6ES7331-7KB02-0AB0详细说明

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1、引言

      传统的鼠笼式异步电动机起、制动控制方式一般有四种，即定子回路串电阻起动，y/△起动，自耦变压器起动和延边三角形起动；制动方式有三种，反接制动，能耗制动和电容制动，其中任何一种起、制动控制方式的实现通常由继电器-接触器控制系统来完成。下面就以定子回路串电阻降压起动和反接制动为例，分析由继电器-接触器实现的鼠笼式异步电动机的起、制动控制。

图1 继电器接触器控制系统

     如图1所示，此控制电路含三个接触器和一个中间继电器线圈，12个触点。起动时，km2、km3线圈均处于断开状态，按下起动按钮sb1，km1线圈通电并自锁，电动机串电阻减压起动。当电动机转速上升到某一定值时(此值为速度继电器ks1的整定值，可调节，如调至100r/min时动作)，速度继电器ks1的常开触点闭和，中间继电器ka通电并自锁，ka的常开触点接通接触器线圈km3，km3的主触点在主电路中短接定子电阻r，电动机转速上升至给定值时投入稳定运行。

     制动时，按下停机按钮sb2，km1线圈断电，其主触点断开三相电源；控制电路中常开触点断开，km3失电，限流电阻串入；常闭触点闭合，接通反接制动接触器km2，对调两相电源相序，电动机处于反接制动状态。当转速下降至某一定值时(比如100r/min)，ks1常开触点断开ka，继而断开km2，电动机失电，迅速停机。

     这种传统的继电器接触器控制方式控制逻辑清晰，采用机电合一的组合方式便于普通机类或电类技术人员维修，但由于使用的电气元件体积大、触点多、故障率大，因此，运行的可靠性较低。随着plc技术的发展，使用plc进行电机的运行控制已成为必然趋势。

      2、采用plc实现鼠笼式异步电动器起、制动控制

     可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，自60年代末，美国首先研制和使用可编程控制器以后，特别是日本和联邦德国也相继开发了各自的plc(programmablelogiccontroller)，因此，与传统的继电器接触器控制系统相比较，笔者认为采用plc实现鼠笼式异步电动机起制动控制是明智的选择。下面就是笔者设计的采用plc实现的鼠笼式异步电动机起制动控制电路的接线图、梯形图和指令程序，如图2和图3所示。

图2 plc控制的输入输出接线图

图3 plc控制的梯形图

     plc控制逻辑与传统的继电器接触器控制系统基本一致，其工作过程如下：

     起动时，按下起动按钮sb1,x400常开触点闭合，y430线圈接通并自锁，km1线圈接通，主触头吸合，电动机串入限流电阻r开始起动，同时y430的两对常开触点闭合，当电动机转速上升到某一定值时，ks1的常开触点闭合，x402常开触点闭合，m100线圈接通并自锁，m100的一对常开触点接通y432的线圈，km3线圈有电主触头吸合，短接起动电阻，电机转速上升至给定值时投入稳定运行。

     制动时，按下停机按钮sb2，x401常开触点断开y430线圈，使km1失电释放，而y430的常闭触点接通y431线圈，制动用的接触器km2线圈通电，对调两相电源的相序，电动机处于反接制动状态。与此同时，y430的常开触点断开y432的线圈，km3失电释放，串入电阻r限制制动电流。当电动机转速迅速下降至某一定值时，ks1常开触点断开，x402常开触点断开m100的线圈，m100的常开触点断开y431线圈，km2失电释放，电动机很快停下来。过载时，热继电器fr常开触点闭合，x403的两对常闭触点断开y430和m110的线圈，从而使km1或km2失电释放，起到过载保护作用。

