節能控制器中主要采用兩種控制方式，即pwm方式與通斷方式，兩者在不同的負載下各有特點，對慣性較大的負載，采用通斷控制方式可在保

24、持輸出波形不失真的同時，模擬自然風運行，節電約60%。調頻節電控制器的觸發電路與調壓節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雜一些。在控制方式上，以保持電動機氣隙磁通恒定為目標，即在正常調節過程中，始終保持u/f基本不變，在調頻的同時自動調節電動機定子電壓。在電動機低速運行時，它采用pwm控制策略，應用推理可以用最簡潔的方式處理定子電壓補償問題。 綜合節能控制器的設計、開發過程，并與傳統的節能控制方法相比較，不難發現模糊節能控制器具有以下顯著特點: 1.節能控制器的第一個顯著特點是它的簡潔性，它甚至可以不考慮電動機的詳盡運行過程，基于幾條簡單的實驗曲線即可開始模糊

25、節能控制器的設計過程。 2.節能控制器具有較強的魯棒性，對不同的電動機可以采用同樣的推理軟件，它可自動跟蹤負載變化，取得較好的節能效果。 3.節能控制器的調節規律內涵豐富，包容面大而廣，具有較強的自適應能力。 4。節能控制器的輸入變量可多可少。在電動機節能控制器設計過程中，雖然選擇了較少的控制變量，但取得了較好的控制效果，同時也節約了用于測量的傳感器。 5.節能控制器的硬件結構比較簡單，主要推理工作及pwm生成策略均由軟件實現。6.節能控制器在控制過程中極易處理電動機在低速運轉時的電壓補償問題。負載系統電動機保護電路波形整形a/d轉換微分推理單片機信號控制光電隔離波形整形基極驅動電動機調壓主電

26、路緩沖電路電流檢測圖1-3 pwm控制器原理框圖保護整流濾波380v1.4 本文所做的主要工作 抽油機是我國石油行業的傳統設備，也是采油過程中的主要耗電設備，據不完全統計，我國各油田現正在服役的抽油機共有十四萬多臺，其用電量約占油田總用電量的80%左右。由于抽油機負載呈周期性變化，現運行的抽油機驅動電機幾乎全為大馬拉小車，負載率和效率都很低，統計結果表明最高效率不超過30%。由于交流電機為感性負載，配置大，負荷小，負載滯后角較大，造成其功率因數十分低。在油田實際測試，電機的功率因數最高不超過0.54，最低在0.25左右，電能浪費嚴重。因而開展抽油機的節能研究，提高其效率和功率因數、對提高石油產

27、量、降低石油開采成本，具有十分重要的現實意義。綜觀國內現用的抽油機電驅動裝置，可將其分為三種:一是直接起動、運行時帶過載和缺相保護，這種方法可防止在缺相和過載時燒壞電機，但沒有軟啟動功能，電機的起動電流大，運行時加到電機上的電壓為固定值，功率因數仍得不到提高。二是應用變頻調速裝置，該方案隨負載大小的不同，通過變頻而調節抽油機驅動電機的轉速，具有較好的節能效果，但由于變頻器成本高，維護工作量大，且調速影響采油效率等因素而沒有得到廣泛的應用。三是啟動時具有軟啟動、運行時帶過載、缺相等保護功能，且能按負載大小調壓，雖可實現一定的節能效果，但并未關心是否能保證電機的損耗最小。這三種方案的性能價格比和節

28、能效果都不是最理想的。1.4.1基本思路：“銅耗=鐵耗” 在油田的長期工作和實踐中，發現除新油田的開采初期，新井產能較高，抽油機電動機可滿負荷運轉外，絕大部分抽油機電動機均處于輕載狀態，甚而有很大一部分油井在大部分時間里處于空抽狀態，因而電動機功率因數低，效率低，電能的浪費十分嚴重。 因此，在各油田進行了廣泛調研的基礎上，根據抽油機負載的特點和三相異步電動機的工作原理，吸收國外先進技術，研制了一種新型抽油機電機高效節能控制裝置，與以往的調壓與軟啟動抽油機控制裝置相比，吸收了前述三種方案的優點，按抽油機負載的周期性變化，通過單片機應用c語言編程計算電機的銅損耗和鐵損耗，根據電機在銅損耗等于鐵損耗

