一种DYP电压自适应超高效永磁电动机
技术领域
本实用新型涉及永磁电动机领域,尤其涉及一种DYP电压自适应超高效永磁电动机。
背景技术
永磁电动机的功率因数一般可达0.95以上,效率也比异步电机高4~5个百分点,但目前市面产品主要缺点启动电流太大,所以对电网的冲击较大。此外,许多厂家的产品容易退磁。一旦退磁,性能急剧变坏。第三个缺点是对电源电压非常敏感,如果电压变化5-10%,性能急剧变坏。第四个问题是对于温差较大的地区,例如新疆的吐哈油田,克拉玛依油田,夏天极热,地表温度高达70℃,冬天极寒,地表温度低至-35℃,磁钢磁性变化造成其空载反电势发生变化,也造成了性能急剧变坏。
实用新型内容
本实用新型提出了一种DYP电压自适应超高效永磁电动机。
为了实现上述目的,本实用新型采用了如下技术方案:
一种DYP电压自适应超高效永磁电动机,包括壳体,所述壳体内部设有若干绕组,且所述绕组分为三相,每相绕组线圈按相同比例引出多组中间抽头以及首端抽头、尾端抽头;每相绕组线圈引出抽头的导线长度、比例均相同,所述壳体中心设有安装旋转轴的旋转轴安装孔,所述壳体的一端固定有端盖,所述旋转轴穿出端盖,所述壳体上固定有用于固定控制盒的固定板,所述固定板上固定有控制盒,所述控制盒内设有总控制器,所述总控制器分别于有载无涌流切换单元和空载反电动势测量单元相互点连接,所述有载无涌流切换单元包括副控制器一,所述副控制器一与电压采集单元、空载反动势采集模块分别电连接,所述副控制器一还通过继电器与切换开关相电连接,所述空载反动势测量单元包括副控制器二,所述副控制器二分别于输入单元、断电控制单元、供电电压采集单元、供电电流采集单元、转速采集单元相互电连接,所述副控制器二还与电动机定子绕组侧开路电压采集单元相电连接。
进一步的,所述壳体下侧固定有两个呈八字形排列的底座。
进一步的,所述控制盒包括盒体,所述盒体底部上侧固定有用于固定显示单元的显示屏安装板,所述盒体底部中心固定有用于固定总控制器的CPU安装板,所述盒体底部固定有将盒体内部竖向分为两部分的隔板,所述隔板两侧分别固定有一整合板,所述整合板上固定有若干元件安装板。
进一步的,所述盒体上端设有盖体,所述盖体上设有透视口,所述盒体的四个角上各设有一个连接孔,所述盖体的四个角上也各设有一个连接孔,所述盒体的连接孔和所述盖体的连接孔通过螺栓固定在一起。
进一步的,所述副控制器一还与输入装置相电连接。
进一步的,所述输入装置包括键盘和控制按钮。
进一步的,所述总控制器还分别于存储单元和显示单元相电连接。
进一步的,所述继电器设有多个,且所述继电器的数量与切换开关相匹配并与之对应连接。
进一步的,所述电压采集模块用于实时采集永磁电动机在稳定运行下电源电压Uo。
进一步的,所述空载反电势采集模块用于获取的稀土同步电动机各功率档对应的空载反电势Un。
进一步的,所述转速采集单元包括传感器磁钢和霍尔元件的位置传感元件,所述传感器磁钢设于磁钢座中,所述磁钢座固定于伸出端盖外的旋转轴上,所述霍尔元件固定于端盖上。
有益之处:本实用新型采用特殊的永磁转子设计,使起动电流不超过同容量的异步电机,并使退磁磁场及各种发热部位远离永久磁铁;优质导磁材料、合理的磁路结构及制造工艺显著降低电动机损耗,更为重要的是,我公司技术团队成功实现了抽油机永磁电机空载反电势的在线、便利、精准测量。攻克了多档(多抽头)永磁电动机有载无涌流切换技术。成套装置集电机和控制于一体,从根本上解决了启动电流大、退磁与电压偏差以及气候恶劣的地区的极端温差导致油田永磁电机性能变坏这些普遍存在的问题。DYP电压自适应超高效永磁电动机能够确保在在电压偏差±10%Ue(U380线路为342-418伏;U660线路为564-726伏)范围内,气候恶劣的地区甚至年代久远永磁电机即使发生退磁都能维持高效的运行,使运行功率因数保持在0.97以上,节电率保持在20%以上。
附图说明
图1为本实用新型的主视结构示意图;
图2为本实用新型的左视结构示意图;
图3为本实用新型图1中壳体内部结构示意图;
图4为本实用新型中的控制盒的整体结构示意图;
图5为本实用新型中控制盒的盒体结构示意图;
