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注塑机伺服节能改造

  注塑机工作原理  原定量泵(多为叶片泵)+ 异步(鼠笼式)电机的运行中,马达高速恒定持续运转,使油泵100%输出,当动作的速度越慢、动作的 时间越长、压力越大,潜在节能的幅度

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节能改造关注问答
1、

电机节能的方式有哪些?

选择合适的电动机容量

能够满足负载的需要,实现合理匹配。轻载和空载运行都会造成损耗相对高,运行效率低。同一台电动机拖动的负载,运行效率也是在变化的,不是固定不变的,随着负载大小的波动而在变化。

空载运行时间长的电动机安装自控装置为了减少空载时间内的电能损失,对于经常性空载的电动机,应安装空载自控装置。在空载运行一段时间后,能够自动切断电源,退出空载运行,恢复正常运行状态。

低负载率的电动机降压运行

三相异步电动机的铁损和铜损,与输入电压的大小直接有关。一般负载不变的情况下,降低输入电压可使铁损减少,铜损增加。但是这时轻载运行电动机的总损耗中,铁损要比铜损的作用大。因此,适当降低绕组电压运行的办法能使总的损耗下降,具有一定的现实意义。而实现这一措施,可以通过特别的电压自控装置来完成。

采用磁性槽泥实施电动机改造

采用磁性槽泥对电动机进行技术改造,是一种降低槽口磁阻的有效办法。也就是在竹制槽楔上,用磁性槽泥将槽口抹平。这对电动机及其所带负载均有利,系统具有节电作用。

三相异步电动机采用变频调速

三相异步电动机采用变频调速,可在低频起动时大大减少电动机的起动电流,从而实现节电目的。



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2、

电机的能耗等级分为几级,能效划分标准

电机的能耗等级分为几级,能效划分标准

电机是各种设备的动力驱动设备,常常应用在化工厂,煤矿,冶金,公用设施等多个行业和领域,是用电量最大的耗电机械。为了响应国家十二五计划,和企业自身经济利益考虑,节约用电,减少成本,选择一款高效节能电机是十分重要的。

但是我们在购买电机是却不知道他们的能效是如何划分的。那个如何判断电机的能效等级对我们来说就显得困难起来,不过经过我们下面的讲解,我们就会明白防爆电机的能效是如何划分了。

电机能效标准的划分标准在不同的时期按照国家的标准是不一样的,依据不同国家的标准也是不同的。仅以我们国家来说,电机能效等级的划分也是随着时间的变化会变化的。2006年我国发布了GB_18613-2006_电动机能效限定值及能效等级评定的标准。


GB_18613-2006_电动机能效限定值及能效等级

但是到了2012年,随着我国发展与国际化的同步,我们国家又发不了GB_18613-2012_电动机能效限定值及能效等级判断的标准,如下表


GB_18613-2012_电动机能效限定值及能效等级

我们不难看出在某些型号上会有下表的情况


就拿现在节能防爆电机YBX3来说,在GB_18613-2006_电动机能效限定值及能效标准中是一级能效,但到了GB_18613-2012_电动机能效限定值及能效等级标准中是二级能效。而YB2系列带电机在GB_18613-2006_电动机能效限定值及能效等级评定的标准中是二级能效类电机,但是按照2012的电机能耗划分标准,就属于三级能耗防爆电机了,属于高耗能电机。当然随着科技的发展,对防爆电机节能的要求的提高,能效标准可能还会变化的,不同时期判断方法的能效等级因此会不一样的。

现在我们以我们国家最新能效标准来说,目前按照GB_18613-2012_电动机能效限定值及能效等级划分标准要求,防爆电机的能效等级划分三级。其中一级能效是最节能的,二级能效防爆电机也是节能防爆电机,当然三级能效就不属于节能防爆电机了。当然在二级和二级以上的防爆电机(暂时一级能效三相异步防爆电动机国内还没有产品,YBX3是最佳选择)都是现在国家提倡使用的,有的地方国家会给予一定的政策补助。对于企业来说在节能用电上每年也会节约一大笔资金。