29、時總損耗最小的原理、借助于模糊控制理論，通過主電路中晶閘管的移相控制，調節加到抽油機驅動電機定子側的輸入電壓，保證運行中電機的銅損耗與鐵損耗相等，降低抽油機的總損耗，提高其工作效率和功率因數，達到節能降耗的目的。交流電動機中，除軸和殼體外，幾乎所有的質量都是鐵和銅，這些銅和鐵在電動機進行電磁能和機械能轉換的運行過程中，也將部分電能轉化成熱能，從而導致了電動機的功率損失。通常把由鐵介質發熱導致的功率損耗稱為鐵損耗，銅介質導致的損耗稱為銅損耗，圖1-4給出了電動機銅損耗、鐵損耗同輸入電壓及負載率變化的特性曲線。pu0123up1234ab圖1-4 電動機銅損耗、鐵損耗同輸入電壓及負載率變化的機械特

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

31、電動機運行時損耗最小，效率最高，應實時計算電動機的銅損耗和鐵損耗，通過比較調整電動機的輸入電壓，這便是本課題開發研制的新型抽油機用高效晶閘管節能裝置設計的理論依據。1.4.2 節能裝置結構 抽油機節能裝置的按功能可以劃分為六個部分:第一部分為功率控制電路部分;第二部分為節能裝置控制部分;第三部分為u與i的相位檢測部分;第四部分為io接口裝置通訊部分;第五部分為節能裝置內部故障保護部分;第六部分為電動機缺相保護部分。1.4.3控制回路設計 控制電路是整個抽油機用高效晶閘管節能裝置的核心，所有信號的輸入、輸出、檢測、計算、推理和控制都要經過控制電路得以實現和完成。控制電路的系統構成包括主控cpu，

32、節能裝置電壓、電流的采樣輸入部分，u電壓與1的相位角檢測部分，a/d和d/a轉換部分_，缺相保護部分，鍵盤部分，繼電器輸出部分，看門狗電路和電源部分。1.4.4控制系統軟件的設計控制系統軟件以控制理論為基礎，采用c51語言進行程序設計，選用keil uvision2為開發環境塊構成:初始化參數采用模塊化編程，設計軟件整體流程。軟件主程序由以下幾個模軟起動，a/d轉換，計算銅耗、鐵耗及其差值，控制子程序，d/a轉換和輸出控制電壓子程序。第2章 抽油機的負載特性 油田在開采初期，地層能量較高，有部分油井可以自噴。隨著開采時間的延長，油層自然能量逐漸衰竭，必須采用機械采油方式。機械采油就是在地面通過

33、機械設備把原油從油井中采出地面;機械采油可分為有桿泵采油、無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，其原理是通過抽油機、抽油桿帶動抽油泵作上下往復運動，將原油從數百至數千米的地下抽汲到地面上來。 抽油機工作時，其驢頭懸點承受的載荷主要有: 1、抽油桿自重，油管內、柱塞上的油柱重，油管內外油柱對柱塞下端的壓力構成的靜載荷; 2、抽油桿柱和油柱運動所產生的慣性載荷; 3、抽油桿柱和油柱運動所產生的振動載荷; 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閥的液體摩擦力。 其中，慣性載荷、振動載荷、摩擦力和原油的物性(如粘度)、

34、抽油機的運動特性 (沖程和沖次)、油井井身結構密切相關，是一個變量，一般稱動載荷。 抽油機在上沖程時，驢頭懸點需提起抽油桿柱和油柱，電動機對外作正功;下沖程時，抽油桿依靠自重就可下行，電動機處于發電運行狀態，因此，電動機在上、下沖程的載荷是很不均勻的。而懸點運動的加速度和速度的變化又加劇了這種不均勻性，載荷的不均勻性嚴重地影響了四連桿機構、減速箱和電動機的壽命，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增加平衡重。如在抽油機的曲柄、游梁后端或同時在曲柄和游后端增加平衡塊，以其達到抽油機一抽油泵裝置的平衡運轉。但是由于影響抽油機動載荷的因素較多，造成抽油機很難用自身平衡的辦