图6为本实用新型中控制盒的盖体结构示意图;
图7为本实用新型绕组切换时电流、功率录波图;
图8为实用新型运行效果图;
图9为本实用新型转速采集单元的结构示意图;
图10为本实用新型图9中的传感器磁钢和磁钢座的结构示意图。
图中:1壳体,2端盖,3底座,4旋转轴,5固定板,6绕组,7旋转轴安装孔,8总控制器,9有载无涌流切换单元,10空载反电动势测量单元,11存储单元,12显示单元,13副控制器一,14电压采集模块,15继电器,16切换开关,17空载反动势采集模块,18输入装置,19副控制器二,20输入单元,21断电控制单元,22供电电压采集单元,23供电电流采集单元,24转速采集单元,25电动机定子绕组侧开路电压采集单元,26盒体,27连接孔,28CPU安装板,29隔板,30显示屏安装板,31整合板,32元件安装板,33盖体,34透视口,35磁钢座,36传感器磁钢,37霍尔元件。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图,对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。
在本实用新型的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本实用新型和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本实用新型的限制。
参照图1-4,一种DYP电压自适应超高效永磁电动机,包括壳体1,所述壳体1内部设有若干绕组6,且所述绕组6分为三相,每相绕组6线圈按相同比例引出多组中间抽头以及首端抽头、尾端抽头;每相绕组6线圈引出抽头的导线长度、比例均相同,所述壳体1中心设有安装旋转轴4的旋转轴安装孔7,所述壳体1的一端固定有端盖2,所述旋转轴4穿出端盖2,所述壳体1上固定有用于固定控制盒的固定板5,所述固定板5上固定有控制盒,所述控制盒内设有总控制器8,所述总控制器8分别于有载无涌流切换单元9和空载反电动势测量单元10相互点连接,所述有载无涌流切换单元9包括副控制器一13,所述副控制器一13与电压采集单元、空载反动势采集模块17分别电连接,所述副控制器一13还通过继电器15与切换开关16相电连接,所述空载反动势测量单元包括副控制器二19,所述副控制器二19分别于输入单元20、断电控制单元21、供电电压采集单元22、供电电流采集单元23、转速采集单元24相互电连接,所述副控制器二19还与电动机定子绕组侧开路电压采集单元25相电连接。所述壳体1下侧固定有两个呈八字形排列的底座3。参照图5-6,所述控制盒包括盒体26,所述盒体26底部上侧固定有用于固定显示单元12的显示屏安装板30,所述盒体26底部中心固定有用于固定总控制器8的CPU安装板28,所述盒体26底部固定有将盒体26内部竖向分为两部分的隔板29,所述隔板29两侧分别固定有一整合板31,所述整合板31上固定有若干元件安装板32。所述盒体26上端设有盖体33,所述盖体33上设有透视口34,所述盒体26的四个角上各设有一个连接孔27,所述盖体33的四个角上也各设有一个连接孔27,所述盒体26的连接孔27和所述盖体33的连接孔27通过螺栓固定在一起。所述副控制器一13还与输入装置18相电连接。所述输入装置18包括键盘和控制按钮。所述总控制器8还分别于存储单元11和显示单元12相电连接。所述继电器15设有多个,且所述继电器15的数量与切换开关16相匹配并与之对应连接。所述电压采集模块14用于实时采集永磁电动机在稳定运行下电源电压Uo。所述空载反电势采集模块用于获取的稀土同步电动机各功率档对应的空载反电势Un。所述转速采集单元24包括传感器磁钢36和霍尔元件37的位置传感元件,所述传感器磁钢36设于磁钢座35中,所述磁钢座35固定于伸出端盖2外的旋转轴4上,所述霍尔元件37固定于端盖2上,所述霍尔元件37的厚度为15mm。
