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 I 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
2、提供了依据。 本文还进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 II 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
3、energy waste. It makes 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 sav
4、ing. 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 analyses the run of the motors under lower voltage. It gets the result that the voltage fall will improve
5、 the power factor and 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
6、 PIC16C74 micro-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. Key word: oil-pumping uni saving energy thyristor MCU III 目 录 摘 要 I Abstract.II 第 1 章 绪论 .1 1.1 课题的背
7、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 1.3.1 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
8、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 IV 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
9、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 V Contents Abstract(Chinese).I AbstractII Chapter 1Introduction 1 1.1The topic background and the significance 1 1.2Current problems1 1.3The present situation and development of energy saving technol
10、ogy .2 1.3.1Pumping unit energy-saving technologies used.2 1.3.2Pumping machines the development direction henceforth4 Chapter 2 Summary motor of pumping unit 5 2.1The oil pump machine types and applications.5 2.1.1Beam type oil pumping machine.5 2.1.2Without walking beam type oil pumping machine6 2
11、.2Oil pumping machine working principle and analysis.8 2.3Pumping motor voltage energy saving.11 2.4The chapter summary.14 Chapter 3 Pumping unit motor thyristor energy saving simulation and experiment15 3.1Simulation analysis of the regulator of energy saving system.15 3.2Simulation model.15 3.3The
12、 simulation results of the analysis18 3.4Motor voltage regulating and energy saving of experiment 21 3.5The chapter summary.22 Chapter 4 Energy-saving control system design.23 4.1Energy-saving system main circuit design.23 VI 4.1.1 Main circuit structure 23 4.1.2Thyristor capacitance resistance abso
13、rption circuit design26 4.1.3Thyristor over-current protection.28 4.1.4Reactive power compensation design28 4.1.5Operating circuit design.29 4.2Phase detection and noninverting input .30 4.2.1Synchronization input principle.30 4.2.2Phase detection and synchronization.31 4.3Energy saving control syst
14、em circuit design34 4.3.1Scheme design .34 4.3.2Circuit design of current detection.35 4.3.3The output circuit design .36 4.3.4Digital display circuit design.37 4.4Energy saving control system software design39 4.4.1Software design to determine the law39 4.4.2Controller software design.41 4.5The cha
15、pter summary.45 Conclusion.47 Acknowledgement.48 References49 Appendix 1.50 Appendix 2.51 1 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
16、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, 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
17、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 2 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
18、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
19、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
20、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 3 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
21、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;有的改变了电动机的工作特 性,使之与抽油机的
22、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。 4 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。 如异相机、双驴
23、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,
24、抽油机技术发展的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。 5 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
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