节能电控设备的现状及发展趋势

长江大学机械工程学院节能电控设备的研究现状及发展趋势间抽控制器的特点及应用软起动及调压节能型电控装置的应用范围无功补偿节能型电控系统特点及应用超高转差率多速节能电动机及拖动装置的应用变频调速电机的节能特点及应用范围交流伺服系统电机的节能特点及应用永磁同步电机系统节能的特点及应用范围开关磁阻电机节能的特点及应用范围长江大学机械工程学院抽油机的设计能力是按照油井最大抽取量考虑的,一般留有采油能力的设计余量。另外,随着油井由浅入深的抽取,井中液面逐渐下降,泵的充满度越来越不足,直到最后发生空抽的现象。如果不加以控制,会浪费大量的电能。对于这种油井,最简单的方法是实行间抽,即:当油井出液量不足或发生空抽时,就关闭抽油机,等待井下液量蓄积;当液面超过一定深度时,再开启抽油机进行抽吸。这样提高了抽油机的工作效率且避免了大量电能的浪费。间抽控制的原始做法是派人定时到油井去开停抽油机,这种做法费工费时。间抽控制器已用于江苏、长庆、青海及大庆等油田一、间抽控制器的特点及应用长江大学机械工程学院1.1液面探测器如果能直接测出井中的液面,那么就可以用它来控制抽油机的运行。1.2流量传感器在井口通过流量传感器检测油井的出液量,是实现抽油机控制最直接,也是最有效的力一法。1.3电机电流传感器应当说,电机电流的检测是最方便、最可靠,也是最为廉价的方法。1.4抽油杆载荷传感器普遍采用的方法是通过特制的载荷传感器,对抽油杆的载荷进行检测。一、间抽控制器的特点及应用长江大学机械工程学院抽油机井智能间抽控制装置具有以下功能:􀀁1)根据抽油机井的出液情况和压力变化合理确定启停时间;2)防盗开关可以提供信号判断是否有偷油事件发生;3)实时监控油井生产的冲次及油压、流量、电流和液面的变化,保存并自动绘制曲线,且予以保留和远程传输;4)通过中间继电器控制接触器通断,实现对电动机的工作状态控制,在启动电动机或电动机缺相运行时,以声光方式报警,同时提供电动机缺项自动保护功;5)可读取、显示、保存和加载历史启停机数据,数据格式为电子表格,可读取和显示当前停机和启机时间;6)可实现数据远输:应用多个设备与数据中心的PC机构成分布式数据采集系统,各种信息数据被现场的DTU设备上传到数据中心,数据中心的命令也通过现场的DTU送达采集点。一、间抽控制器的特点及应用长江大学机械工程学院早期的控制是引入了定时钟,只需设定开、停机时间,便能自动地进行间抽控制。但仍然无法解决令抽油机的工作能力动态地响应油井负荷的变化,达到最佳节能控制的目的,同时还有可能影响油井的产量。为了解决上述问题,通过安装相关的传感器,精确感知油井负荷的动态变化,实现智能间抽控制(IPOC)。可采用各种不同的传感器达到节能控制的目的。小结：间抽控制器在低产油井上节能效果明显（超过50%）,同时因为其投资少、体积小,便于安装,因此对于“三低”油田推广应用的经济性很好。一、间抽控制器的特点及应用长江大学机械工程学院由于抽油机的功率档次有限,而每一口油井的参数都不一样,在选配抽油机时,不可能做到量身定做,刚好和抽油机的功率档次相匹配,一般均留有一定的功率余量。各型抽油机在配用电动机时,为了保证抽油机在各种工况下正常运行,也留有一定的功率余量。随着油井由浅入深的抽取,油井的产液量越来越少,抽油机的负荷也相应减小。由于上述原因,造成了抽油机的实际负载率普遍偏低,大部分抽油机的负载率在20～30%之间,最高也不会超过50%,形成了大马拉小车的现象。而当电动机处于轻载运行时,其效率和功率因数都较低,此时若适当调节电动机定子的端电压,使之与电动机的负载率合理匹配,这样就降低了电动机的励磁电流,从而降低电动机的铁耗和从电网吸收的无功功率,可以提高电动机的运行效率和功率因数,达到节能的目的。二、软起动及调压节能型电控装置的应用范围长江大学机械工程学院2.1电动机定子绕组星/三角转换降压节能由于低压电动机在正常工作时,定子三相绕组是接成“”接法后接入380V电网的,这样每相绕组承受380V的线电压,电动机可额定的输出机械功率。