35、法做到運轉平衡。在油田現場，用電流法診斷抽油機是否平衡時，一般地認為當平衡率0.7時，即認為抽油機達到了平衡。這表明，拖動抽油機的電機仍有部分時間工作在負功狀態。圖2-1是抽油機減速器凈扭矩曲線，即負載轉矩曲線。mf0圖2-1 抽油機負荷曲線 從曲線上可以看出: 1、抽油機的轉矩是隨著曲柄轉角變化而周期性變化的;抽油機的工作頻率一般為612次/分，即工作周期為510秒。 2、當出現負扭矩時，減速器主動輪將變為被動輪。如負扭矩較大，將發生從動輪沖擊主動輪，影響減速器齒輪的壽命。 3、抽油機啟動時，抽油桿一般處于最低位置，所需啟動轉矩只需克服靜磨擦力及原油的表面張力的影響，因此，所需轉矩相對較小。

36、抽油機啟動后，抽油桿開始上升，很快(約2.5s)就碰到了第一個最大阻力轉矩。因此，它一方面要求電動機具有較大的靜啟轉矩，克服靜磨擦力;另一方面，要求電機具有較大的平均啟動轉矩，以便使電機在第一個最大阻力轉矩到來之前，超過電機臨界(最大轉矩轉速)，使電機進入穩定工作狀態。 抽油機的負載特點決定了三相異步電動機驅動抽油機不可避免地會出現“大馬拉小車”的現象。 1、抽油機帶載啟動，慣性矩較大。在選配電動機功率時為了不影響生產，一般按最大扭矩來選配電動機;抽油機啟動后，正常工作時的平均轉矩與最大扭矩相比要低1/3,所以電動機輸入功率僅為額定功率的1/3，不可避免出現“大馬拉小車”的局面。 2、油田生產

37、中有可能出現各種故障，如油井結蠟、砂卡、扶正器損壞等，因此，在在選配電動機功率時也要增加一些裕量，這進一步加劇了“大馬拉小車”的現象。 根據油田生產測試，抽油機電動機的平均負荷率一般在20%左右，少數負荷率高的也僅為30%，電動機的長期低負荷運轉，造成了效率低，功率因數低，能耗高的狀況。 抽油機負荷的周期性變化，反應在電動機上主要是電流功率因數的變化，因此上可以將電流或功率因數作為依據來對抽油機系統進行控制。第3章 三相異步電動機運行特性分析3.1 穩定運行時的三相異步電動機3.1.1等效電路及矢量圖三相異步電動機穩定運行時的單相等效電路如圖3-1所示:圖3-1 異步電動機等效電路圖圖中: 、

38、為定子繞組電阻、漏抗和電流、為轉子繞組電阻、漏抗和電流、為勵磁電阻、電抗和勵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機轉子旋轉時的基本方程式為:0圖3-2 異步電動機矢量圖 (3-1)令: (校正系數)則有 (3-2) (3-3)3.1.2 三相異步電動機的功率關系及損耗分析圖3-3 異步電動機的功率流程圖圖3-3為異步電動機的功率流程圖。其中 為從電源輸入的有功功率 （3-4） 為定子銅耗 ( 3-5 ) 正常運行情況下的三相異步電動機，轉于鐵損耗很小，可以忽略不計，因此，電動機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子方

39、面的電磁功率pm等于轉子回路全部電阻上的損耗，即:( 3-7 )轉子銅耗為 (3-8)電磁功率減去轉子繞組中的銅耗就是等效繞組上的損耗。這部分等效損耗實際上是傳輸給電機轉軸上的機械功率即: (3-9) 電動機在運行時，會產生軸承以及風阻等摩擦阻轉矩，這也要損耗一部分功率，把這部分功率叫做機械損耗，用表示。在異步電動機中，除了上述各種損耗外，由于定、轉子開槽和定、轉子磁動勢中含有諧波磁動勢，還要產生一些附加損耗。附加損耗一般不易計算，往往根據經驗估算。在大型異步電動機中，附加損耗凡。一般約為額定輸出功率的0.5%；而在小型異步電動機中，滿載時，可達額定輸出功率的1%3%。在任意負載時，按定子電流