本实用新型中在永磁电机定子的每相绕组6线圈,按相同比例引出多组中间抽头以及首端抽头、尾端抽头;每相绕组6线圈引出抽头的导线长度、比例均相同;在三相定子绕组6线圈中,三相定子绕组6的首端抽头或尾端抽头连接在一起形成中性点,三相绕组6线圈中,每相绕组6线圈按照相同比例引出的中间抽头组成一相对应中性点具有相同空载反电势的功率档,功率档包括:第一功率档X1、Y1、Z1,第二功率档X2、Y2、Z2,第三功率档X3、Y3、Z3,第N功率档Xn、Yn、Zn;
每个功率档设有用于切换该功率档通断的切换开关16,每个切换开关16分别与有载无涌流切换单元9连接,切换开关16用于根据有载无涌流切换单元9发出的控制信号,使三相绕组6线圈同比例递增或同比例递减,并对应产生多档对应空载反电势,形成多档功率永磁同步电动机;
有载无涌流切换单元9包括:副控制器一13,电压采集模块14,空载反电势采集模块,以及与切换开关16数量相匹配,并对应连接的多个继电器15,存储器;
电压采集模块14用于实时采集永磁电动机在稳定运行下电源电压Uo;
空载反电势采集模块用于获取的永磁电动机各功率档对应的空载反电势un;
继电器15与副控制器一13连接,副控制器一13用于实时将获取的永磁电动机稳定运行下的电源电压Uo与获取的永磁电动机各功率档对应的空载反电势un进行比较,获取与所述电源电压Uo的值相等的空载反电势ui对应的该永磁电动机功率档,并通过控制继电器15输出,控制切换开关16的通断,实现自动无电流冲击有载切换到多功率永磁同步电动机对应档位,确保供电电源电压和稀土永磁电机对应空载反电势达到最佳匹配,使稀土永磁电机运行时达到并一直保持较高的功率因数;存储器用于储存有载无涌流切换单元9的各项数据信息。
有载无涌流切换单元9还包括:按键、键盘和显示器;按键、键盘和显示器分别与副控制器一13电连接;按键用于手动控制切换开关16的通断,实现功率档的切换。
有载无涌流切换单元9还包括:电流采集模块、电能检测模块;电流采集模块用于实时采集永磁电动机在稳定运行下的电流;电能检测模块分别与电流采集模块、电压采集模块14和副控制器一13连接,电能检测模块用于分别接收电流采集模块和电压采集模块14采集的电流和电源电压,并根据接收的电流和电源电压计算出稀土同步电动机的运行功率及功率因数,并将计算的运行功率及功率因数传输给副控制器一13;副控制器一13采用atmega16单片机,副控制器一13设有44个I/O;切换开关16采用接触器或磁力开关。
电压采集模块14包括:第三电阻R3,第四电阻R4,第五电阻R5,第六电阻R6,第七电阻R7,第七电容C7;第四电阻R4与第五电阻R5组成串联电路,且第四电阻R4与第五电阻R5之间接地;第四电阻R4与第五电阻R5组成的串联电路第一端,第三电阻R3的第一端,第六电阻R6的第一端接电压采集模块14检测正极;第四电阻R4与第五电阻R5组成的串联电路第二端,第七电阻R7的第一端,第三电阻R3的第二端接电压采集模块14检测负极;第六电阻R6的第二端,第七电容C7的第一端接电压采集模块14输出正极,第七电阻R7的第二端,第七电容C7的第二端接电压采集模块14输出负极;
电能检测模块包括:CS5463单相电能芯片,晶振X2,第二电阻R2,第四电容C4,第五电容C5,第六电容C6;CS5463单相电能芯片的第九脚接电压采集模块14输出正极,第十脚接电压采集模块14输出负极;第十六脚接电流采集模块输出正极,第十五脚接电流采集模块输出负极,晶振X2两端分别与CS5463单相电能芯片的第一脚和第二十四脚连接;CS5463单相电能芯片的第三脚接通过第二电阻R2接电源,第四电容C4与第五电容C5并列,第四电容C4与第五电容C5并列的第一端接第二电阻R2和电源,第四电容C4与第五电容C5并列的第二端接地;CS5463单相电能芯片的第十一脚和第十二脚接地;