电动机的转矩是与电压的平方成正比的,当电动机轻载时(负载率33%,可以将电动机的绕组由“△”接法改成“Y”接法),使每相绕组只承受220V的电压,即为额定电压的0.574，电动机的转矩也就仅为额定转矩的三分之一。当负载率33%时,再将电动机绕组改为接法运行,否则会因电流过大而烧毁电动机。电动机在进行星/三角转换时会产生冲击电流。二、软起动及调压节能型电控装置的应用范围长江大学机械工程学院星形/三角形接法的实现一般采用交流接触器实现,也可以通过可控硅开关实现,两种方法在节能效果上并无多大差异,而转换控制电路转换时的负载率则会对节能效果产生较大的影响。当负载率β33%时,不能及时进行切换,会影响节能效果,而当负载率β33%时,不能及时进行切换,会使电流过大,铜耗增加,反而费电,同样影响节能效果。为了不使转换频繁进行,一般在转换点的负载率之间设置一定的回差,常采用负载率β30%时进行转换,而当β35%,进行转换。二、软起动及调压节能型电控装置的应用范围长江大学机械工程学院通过降压对电动机实现软起动的目的,一是减少起动时过大的冲击电流,二是减小全压起动时过大的机械冲击。那么在抽油机上使用降压软起动装置,其效果究意如何?由于电动机的转矩与所加电压的平方成正比,所加的电压降低了,电动机的转矩达不到负载的起动转矩时,电动机是转不起来的,而且电动机的堵转转矩一般小于额定转矩,降压对起动就更加不利了。当电压升到额定电压的70%时,电动机转矩只有额定转矩的50%,对于起动转矩超过50%额定转矩的负载,是转不起来的。只有当电压升高到电动机的转矩足以克服负载的静转矩时,电动机才能启动。因此星/三角起动器只适合起动转矩小于三分之一额定转矩的负载,一般的软起动器也只适合起动转矩小于50%额定转矩的负载,对于重载起动的负载就降低起动电流来说,软起动器也是无能为力的。二、软起动及调压节能型电控装置的应用范围长江大学机械工程学院上面的分析仅仅局限于对减小起动电流的讨论,对需重载起动的负载,虽然使用软起动器并不能达到减小起动电流的目的,当然更不能达到节省起动能量的作用;但是由于软起动器的电压是呈钭坡上升的,虽然在达到起动转矩前电动机并不旋转,但随着电动机轴上扭矩的不断增大,被拖动的负载是慢慢被加力的,所以用软起动器起动需重载起动的负载时,同样可以达到减小机械冲击的目的。因此,对于抽油机来讲,使用软起动器起动,不一定能达到减小冲击电流的目的,但可以达到减小起动时机械冲击的目的,还是有一定作用的。小结：对于负载率在30%以下的油井,采用星/三角转换控制的节能效果明显,且控制简单,投资少,具有一定的推广价值。二、软起动及调压节能型电控装置的应用范围长江大学机械工程学院2.2电动机可控硅软启动,调压节电可控硅软启动,调压节电控制框图如下图所示。由单片机控制改变串联在电动机定子主回路中的可控硅的导通角β,可以改变加在定子绕组上的端电压大小,从而起到调压节电的目的。二、软起动及调压节能型电控装置的应用范围长江大学机械工程学院其优点是可以动态跟踪电动机的功率因数或输入电功率,达到最佳节能效果。在负载突然增加时也可得到及时的响应,以免电动机堵转。可兼作电动机的软启动器,同时由于采用单片机控制,具有完善的保护功能。其缺点是造价较高,且由于可控硅的移相作用,会产生大量的谐波,对电网、电机以及通讯控制系统造成不良的影响,今后这类产品将因达不到电磁兼容标准而被限制使用。小结：可控硅软起动、调压节能,节省的只是电动机自身损耗的一部分,节能效益与其投资不成比例,且因为其产生大量谐波,对电网及电机均有影响,因此不宜推广。二、软起动及调压节能型电控装置的应用范围长江大学机械工程学院交流异步电动机的无功就地补偿就是将补偿电容器组直接与电动机并联运行,电动机启动和运行时所需的无功功率由电容器提供,有功功率则仍由电网提供,因而可以最大限度地减少拖动系统的无功功率需求,使整个供电线路的容量及能量损耗、导线截面、有色金属消耗量以及开关设备和变压器的容量都相应减小,提高供电质量。