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

41、耗和附加損耗的變化。通過調壓，可以達到減小定、轉子銅耗和附加損耗的目的。3.1.3 異步電動機的轉矩表達式由上節可知: (3-13)旋轉體的機械功率等于作用在旋轉體上的轉矩與它的機械角速度的乘積。在異步電動機中，機械功率就是電磁轉矩乘以轉子的機械角速度，所以 (3-14)又因為: (3-15)所以: (3-16)式中，為轉矩因數，是氣隙每極磁通量，是轉子繞組的相數，是轉子繞組每相的匝數，是轉子繞組的基波繞組因數。由轉子電流和定子電壓的關系，可以推得另一關系式如下: （3-17）上式說明電磁轉矩與定子電壓的平方成正比，電壓的變化將引起電磁轉矩的變化。對式(3-10)，應用函數取極值的必要條件，當

42、時，最大電磁轉矩為: (3-18) 一般異步電動機的值在0.120.20之間，進一步推導可以知道任意轉差率時的轉矩和最大轉矩之比為: (3-19) 最大電磁轉矩對電動機來說具有重要意義。當電動機運行時，若負載短時突然增大，隨后又恢復正常，則只要總的制動轉矩不大于最大電磁轉矩，電動機仍能穩定運行，但若大于最大電磁轉矩，則電動機將停轉下來。由此可見，最大電磁轉矩愈大，電動機的短時過載能力愈強，因此把電動機的最大電磁轉矩與額定 電磁轉矩之比稱為電動機的過載能力，用過載系數表示，即 (3-22)如圖3-4所示的異步電動機曲線中，為負載阻力矩。從圖中可以看到，電動機可以工作在1或2的狀態，從平衡的角度容

43、易知道，1為穩定平衡點，2為非穩定平衡點。即當負載阻力矩為轉差率為時為穩定運行狀態，當負載阻力矩為轉差率為時為非穩定運行狀態，為穩定運行和不穩定運行兩種狀態的臨界點。因此，超過點，電動機就進入不穩定運行狀態，故最大轉矩也稱為停運轉矩。120圖3-4 異步電動機曲線 從以上有關公式可以得出下面的近似結論：滿載時，當外加電壓降低x倍時，為保證輸出轉矩不變，轉差率必須隨之增加x的平方倍。此時，電動機的轉速將下降。而同時，轉子電流也必須增加x倍以保證輸出轉矩的不變。另一方面，外加電壓不能下降太多，因為，電壓的變化將引起最大轉矩的變化，當最大轉矩下降為低于負載額定轉矩時，電動機將停止轉動。因此，電動機調

44、壓控制的約束條件為最低電壓時電動機的最大電動轉矩不低于負載額定轉矩。空載時，負載阻力矩幾乎為零，同時，轉子繞組的電流非常小，轉子的轉速接近于同步轉速，此時，調壓控制的約束條件將為轉差率的增加不能使電動機停運。從圖3-4的曲線可以看到，當負載阻力矩接近零時，其轉差率接近于零，而此時的轉差率與最大轉矩對應的轉差率則相距較遠，調壓范圍較大。3.2 運行條件變化對電動機性能的影響電動機運行條件的變化，主要是指電源(電壓、頻率)和負載(負載的大小)的變化。電動機在額定工況附近運行時具有最好的經濟性，但在實際運行中，電動機不可能始終保持額定條件運行，因為負載總是不斷變化的，運行條件也會經常發生變化，從而影

45、響到電動機的效率。當電壓、頻率在額定值時，隨著負載的減小，電動機的輸入功率、電磁轉矩也會隨之降低，而且對于任何類型的負載，電動機都能保持穩定運行。但是電動機的效率不會因此而保持不變，相反，會隨著負載的減小而降低，而且在負載減小到一定程度后，效率會有大幅度的下降。這就是說，電動機輸入功率的絕對值看起來雖然降低了，但是相對損耗卻提高了，使電動機處于一種不經濟的運行狀態，造成了電能損失，這當然是不希望的。這就需要采取一些措施，希望在負載變化的同時，電動機的輸入功率和各種損耗都能隨負載的減小而盡可能地成比例降低，同時，保持電動機繼續穩定運行。也就是說，這個措施應使電動機在負載變化的整個過程中，能滿足兩