继电器15及外围电路包括:第四十二电阻R42,第四十三电阻R43,第四十四电阻R44,第四十五电阻R45,第二十七电容C27,第二十八电容C28,第二二极管D2,三极管Q1,动作线圈;动作线圈的一触点通过第四十二电阻R42接电源;动作线圈的二触点接有转换开关16,转换开关16在动作线圈的一触点和三触点之间转换;动作线圈的二触点分别连接副控制器一13的ADC脚以及通过第二十七电容C27接地;动作线圈的四触点和动作线圈的五触点之间连接有控制切换开关16的控制线圈;动作线圈的五触点,第二二极管D2负极端,第二十八电容C28第一端接电源;动作线圈的四触点,第二二极管D2正极端,第二十八电容C28第二端,三极管Q1集电极同时连接;三极管Q1发射极接地,三极管Q1基极通过第四十四电阻R44接副控制器一13的RELAY2脚,通过第四十五电阻R45接地;第二二极管D2具有反向保护作用。
有载无涌流切换单元9还包括:空载反电势预采集模块、启动电源电压计算模块;空载反电势预采集模块和启动电源电压计算模块分别与副控制器一13连接;电压采集模块14还用于采集稀土同步电动机启动前的供电电源的电压U;
载反电势预采集模块用于预先采集并存储永磁电动机各功率档对应的空载反电势un,其中,n表示永磁电动机第n个功率档,k表示该永磁电动机的功率档的个数;启动电源电压计算模块用于通过UL=U-△U计算启动电源电压,U为采集的电源电压,△U为预设的永磁电动机启动时的电源电压降,△U取1%U至10%U中任意一电压值;副控制器一13还用于将所述的UL分别与采集的永磁电动机空载反电势u1……un相减,之后对相减所得的各值分别取绝对值,得出绝对值最小的值对应的永磁电动机的空载反电势uj,控制永磁电动机以该空载反电势uj对应的功率档启动。
有载无涌流切换单元9还包括:电压采集时间间隔设置模块。
所述有载无涌流切换单元9的工作原理,包括:
步骤A1、预先采集并存储永磁电动机各功率档对应的空载反电势un,其中,n表示永磁电动机第n个功率档,k表示该永磁电动机的功率档的个数;
步骤A2、采集永磁电动机供电电源的电源电压U;
步骤A3、通过UL=U-△U计算启动电源电压,U为步骤A2中采集的电源电压,△U为预设的永磁电动机启动时的电源电压降,△U取1%U至10%U中任意一电压值;
步骤A4、将所述的UL分别与上述步骤A1中采集的永磁电动机空载反电势u1……un相减,之后对相减所得的各值分别取绝对值,得出绝对值最小的值对应的永磁电动机的空载反电势uj,控制永磁电动机以该空载反电势uj对应的功率档启动。
所述的稀土同步电动机自动有载无涌流切换方法还包括永磁电动机启动后的自动有载无涌流切换方法步骤包括:
S1:永磁获取当前存储的稀土电动机启动前各功率档对应的空载反电势un,其中,n表示永磁电动机第n个功率档,k表示该永磁电动机的功率档的个数;
S2:实时采集永磁电动机稳定运行下电源电压Uo;
S3:实时将通过步骤S2采集的永磁电动机当前稳定运行下的电源电压Uo与通过步骤S1获取的永磁电动机各功率档对应的空载反电势un进行比较,获取与所述电源电压Uo的值相等的空载反电势ui对应的该永磁电动机功率档,控制永磁电动机以该功率档运行。
在步骤A1中,所述永磁电动机各功率档对应的空载反电势un的预先采集方法为:将待安装永磁电动机采用反拖法设置永磁电动机各功率档的空载反电势,用同转速同步电机拖动被测试多功率永磁电动机在同步转速下空载运行,采集永磁电动机定子绕组6各功率档的感应电势,该感应电势为永磁电动机各功率档的空载反电势;
采用最小电流法设置永磁电动机各功率档的空载反电势,将待安装永磁电动机在额定电压,额定频率下空载运转达到稳定,调节电动机的外端加电压,使其空载电流最小,此时的外加端电压为永磁电动机的空载反电势,切换各功率档,采集各功率档的空载反电势。
所述永磁电动机启动后的自动有载无涌流切换方法还包括步骤:
S4、永磁电动机各功率档对应空载反电势un的刷新步骤;
该步骤S4包括:在每达到一定的时间间隔后,测量永磁电动机各功率档对应的当前的空载反电势;将预先采集并存储永磁电动机各功率档对应的空载反电势un与当前存储的各功率档空载反电势相比较,当出现至少一个功率档的空载反电势un与当前测量所得的相应功率档空载反电势不相等时,将当前测量的功率档空载反电势对应刷新为该功率档的空载反电势。
所述空载反电动势测量单元10的工作原理,包括:
步骤A,通过外界供电电源为待测永磁电动机供电;