  1 引言 

    在我国的国民经济的各行各业中，石油所起的作用越来越重要，石油、煤炭已成为我国国民经济发展的重要支柱。但是，我国的石油储量低，开采成本高，难度大，且多处于地质贫寒、盐碱度高的地带，石油的开采量已远不能适应社会发展的需要。因此降低生产成本，实现今年开采，已成为当务之急。
    经过对油田的考察与调研，实现节能的直接的手段就是采用变频调速控制。对于我国的石油机械，从我国的几大油田分析，其中传统的曲杆式磕头机所占的比例仍较大，其次潜油电泵也有相当的数量。
    在油田的输油系统中，大多采用高压输油泵技术。我们早与辽河油田联合开发的高压变频器，到现在已应用与大庆油田、胜利油田、中原油田、辽河油田及青海油田的高中低压变频器，将变频技术成功的应用与抽油设备及附属设施上，获得了较好的效果。现分几个方面介绍，以期得同行业的帮助与支持。

    2 曲杆式抽油机 

    2．1抽油机变频器

    曲杆式抽油机俗称磕头机，是利用曲杆的作用，靠动力的驱动，将油从1000m以下的井下带至地面。

    其工作过程为：用电机带动减速机，减速机带动皮带轮，皮带轮带动两个很重的钢之滑块，靠钢质滑块的旋转往复运动，依靠杠杆作用，将盛油器提上放下，而将油带出地面进入输油管道中或储油罐中，完成有抽油过程。

    由于油井情况复杂，油层又较深，含沙、结蜡情况严重，油量希稠不匀，在油井的前、中、后期就需要调节抽油量，在前期，油量充足，可让充程短一些，加大出油量，提高产量，而在中后期，井下油量不足时，可将充程调长一些，减少抽油量，缓冲泥沙对抽油杆的冲击。

    油田上原来的调节是靠调节皮带轮来调整充程的，这不但费时费力，有的单靠抽油工工都调节不了，更换皮带轮麻烦，更换后的充程也不一定合乎要求，需要反复调整，而且这种调节方式，电机转速不变，也浪费了电能。

    我们采用变频器对这种抽油方式进行了改造，调节充程时调节电机转速代替调节皮带轮，起到了比较号的效果。在前期井中，调高电机转速，甚至超过全速（50hz,一般调至65hz），使抽油量加大，提高产量；在中后期井中，降低电机转速，使充程满足工况要求，即可实现充程调节。这种方式简便易行，采油工只简单的调节一下变频器频率调节旋钮即可，而且实现了节能。在前期井中，提高产量也即意味着节能，低于50hz运行更可节约大量的能量。经实测，节电率在35％左右。

    但这类变频器有一个特殊的地方应注意，在抽油机提升油时由于杠杆的作用，相应的钢质滑块要下落，这期间电机将超过同步转速而发电，回送至变频器，使变频器的工作安全受到威胁，所以要加耗能环节，将该部分能量消耗掉。

    为使变频器故障时不耽误生产，可加工工频旁路，其应用示意图如图1所示。变频器运行时，开关c1和c2全部合闸，c3断开；变频器故障时c1和c2断开，c3合闸；变频器运行，c3和c1，c2联锁，不会发生合闸的情况。

图1 变频器外部接线图

    2．2中频加热电源

    在曲杆式抽油机中，有很多地质情况下油质稠，难于开采，于是就采取了一种措施，用空心杆进行电加热，将稠油变稀而利于开采。
    传统的加热方式式采用工频加热，其原理如图2所示。

图2 工频加热原理线路图

    将加热电缆放入空心杆中，空心杆放入油井中当加热电缆通电变热时，空心杆也变热，从而将井中附件的油加热变稀。

    这种加热方式一是需要专门的变压器，将380v的三相交流电变成单相500v的交流电，引起电网的不平衡，污染电网，加热效果也不好，常会由于加热电缆的损坏而造成工作不正常，甚至烧毁变压器。

    鉴于以上情况，我们与油田合作，研制了一种专门的电源对电缆进行加热，采用新型的变频技术，在中频状态下（大约500hz左右）加热，升温快，温度高，效果更好，而且可以节约电能，这就是中频加热电源。其工作如图3所示。