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3、

在安装电机及改向滚筒时测量筒体与机架侧壁的垂直度

当皮带存在“喇叭口”现象时,皮带两侧的松紧度不一致,沿宽度方向上所受的牵引力Fq也就不一致,这样就会使皮带附加一个向递减方向的移动力Fy,导致皮带向松边一侧跑偏。当调偏辊安装出现误差时,会使皮带向先接触辊筒的那一侧方向跑偏。皮带向前运行时给调偏辊一个向前的牵引力Fq,这个牵引力分解为使调偏辊转动的分力Fx和一个横向分力Fy,这个横向分力使调偏辊轴向窜动,但调偏辊是无法轴向窜动的,它就会对皮带产生一个反作用力Fa,使皮带向另一侧移动,从而导致了跑偏。

当皮带内织物纹路在加工中出现误差,造成纹路偏转,或驱动滚筒表面呈鼓型,但鼓型不对称,且车削纹向两端为同向,则皮带会因此发生跑偏。皮带跑偏的解决方案,输送机机架加工误差或电机、改向滚筒安装有误差造成的皮带跑偏,要在机架的设计及加工时保证尺寸准确,安装前测量机架的对角线尺寸,保证误差不大于2mm。在安装电机及改向滚筒时测量筒体与机架侧壁的垂直度,误差过大时可在安装处增加垫片等措施来减小皮带的跑偏程度。

当皮带存在“喇叭口”现象造成的跑偏,要在皮带检验时严把质量关,将一些尺寸误差加大的皮带剔除出去。如果是输送机运行时间过长造成的皮带老化变形、边缘磨损等原因而产生了“喇叭口”的现象,需要对改向滚筒张紧处或张紧辊筒进行调整,使得皮带两侧的松紧程度尽量一致,减缓皮带的跑偏。但是张紧里不宜调整过大,以影响皮带及输送机各滚筒轴承的寿命。



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4、

步进电机通过联轴器带动滚珠丝杠转动实现对试件的拉伸压缩

系统结构组成及工作原理电子式蠕变持久试验机主要用来完成材料拉压、蠕变、松弛、持久、周期性加载等力学试验,它主要由3个部分构成,分别为运动模块、测量模块和控制模块。运动模块主要由步进电机、联轴器、丝杠螺母以及横梁夹具等组成。其工作原理如下:步进电机通过联轴器带动滚珠丝杠转动,由丝杠螺母传动驱动横梁作直线运动,并利用夹具实现对试件的拉伸压缩。测量模块主要由位移传感器,力传感器、引伸计、放大器以及AD采集卡等构成。

步进电机多用于开环控制,但为了提高试验机精度,作者利用位移传感器对其进行位置闭环控制,用来对开环控制误差进行有效的校正与补偿。力传感器和引伸计分别用来测量拉伸过程中的作用力和变形量。

控制模块主要由上位机、电机控制卡和细分驱动器等组成。上位机将采集的数据进行实时处理后,给电机控制卡发送位置、速度和加速度指令;电机控制卡按照接收到的指令,产生相应的脉冲信号;细分驱动器依据产生的脉冲信号,使步进电机实现平稳运转。



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5、

电机与电力拖动在经济中的作用与发展趋势

在工农业中,国防事业和人们的日常生活中,电能是最重要的能源之一。电机在日常生活中起着重要作用,在电机中,电机碳刷,电机滑环是不可缺少的。与其他能源相比,电能具有转换经济、传输和分配容易、使用和控制方便等优点外。

自然界中不存在可以直接使用的电源,电能通常是由其他形式的能量转换而来的。其中将机械能转换为电能的装置就是发电机。

我们碳刷、滑环厂家以为电能的传输和分配离不开变压器。发电厂的碳刷质量十分重要,发电厂发出的电能通过电力网应能够实现远距离传输,一般碳刷发电机传输的电压为10-20KV,为了实现远距离传输、减少传输损耗,常用变压器将发电机发出的电压升高至110KV/220KV/330KV/500KV,甚至更高。