46、個條件:一是電動機的機械特性始終能滿足工作機械的負載特性要求，使系統保持穩定運行，二是電動機的效率在整個負載變化過程中始終處于最佳狀態，保持電動機運行的經濟性。 在電動機的節能技術中，主要是采用隨負載變化的同時改變電動機的定子端電壓、定子頻率或定、轉子間的轉差等方法來達到既降低能耗又滿足上述條件的目的。但是這樣一來，也就完全改變了電動機的運行條件，使得電動機長期偏離額定值運行。而偏離額定值，會引起電動機負載特性的基本參數:電勢、磁通、磁化電流、轉矩、轉差、轉速、定、轉子的電流及相位等一系列的變化，而且這些變化對不同性質的負載具有不同的影響。下面將對這些影響進行一些具體的分析，以便根據不同的條件

47、采取合理的節能措施。本節將著重分析運行條件的變化對電動機性能的影響，說明如何改變運行條件，使得電動機節能和允許改變條件的程度;以及根據上述相應的改變確定電動機的發熱、損耗、有功功率、無功功率、功率因數和轉矩等的情況，以便衡量所采用的改變運行條件的節能措施是否經濟合理、對不同性質的負載的效果及應用范圍。3.2.1 負載變化對損耗、效率、功率因數和轉矩的影響 在額定電壓和額定頻率時，電動機負載的變化會引起電動機的轉差率、定子電流、轉子電流和轉矩相應的變化，這一變化必然又會引起電動機損耗、效率和功率因數的變化，而勵磁電流實際上可認為與負載無關。1、負載率m的確.定及負載率的變化對電動機損耗的影響電動

48、機在額定負載時的總損耗為: （3-20）其中： 電動機的固定損耗 額定工況下定子和轉子的銅耗、 額定工況下電動機的可變損耗 空載時定子銅耗 定子銅耗中的可變部分 （3-21）式中，即為負載率。同樣： (3-22)所以可變損耗可以寫為: (3-23) 即可變損耗與負載率的平方成正比。 2、負載率對效率的影響及計算 電動機的效率一般是隨額定容量的增大而提高，相同容量電動機的效率則隨額定轉速的降低而降低。當容量和轉速不變時，電動機的效率將隨負載率的變化而變化。可以從任意負載率下電動機的總損耗公式中直接推算出效率和負載率的關系式： (3-24) 3、負載率對功率因數的影響 功率因數是電動機的另一個性能

49、指標。從異步電動機的等效電路圖可知:對于電源來說，異步電動機相當于一個電阻和電感互相串并聯的電路，功率因數總是小于1的。為了建立磁場，電動機需要從電源吸取很大的無功電流，在正常條件下，勵磁電流是不隨負載變化的，而轉子電流卻隨負載的增減而增減。當負載變小時，轉子電流就會相應減小，于是定子電流與電源電壓間的相角就變大，功率因數就降低。在空載時，定子電流，相角最大，功率因數最低。當負載增大時，定子電流中的有功分量增大，從而使功率因數很快上升，當接近額定負載時，最大。如果繼續增加負載，由于此導致功率因數又下降。所以電動機的功率因數的高低還與空載電流和額定電流之比有關。知道了電動機的總損耗和效率后，就可

50、以確定任意負載下的功率因數和無功功率的變化情況，其關系式為 (3-25) 其中，為定子電流，為額定線電壓。 4、負載率與電磁轉矩和轉差率的關系電動機在轉子中感應的電流與旋轉磁場相互作用而產生轉矩，使電機旋轉，并拖動機械設備一起轉動，其工作過程是：在正常方式下，當電動機起動時，電動機的起動轉矩首先必須大于負載的機械阻轉矩，電動機才能順利起動。由于大于，有了一定的剩余轉矩，電動機就能不斷加速至額定轉速，為了避免起動時間過長，導致起動電流過大使繞組發熱，要求電動機有足夠大的起動轉矩，以縮短起動時間，減少發熱。當電動機達到額定轉速時，電動機的電磁轉矩與負載的機械阻轉矩相平衡，即，系統進入穩定運行狀態。