步骤B,实时采集所述待测永磁电动机的转速n、以及该待测永磁电动机定子绕组6侧开路的电压;
步骤C,实时采集所述外界供电电源的供电电压与供电电流;
步骤D,依据上述采集的供电电压与供电电流,实时计算该待测永磁电动机的有功功率;
步骤E,基于上述计算出的有功功率,判定的行程状态;
步骤F,在判定处于下行程状态时,将当前计算出的有功功率PK分别与预先设定的功率阈值进行大小比较,且当判定当前计算出的有功功率PK与上述预先设定的功率阈值相等时,执行步骤G;
步骤G、停止为所述的待测永磁电动机供电,之后执行步骤H;
步骤H、将当前采集的所述待测永磁电动机的转速n与该待测永磁电动机的额定转速N进行比较,且当所述的n=N时,执行步骤I;
步骤I、记录当前采集的定子绕组6侧开路的电压,该电压即为所要测量的所述抽油机整机上的待测永磁电动机的空载反电动势。
此外,上述的预先设定的功率阈值的计算公式为
Pk=k1×k2×Pe,
其中,Pe为所述待测永磁电动机的额定功率;k1为所述整机的势能系数且0.3≤k1≤0.6,k2为所述待测永磁电动机的空载功率系数,且:
当P≤6时,k2=3.5%;
当8≤P≤10时,k2=4%;
当12≤P时,k2=4.5%;
其中所述的P为所述待测永磁电动机的极数。
此外,在上述步骤E中,所述的基于上述计算出的有功功率,判定的行程状态的方法为:记录实时采集所述外界供电电源的供电电压与供电电流的时间,建立基于所述计算出的该待测永磁电动机的有功功率与上述记录的时间的功率时间曲线;实时计算所建立的功率时间曲线的曲线斜率k,并将当前计算出的曲线斜率k与数值0进行大小比较;若比较结果为k>0,则判定当前处于上行程状态,否则判定当前处于下行程状态。其中的有功功率(记为PX)是瞬时值,在一个负载周期内,如果各PX沿采集时间轴上逐渐变大,在上述建立的有功功率与时间的曲线具有上升趋势,此时该有功功率与时间曲线的曲线斜率k>0,因此可判定当前处于上行程状态,否则可判定抽油机当前处于下行程状态。所述的下行程状态如图3中箭头所示的方向所示的行程状态。
此外,对于的行程状态的判定方法,本领域技术人员还可依据实际情况选取其他任意可行的方法进行实施,如直接通过比较相邻有功功率的数值大小的方式进行判定。
DYP电压自适应控制技术包括特别设计的三相多抽头定子绕组、空载反电势在线测量、多档(多抽头)有载无涌流切换等多项核心控制技术,可以延展应用到任何品牌任何结构的油田永磁电机上,其中三相多抽头定子绕组是把永磁电机定子的每相绕组线圈,按相同比例引出多组中间抽头以及首端抽头、尾端抽头;每相绕组线圈引出抽头的导线长度、比例均相同;形成多档(多抽头)定子绕组对应多档空载反电势,技术研究表明,抽油机永磁电机供电电压只有和空载反电势相对应的高效区间内运行,才能发挥其最佳性能,多档空载反电势就保证了在电压偏差±10%Ue(U380线路为342-418伏;U660线路为564-726伏)范围内,均有对应的高效运行区间。空载反电势在线测量可以对电机的退磁状态、恶劣气候对永磁电机的空载反电势作出即时的掌控,系统自动调整控制基准。多档(多抽头)有载无涌流切换,当外部电源电压变化时,自动跟踪,运用有载无涌流冲击切换技术,投入到对应绕组出线端,确保永磁电机始终运行于最优性能中,由于切换无涌流,不会永磁电机的性能产生丝毫损伤。
另外,DYP电压自适应控制技术配套的永磁电机即使发生退磁,依然能够确保在上述工况下始终运行于最优性能中,运行功率因数保持在0.97以上,节电率保持在20%以上。
本实用新型采用“傻瓜式”设计,模块化装置,控制器具备自检功能,能够引领故障导向,各功能单元拆装方便,一分钟拆换,且不改变油田现有的操作流程,视DYP电压自适应控制柜为“黑匣子”即可,对油田现场操控、维修维护人员无任何应用障碍。
以上所述,仅为本实用新型较佳的具体实施方式,但本实用新型的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内,根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。