输送到用电地区后,要经过变压器将至用户能承受的数值,才能供用户使用。

电能的利用就是将电能转换为其他形式的能量。利用电动机将电能转换为机械能,拖动生产机械工作是电能利用的一个重要方面。用电动机拖动生产机械所组成的系统称为电力拖动系统。电力拖动系统具有以下几个优点:传动效率高、运行经济;电动机种类和规格繁多,具有良好的特性,能满足不同机械的需要;电力拖动系统操作和控制方便,能实现自动控制和远距离控制。

在现代工业企业中,几乎所有生产机械都是由电动机拖动的,如各种机床、生产线、风机、水泵等。可以毫不夸张的说,没有电动机、没有电力拖动技术,就没有现代化工业。

迄今为止,世界上几乎所有的电能是有同步发电机发出来的,发电机生产的大部分电能是通过电动机消耗的。因此,电机和电力拖动技术在国民经济中具有极其重要的作用。



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6、

变频电机轴电压与轴电流的产生机理分析


3.轴承模型与轴承电流的产生由于分布电容的存在和高频脉冲输入电压的激励作用,电机轴上形成耦合共模电压。事实上,轴电压的出现不仅与上面两个因素有关,且和轴承结构有着直接关系。转子前后端均由一个轴承支撑,其结构如图3所示。以其中一个轴承为例,轴承的滚道由内滚道与外滚道组成,当电机转动时,轴承中的滚珠被润滑油层包围,由于润滑油的绝缘作用,轴承滚道与滚珠之间形成电容,如图3b)所示。这两个电容在转子-定子回路中以串联形式存在(为便于分析,不考虑滚珠的阻抗),可以等效成一个电容cbi,i代表轴承中的第i个滚珠。对于整个轴承而言,各个滚珠与滚道之间的电容以并联形式存在。所以整个轴承内可以等效成一个电容cb。据对轴承的分析,轴承可用一个带有内部电感和电阻的开关来等效。当滚珠未与滚道接触时,开关断开,转子电压建立;当转子电压超过油膜门槛电压时,油膜击穿开关导通,转子电压迅速内放电,在轴承内形成较大放电电流。va、vb和vc为电机三相输入电压,l’、r’和c’为输入电压耦合到转子轴的等效集中参数,cg为crf和cb并联后的等效电容。当轴承滚珠和滚道接触或者轴承内油层被击穿时,cb不存在,此时cg仅代表转子轴对机壳的耦合电容。电容cb是一个多个变量的函数:cb(q,v,t,η,λ,λ,εr)[2]。其中q代表功率,v代表油膜运动速度,t代表温度,η代表润滑剂粘性,λ代表润滑剂添加剂,λ代表油层厚度,εr代表润滑剂介电常数。轴承电容cb与定子到转子耦合电容csr,比定子到机壳耦合电容csf和转子到机壳耦合电容crf小得多。这样一来,耦合到电机轴承上的电压便不至于过大,这是因为crf与cb并联后的电容比耦合回路中与之串联的csr大得多,而串联电容回路中,电容越大承受的电压反而越小。事实上,根据分布电容的特点,很大一部分共模电流是通过定子绕组与铁芯之间的耦合电容csf传到大地去的,因此轴承电流只是共模电流的一部分。从图4可看出,形成轴承电流有两种基本途径。一是由于分布电容的存在,定子绕组和轴承形成一个电压耦合回路,当绕组输入电压为高频pwm脉冲电压时,在这个耦合回路势必产生dv/dt电流,这个电流一部分经crf传到大地,另一部分经轴承电容cb传到大地,即形成所谓的dv/dt轴承电流,其大小与输入电压以及电机内分布参数有关。二是由于轴承电容的存在,电机轴上产生轴电压,当轴电压超过轴承油层的击穿电压时,轴承内外滚道相当于短路,从而在轴承上形成很大放电电流,即所谓的电火花加工(electricdischargemachining-edm)电流。另外,当电机在转动时,如果滚珠和滚道之间有接触,同样会在轴承上形成大的edm电流。为了定量edm及dv/dt电流对轴承的影响,轴承内的电流密度十分关键。建立电流密度需估计滚珠与滚道内表面的点接触区域。根据赫兹点接触理论(hertzianpointcontacttheory),轴承电气寿命可用如下公式求得[2]:eleclife(hrs)=(7)式中,代表轴承电流密度。一般而言,dv/dt电流对轴承寿命影响很小,而由edm产生的轴承电流密度很大,使得轴承寿命大大降低。另外,空载时轴承损坏程度反而比重载时大得多,这是因为重载时轴承接触面积增大,无形中减小了轴承电流密度。