51、如果此時負載增大，即，電動機的平衡被破壞，使得轉差率s增大，就會引起轉子電流增大，接著電磁轉矩也跟著增大，直至與負載轉矩達到新的平衡。如果負載轉矩再繼續增大，且超過電動機的最大轉矩，電動機就會因不能承載而不斷減速，直至停轉，或者由于轉子電流增大到超過允許值，使轉子繞組發熱而燒壞。如果負載在小于額定值的范圍內變化，且轉速為額定值時，電動機總能保持穩定運行。根據推導，電動機的電磁轉矩與負載率的關系可寫為： （3-26）式中，為電動機的最大轉矩與額定轉矩之比。為任意負載時電動機的最大轉矩與負載轉矩之比，稱為任意負載時的最大轉矩倍數，當負載為額定值時； 為任意負載時阻轉矩與額定轉矩之比，稱為電動機的轉

52、矩率。當轉速接近額定轉速或轉速變化很小時，轉矩率在數值上等于負載率。可見，電動機在負載變化時的實際承載能力與負載率成反比，負載越小，承載能力越大，系統越能穩定運行；負載變大，承載能力就降低，如果，承載能力就小于額定承載能力，電動機運行的穩定性將降低。 同理，可求得在額定轉差率附近轉差率與負載率得關系為: (3-27) 即轉差率與負載率成正比，當負載小于額定值變化時，轉差率在0之間變化3.2.2電壓變化對電動機性能的形響 當負載變化時，是否允許電壓同時降低，允許降低電壓的范圍以及降低電壓運行對電動機的影響。 1、電壓變化對電磁轉矩的影響 異步電動機的電磁轉矩與電源電壓、頻率、極對數，及轉差有關，

53、當結構參數和頻率一定時，電動機的電磁轉矩與電壓的平方成正比。當電壓降低時，轉矩將以平方倍下降。由上述分析可知，正常情況下電動機的電磁轉矩是隨時隨地與負載轉矩相平衡的，只要負載不超過額定值，電動機總能保持穩定運行。但如果在負載變化的同時，也改變電源電壓，電動機是否能繼續保持穩定運行呢?下面將對兩類不同性質的負載進行分析： （）恒轉矩負載 如切削車床、傳送運輸機械和本文緒論中提到過的游梁式抽油機中的起重電動機等，其阻轉矩為常數。這類負載一般有重載運行方式和輕載運行方式，對于這類負載中的運行電動機，當其輕載運行時，即使供電電壓變化較大，轉速變化仍然是很小的，電動機總能保持穩定運行。而在重載時，如果電

54、壓降低，轉速就會很快下降，使電動機失去穩定，直至停轉，降低電壓節能的措施是否可行，能否使電動機保持穩定運行是有一定條件的.為了清晰而簡潔地顯示出負載、電壓、轉矩、轉子電流和轉差率之間的關系，列出以下關系式：（3-28） 由上式可知，電動機可承受的負載轉矩不僅與電壓的平方成正比，與負載率成反比，而且還與電動機本身的承載能力有關。由3.1.3節可知，任意負載時，電動機能穩定運行的必要條件是使，即。因此當負載率一定時，如越大，電壓允許調節的范圍也就越大，式中，為調壓系數。 由上式還可知，轉子電流與調壓系數成反比，與負載率成正比:轉差率則與電壓的平方成反比，與負載率成正比變化。利用式(3-28)可以方便地分析出不同性質的負載在不同運行方式下受電壓變化的影響。 利用式(3-28)進行分析時，應注意到:轉差率與調壓系數的平方成反比變化，但轉速的平方成正比，負載阻轉矩只受運行方式(重載和輕載)、負載性質(恒轉矩或變轉矩)的影響，兩者不能混淆。另外，對恒轉矩負載，轉差率只允許在0的范圍內變動才穩定，在此范圍內改變電壓時，轉速的變化是很小的，一般電壓降低10%，轉速只降低1%左右。 綜上所述，恒轉矩負載在重載方式下