三、无功补偿节能型电控系统特点及应用长江大学机械工程学院无功就地补偿只对长期空载或轻载运行的电动机有用,对于重载运行的电动机,因为其本身功率因数较高,没有补偿的必要。由于抽油机大部分处于轻载运行状况,且由于其具有分散性,低压输电线路较长,本身功率因数又偏低,无功就地补偿的效果较好。对于抽油机这样的负载,由于负载频繁变化,没有必要采用自动投切的电容器组补偿,因为这样会增加成本,降低可靠性,是得不偿失的。只要根据电机容量及平均负载率,选配一只适当容量的电容器进行固定补偿就行了,这样既经济又实用。三、无功补偿节能型电控系统特点及应用长江大学机械工程学院4.1作为节能措施的应用作为节能措施的应用抽油机由于其特殊的运行要求,所匹配的拖动装置必须同时满足三个最大的要求,即最大冲程、最大冲次、最大允许挂重。另外还需具有足够的堵转转矩,以克服抽油机启动时严重的静态不平衡。因此往往抽油机在设计时确定的安装容量裕度较大,世纪80年代中期分别引进国外超高转差电动机(CJT)和超高转差多极电动机(CDJT)技术,对抽油机拖动装置进行了大量科学实验、测试和分析,证明抽油机匹配CDJT节能拖动装置具有显著的节能效果。四、超高转差率多速节能电动机及拖动装置的应用长江大学机械工程学院降低抽油机拖动装置的安装容量裕量就是一种节能的体现,功率匹配变化如下表所示,所匹配功率下降,其对应的额定电流相应下降。网络、电机绕组的铜耗与电流平方成正比,电流的下降自然会带来损耗的降低,从而达到节能的目的。四、超高转差率多速节能电动机及拖动装置的应用抽油机型号6型10型12型14型原匹配电动机Y200L1-618.5KWY250M-630KWY280M-855KWY315M1-875KW替换电机CJT-616KWCJT-10A22KWCJT-12A45KWCJT-1455KW功率下降率（%）13.526.718.226.7电流下降率（%）1026.31518.8长江大学机械工程学院四、超高转差率多速节能电动机及拖动装置的应用4.1.1节能原理简介由超高转差率电机和节能控制箱组成的抽油机节能拖动装置,电机和控制箱可根据要求做成分体或连体式,专门设计制造用于游梁式抽油机。超高转差率电机具有软的机械特性,较低的启动电流,较高的启动转矩;节能控制箱具有过热、过载、缺相等保护功能及功率因数补偿。长江大学机械工程学院4.1.2超高转差率电机的优点a)超高转差率电机在抽油机一个冲次内的速度变化较大,充分利用系统的动能均衡作用可使减速箱最大净扭矩降低40%,最小扭矩有所增加,扭矩变化范围小,扭矩曲线趋于平坦,如图1。减轻了齿轮的疲劳破坏,减少了减速器齿轮的事故。四、超高转差率多速节能电动机及拖动装置的应用长江大学机械工程学院b)超高转差率电机的软特性改变了光杆运行速度的规律,使光杆在重载荷期间基本上呈匀速运行状态,此时加速度趋于0,如图2。所以抽油杆r的最大应力和应力变化范围减小,减轻了疲劳和断脱。四、超高转差率多速节能电动机及拖动装置的应用长江大学机械工程学院c)若油井液量增加,使用超高转差率电机,在相同工况下,抽油机最大载荷和载荷变化范围减小,抽油杆和油管的弹性变形减小,冲程终端的加速度使泵产生超位移效应,使泵的有效冲程增加,泵效得到提高,相同冲次下增加产液量5%~10%。d)超高转差率电机的启动扭矩大、启动电流小，降低装机功率，使电机的固定损耗(铁损、机械损)降低。e)由于抽油机的轻载荷运行时间远多于重载荷运行时间,超高转差率电机的高效区设计在轻载荷区。虽然超高转差率电机的额定效率低,但其平均效率较普通电机高得多,如图3。四、超高转差率多速节能电动机及拖动装置的应用长江大学机械工程学院f)使用普通电机,抽油机在接近上下死点时,拖动电机超过同步转速运行而进入发电状态,变电能反馈给电网,增加了系统损耗。采用超高差率电机则可消除发