4.轴电压与轴承电流的仿真分析为进一步讨论轴承电流与pwm逆变器输出电压特性以及电机端有无过电压之间的关系,本文对dv/dt电流与edm电流两种形式的轴承电流分别进行仿真分析,结果发现,轴承电流不仅与逆变器载波频率有关,且与逆变器输出脉冲电压的上升时间有关,同时当电机端出现过电压时轴承电流明显增加。先假定电缆长度为零,根据轴承电流的存在形式可知,dv/dt电流主要是由输入跳变电压引起,因此dv/dt电流大小与逆变器载波频率和电压上升时间有关。逆变器载波频率越高,一个正弦波周期内产生的dv/dt电流数量也就越多,但此时电流幅值不变。脉冲电压上升时间是影响dv/dt电流幅值的决定性因素,另外分布电容的大小也影响dv/dt电流幅值。而edm电流产生的直接原因是轴电压的存在,因此轴电压的大小决定了edm电流幅值,轴电压的大小决定于输入电压的大小及电机内分布电容的大小。虽然逆变器载波频率和脉冲电压上升时间都会影响轴电压的形状,但轴电压的峰值与二者都没有关系,因此edm电流与二者也没有本质的联系,这是edm电流与dv/dt电流最大区别之处。当然,edm电流还与轴承油层的击穿电压有关,击穿电压越高,产生的edm电流越大。为讨论方便,假设轴承击穿电压大于或等于轴电压。

4.1改变上升时间tr仿真得到不同上升时间的轴电压与轴承电流波形如图5所示,其中图a)和b)为轴电压波形,图c)和d)为轴承电流波形,电流波形中第一次出现振荡的为edm电流,其他为dv/dt电流。由分析可知,1)tr增大轴承电流减少,包括dv/dt电流与edm电流。尤其是dv/dt电流幅值减小十分明显,但tr对edm电流的影响不大,这主要是因为edm电流由轴电压以及轴承阻抗决定;2)当tr小于一定值(约为200ns)后,dv/dt电流甚至高于edm电流;3)改变上升时间对轴电压的影响不大;4)特殊现象:轴电压在电压击穿时出现两次振荡,tr不影响第一次振荡,但影响第二次振荡,且第二次振荡随着tr的上升而减少,其原因是轴承短路后定子绕组到转子的耦合路径依然存在,所以出现一个dv/dt电流振荡。

4.2改变耦合参数及轴承参数定子绕组对转子的耦合电容越大,轴电压越高,dv/dt电流与edm电流均增加;轴承电容减小,dv/dt电流减小;但edm电流基本不变,此时轴电压上升。其原因是:在共模电路中,轴电压是由定子绕组对转子铁心的电压耦合造成的,维持这一电压的存在靠轴承电容以及转子对机壳耦合电容。由于后两者并联,再与前者串联,因此轴电压按电容值进行分配,电容越大压降越小。一般情况下,轴承电容与转子对机壳耦合电容比定子绕组对转子耦合电容大得多。在只改变轴承电容的情况下,轴承电容越小,整个并联电容等效值下降,轴电压反而上升,由于轴承上的dv/dt电流与容抗及dv/dt成正比,在dv/dt不变时,容抗减小,dv/dt电流下降。仿真结果如图6所示。

