无刷直流电机在抽油机节能中的应用研究

论文摘要

抽油机在石油行业中是用电量很大的工作机构,约占油田用电总量的40%左右。由于抽油机负载呈周期性波动,负载率又低,因此抽油机系统效率很低,据统计最高不超过30%,电能浪费严重,抽油机电机节能不仅意义重大而且迫切。本文根据抽油机用电机特点,分析了无刷直流电机用于抽油机的优势。总结了永磁无刷直流电动机的电磁方案设计原则,提出节能参数要求,根据设计原则并通过计算,得出一个22kW永磁无刷直流电机的电磁设计方案。文中应用ANSOFT外电路对设计的电机进行开环动态仿真,仿真分析了空载反电势、空载气隙磁密、转矩、电流、速度,验证了所设计电机达到设计要求。无刷直流电机会产生转矩波动,降低电机性能,增加能耗。转矩的波动可导致着功率的波动,对于电机的节能不利。本文针对抑制齿槽转矩方法中的辅助槽法,研究了辅助槽宽度、数目、辅助槽中心线夹角对该电机齿槽转矩的影响,仿真结果表明在该电机的齿部开两个辅助槽,槽口宽为1/3齿宽,辅助槽中心线夹角为4。时,齿槽转矩最小。在无刷直流电动机控制方面,提前导通下一只该导通的开关管,使原来处于弱磁区域的绕组电流转移一部分到处于磁密较高的下一相绕组中,该电流将产生补偿转矩,以减小转矩波动。本文通过设置外电路中开关管的导通宽度实现重叠换相,仿真分析表明该电机重叠换相角度为1.5。机械角度时,换相转矩脉动最小。将所设计无刷直流电机与一台抽油机用三相异步电动机进行参数对比,该电机可以使用更小的装机容量平稳运行,相比而言更具有节能优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 常见抽油机用节能电机简介
• 1.3 无刷直流电机用于抽油机的优越性
• 1.3.1 抽油机电机的选择
• 1.3.2 永磁无刷直流电机作为抽油机的优越性
• 1.4 本文主要内容
• 第2章 无刷直流电机基本理论
• 2.1 无刷直流电机的发展
• 2.2 无刷直流电机的研究现状
• 2.3 无刷直流电机的电机结构
• 2.3.1 电机本体结构
• 2.3.2 逆变器
• 2.3.3 转子位置传感器
• 2.3.4 控制器
• 2.4 无刷直流电机工作原理
• 2.5 无刷直流电机控制系统及调速方式
• 2.5.1 无刷直流电机控制系统
• 2.5.2 无刷直流电机调速方式
• 2.6 本章小结
• 第3章 抽油机用无刷直流电机电磁方案设计
• 3.1 抽油机用电机的参数要求
• 3.2 无刷直流电机主要尺寸的选取
• 3.3 电磁负荷的选取
• 3.4 气隙长度的选取
• 3.5 极数和槽数的选取
• 3.6 槽型尺寸的设计
• 3.7 极弧系数和绕组分布
• 3.8 充磁方式的选取
• 3.9 本章小结
• 第4章 抽油机用无刷直流电机建模与仿真
• 4.1 抽油机用无刷直流电机建模
• 4.1.1 ANSOFT简介
• 4.1.2 建模
• 4.2 抽油机用无刷直流电机仿真
• 4.2.1 静特性
• 4.2.2 空载反电势
• 4.2.3 开环状态仿真
• 4.3 本章小结
• 第5章 抽油机用无刷直流电机转矩脉动抑制
• 5.1 转矩脉动产生原因及影响
• 5.2 辅助槽法对齿槽转矩的抑制及仿真
• 5.2.1 无辅助槽的齿槽转矩
• 5.2.2 开一个辅助槽的齿槽转矩
• 5.2.3 开两个辅助槽的齿槽转矩
• 5.3 换相转矩脉动的抑制及仿真
• 5.3.1 换相过程中的电流
• 5.3.2 电机转速对换相的影响
• 5.3.3 换向对转矩的影响
• 5.3.4 重叠换相法对换相转矩脉动的抑制及仿真
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 同一台三相异步电动机的参数对比
• 6.2 本章小结
• 参考文献
• 致谢