图3 工频加热原理接线图

    采用变频的原理，将50hz的三相交流电，变成频率为500hz，电压连续可调的中频电源，是比较容易的。后面接一中压变压器，起隔离机阻抗匹配的作用。利用单片机检测电网的变化、电缆负载的变化等。将对整个系
统的工作起到很好的保护作用。

    根据油田电网的实际，我们又开发了1140v的中压中频电源、这种电源已有近百台在油田上使用，提高了加热效果，节省了电能，得到用户的好评。与原来的工频相比较，节电可达33％以上。

    3 潜油电泵改造

    在一些油田，由于油层较深，含水量较大，一般油层在2-3km，采用普通的曲杆式抽油机，开采量小，且容易出问题，于是人们就采用像抽水的潜水泵抽水一样，将油提上来，这就是潜油电泵。
    潜油电泵由于潜油较深，电缆较长，一般采用中压输电而减小压降损耗，采用中压电机，一节泵潜油电泵采用1140v供电，两节泵潜油电泵采用2300v供电。

    原来的工频控制采用工频全压启动，用电机保护仪对电机进行保护，如图4所示。

图4 工频全压控制潜油电泵图

    由于采用全压启动，对电网冲击较大，电机所受扭矩较大，在油层含沙、结蜡的情况下，电机轴扭断的情况时有发生，而电压经过2-3km的电缆后，到电机侧将有150v左右的压降得不到补偿，因此时间长了电机也会被烧毁。一旦出现问题，将要花费很大的的财力（油田上称上作业）将电泵提上来进行更换、检修，电缆被提上、放下5次就将报废，所以损失惨重，需要进行改造。

　　由于变频器具有软启动功能，可进行软启动补偿等，故采用专用变频器对潜油电泵进行了改造。
    潜油电泵变频器已进行了多方面的介绍，由于电压的\特殊性，加之igbt模块的耐压有限，我们采用模块串联的方式，用三电平电路实现了1140v-2300v电压等级，研制出了潜油电泵专用变频器。采用低频补偿对启动不足加以补偿控制。用低频软启动，使电机启动平稳，较好的弥补了工频起动运行不足，而且采油工可根据油井含油量的多少调节电机转速，适应实际工况的需求，节约了电能，收到了较满意的效果。节电率可达到25％以上。变频改造的示意如图5所示。

图5 潜油电泵变频器控制接线图

    4 高压输油泵及注水泵 

    4．1输油泵

    输油泵是油库生产运行中主要的能耗设备。原来一般通过控制输油泵出口阀门的开度来调节油量，大量的能源消耗在泵出口阀前后。

    在设计初期，考虑到各种工况的需求，泵的设计裕量一般较大。在一般情况下，存在着“大马拉小车”的情况。据测算，输油泵出口阀门的节流损失大占额定功率的39％。可见能源的浪费是十分惊人的，其节能改造势在必行。

    辽河油田锦州采油厂欢三站采用我公司的高压变频器对一台6kv/335kw的输油泵进行了改造。根据流体力学特性，改变电机转速后，其泵所需的输入功率会大幅度的降低，从而达到了节能效果。根据现场运行情况，合理的调整变频器运行参数，其综合节电率可达37％。

    4．2注水泵

    在油田生产中，对某些油含量较少的井，采用注水方式进行输油，有的井油抽干后，为保持地质平衡，也需要进行注水。注水泵的应用在油田上也很普遍。
    由于应用环境的恶劣，一般采用高压电机，而其功率又比较大，加之工况不同，设计裕量较大，也存在“大马拉小车”的现象，能源浪费也很严重。

    我们在辽河油田锦州采用厂欢三站对两台注水泵进行了变频调速节能改造，一台是6kv/400kw一台是6kv/1800kw采用高压大功率变频器，安装运行一年多，工作正常，其综合节电率可达到46％。

    5 结束语 

    对抽油设备进行改造，是油田提高产量，节约电能的正确措施，变频器发挥了必将继续发挥更强大的作用。通过这几年的实践，我们已有了成功的经验。可以预计，在不远的将来，变频器的应用领域将会更为拓展，将会成为油田改造的好产品