5.抑制办法从前面的理论研究和仿真分析可以看出,电机轴承电流产生的一个主要原因是逆变器输出的高频脉冲具有过高的dv/dt前后沿,由此可知,抑制轴承电流的有效办法就是降低逆变器输出电压的dv/dt。但是,逆变器本身输出的脉冲电压上升时间是由功率器件的开关特性决定的,因此只能在逆变器输出端附加装置改变其输出电压的dv/dt。降低逆变器输出电压上升沿dv/dt的一个最直接的办法是在逆变器输出端串上大的电抗器,即可构成所谓的“正弦波滤波器”,逆变器输出的脉冲电压在经过大电抗器后成为完全的正弦波电压,这样便可以消除轴电压与轴承电流。但是这种办法的代价是电抗器的功率损耗大,体积大,造价高,在普通的变频调速系统中应用不是很合适。本文采用折中办法,在逆变器输出端串接电感值不大的电感以抑制电流的快速变化,同时在输出端线间设置rc电抗以吸收输出电压的高次谐波,这样可以适当降低输出脉冲电压上升沿的dv/dt值,达到抑制轴承电流的目的。逆变输出滤波器降低了电机输入脉冲电压的电压上升率,这样一来,电机内分布电容的电压耦合作用便会大大减弱,轴电压以及由此引起的edm电流都会下降,同时由于电压变化率引起的dv/dt电流也会明显减少,因此滤波器可以有效地抑制轴承电流的产生。图8给出了加入滤波器(未接地)前后的电机轴承电流仿真波形,其中,逆变器载波频率为5khz,脉冲电压上升时间为200ns,电缆长100m。从图中可以看出,无论edm电流还是dv/dt电流都明显减少。仿真中还发现,将滤波器接地,无论dv/dt电流还是edm电流相对不接地而言均显着减少,其原因是rc吸收高次谐波的作用更强,能够更好地改善电压波形。

6.在高频pwm脉冲输入下,电机内分布电容的电压耦合作用构成系统共模回路,从而引起轴电压与轴承电流问题。轴承电流主要以三种方式存在:dv/dt电流、edm电流和环路电流。轴电压的大小不仅与电机内各部分耦合电容参数有关,且与脉冲电压上升时间和幅值有关。本文着重讨论前两种方式的轴承电流。dv/dt电流主要与pwm的上升时间tr有关,tr越小dv/dt电流的幅值越大。逆变器载波频率越高,轴承电流中的dv/dt电流成分越多。edm电流出现存在一定的偶然性,只有当轴承润滑油层被击穿或者轴承内部发生接触才可能出现,其幅值主要取决于轴电压的大小。以降低脉冲电压上升率为原则,设计一种在逆变器输出端串小电感并辅以rc吸收网络达到抑制轴电压与轴承电流的目的,仿真结果验证了该方法的有效性。



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7、

低压智能电动机保护器的可靠性设计

针对低压智能电动机保护器在实际使用中遇到的各种电磁兼容问题,根据微处理器系统的特点从硬件和软件两个方面,提出了抗干扰方法,获得了良好的EMC性能。

1、引言

电动机作为一种拖动机械因具有结构简单、价格低廉、使用维护方便等优点,在国民经济各个方面被广泛采用。在当代,随着电子技术的发展和智能电动机保护器技术的成熟而普及率越来越高。

智能电动机保护器采用了微处理器技术,不仅解决了传统的热继整定粗糙、不能实现断相保护,重复性差、测量参数误差大的缺点。保护器通过电流来判断断相故障,软件模拟热积累过程的方法来实现过载保护等方法保证了电机的可靠运行,而微处理器强大的扩展性包括开关量输入、继电器输出,4~20mA变送输出、RS485通讯等很好的满足了控制系统的“四遥”功能。

