游梁式抽油机变频节能装置研究.doc

目 录 独创性声明 i 中文摘要 ii 英文摘要 iii 目 录 v 第1章 前 言 1 1.1课题研究背景 1 1.1.1 游梁式抽油机的节能问题 1 1.1.2 游梁式抽油机效率低下的原因 2 1.1.3 抽油机节能改造方法 4 1.1.4 变频器调速的优点 5 1.2 课题研究的意义及国内外现状分析 6 1.2.1 课题研究的意义 6 1.2.2 国内外交流调速现状 7 1.2.3 抽油机变频控制器应用中存在的问题 9 1.3 本课题的研究内容 9 第2章 异步电动机的变频调速 11 2.1 恒压频比控制方式 11 2.2 正弦波脉宽调制技术 15 2.2.1 正弦波脉宽调制法基本原理 15 2.2.2 SPWM波形的基波电压 16 2.2.3 SPWM波形的生成方法 18 2.4 同步调制与异步调制 22 2.5 SPWM波形的谐波特性 23 2.6 本章小结 26 第3章 变频调速系统的硬件设计 27 3.1 SPWM变压变频调速系统构成 27 3.2 系统主电路的设计 28 3.2.1 整流电路的设计 29 3.2.2 中间滤波电路的设计 30 3.2.3 逆变电路的设计及IPM模块的选择 30 3.3 智能功率模块(IPM)PM50RLA120的功能及特点 31 3.3.1 PM50RLA120的特性 31 3.3.2 PM50RLA120的内部结构 31 3.3.3 IPM控制信号的输入 32 3.3.4 IPM驱动电路的设计 33 3.3.5 IPM保护电路的设计 34 3.4 控制系统的设计 36 3.4.1 80C196MC简介 37 3.4.2 SPWM波形信号的生成 41 3.4.3 控制系统的硬件结构 44 3.4.4 键盘/显示电路 46 3.5 本章小结 48 第4章 故障检测和保护电路的设计 49 4.1 过压保护电路 49 4.2 限流起动电路 51 4.3 泵升电路设计 53 4.4 过流保护电路 54 4.5 过热保护电路 56 4.6 欠压保护电路 57 4.7 本章小结 58 第5章 变频调速系统的软件设计 59 5.1 SPWM波形产生的有关计算 59 5.2 软件流程 63 5.3 本章小结 69 第6章 系统仿真与实验 70 6.1 MATLAB软件 70 6.1.1 MATLAB的特点 70 6.1.2 仿真工具SIMULINK的特点 70 6.2 变频系统仿真模型的建立 71 6.3 仿真结果及分析 71 6.4 实验结果及分析 74 6.5 本章小结 75 第7章 结 论 76 主要符号表 78 参考文献 80 附 录 83 致 谢 88 个人简历、在学期间的研究成果 89 第1章 前 言 1.1课题研究背景 1.1.1 游梁式抽油机的节能问题 常规游梁式抽油机具有结构简单、制造容易、可靠性高、耐久性好、维修方便、适应现场工况等优点，在采油机械中占有举足轻重的地位。油田机械采油中，抽油机井占总井数的82.1%。我国已有近5万台抽油机，抽油机井的耗电量占油田总耗电量的四分之一。 但是由于抽油机本身的结构特征，决定了它平衡效果差，曲柄净扭矩脉动大，存在负扭矩、载荷率低、工作效率低和能耗大等缺点。抽油机带负载启动时，启动转矩和启动电流大，会对电动机和抽油机造成很大的冲击。此外，抽油机的载荷是带有冲击性的交变载荷，为了保证足够大的启动转矩，使电动机稳定运行并具有一定过载能力，不得不按抽油机的最大扭矩来选配电动机。而抽油机正常运行所需的平均功率并不大，这导致抽油机电机正常运行时负荷率很低，一般在20%左右，负荷率高的也不过才30%，普遍存在“大马拉小车”的现象[1,2]。它所带来的新问题是当抽油机排量过剩时，抽油机的运行会出现无功抽取，出现空抽或泵空状态，伴随泵空还会产生井喷、气锁等事故，而井喷、气锁又是导致钻具组、泵装置甚至地面设备损坏的主要原因。另外，由于过度的不间断运行，机械设备的损耗也相应上升，造成传统抽油机成本高，噪音大，运行可靠性低[3]。 传统油梁式抽油机电机的直接起动时起动电流为额定电流的6～8倍，对电网冲击很大且快速耗电。在采油成本中，抽油机电费占30%左右，年耗电量占油田总耗电量的20%～81.4%～88.5%～α(或时间t)的关系如图1-1所示。 图1-1 抽油机稳定工作状态下M、P和I与α的关系 这时游梁式抽油机实际需要功率为： (1-1) 或 (1-2) 按上述计算功率选用的电动机，其输入功率P1应等于P2/η2(η2为选定的电动机在输出功率为P2时的效率)。 游梁式抽油机工作时，施加给电动机的不