电动机保护器提高了电动机运行的可靠性和系统智能化要求,因此保护器的可靠运行起着举足轻重的作用,同时也对保护器抗外界干扰提出了比较现实的要求。下面就从硬件和软件两个方面提出可靠性设计。

2、硬件可靠性设计

2.1微处理的选择

采用Freescale公司的高性能处理器MC9S08AW60。MC9S08AW60是Freescale公司一款基于S08内核的高度节能型处理器,是第一款认可用于汽车市场的微控制器。可应用在家电、汽车、工业控制等场合,具有业内最佳的EMC性能。

2.2电源端滤波处理

利用电磁原理进行硬件电路滤波是提高保护器EMC的有效方法。线路如下图,经热敏电阻t、压敏电阻RV1、电感L1、L2、差模电容C1、共模电感L3、共模电容C2、C3组成的两级滤波处理,很好的隔离了由于电源端的输入和输出干扰。PTC热敏电阻器的主要用于过流过热保护,直接串在负载电路中,在线路出现异常状况时,能够自动限制过电流或阻断电流,当故障排除后又恢复原态,俗称“万次保险丝”。根据线路的最大工作电流来确定选择。压敏电阻主要用于吸收各种操作浪涌及感应雷浪涌过压保护,以防止这类过电压干扰或损坏各种电路元件。根据设计经受的浪涌电压按照最大允许使用电压和通流容量来选择。其中,L1、L2、C1为抑制差模干扰,L3、C2、C3为抑制共模干扰。L1、L2铁芯应选择不易饱和的材料及M-F特性优良的材料。按照IEC-380安全技术指标推荐,图中元件参数的选择范围为:C1=0.1~2uF;C2、C3=2.2~33uF;L3为几个或几十毫亨,随工作电流不同而取不同的参数值。

按照下面公式计算C2、C3的容量:

Ii=2πfCyU

式中:Ii───允许的交流漏电流

f───电源频率;

U───电源供电电压;

上图为电源端是否使用滤波器,使用瑞士TRANSIENT2000电磁兼容测试仪1000V100KHZ0.75mS条件EFT群脉冲实验,从TEXtronixTDS1012B捕抓到的信号比较,未使用滤波处理的电源输出端产生了尖峰脉冲,会导致微处理器复位,甚至死机。

2.3信号端处理

谐波和电磁辐射干扰会导致保护器误动作,使电气仪表计量不准确,甚至无法正常工作。在电动机控制回路中产生该类干扰源为变频器和现场对讲机。解决的方法有:一是信号输入线胶合,胶合的双胶线能降低共模干扰,由于改变了导线电磁感应的磁通方向,使其感应互相抵消。二是内部线路处理。如下图,采用双差分输入的差动放大器,具有很高的共模抑制比。在输入回路中接RC滤波器、信号的输入和输出端使用专用器件、降低输入输出阻抗、可靠接地和合理的屏蔽等措施。

2.4保护输出端处理

输入输出端采用光电隔离的方法,也是可以消除共模干扰,同时在保护继电器的的输出端并接压敏电阻,有效的提高了继电器的寿命,也降低了由于外部接触器动作对内部的干扰。考虑到客户使用控制电压的不确定性和接触器线圈容量,确认使用MYG14D821。

2.5外部存储技术和看门狗保护电路

使用外置存储芯片X25043,SPI接口。微处理器内置SPI控制模块,方便的与该芯片接口,外部存储技术保证了运行状态和事件的记录。低电压复位和外部看门狗提高了保护器的可靠性。

2.6主体与显示单元通过RS485连接

考虑到使用环境的特殊性和要求的多样性,主体与显示单元之间连接也采用RS485Modbus-Rtu协议连接,提高了显示与控制的可靠性。

3、软件可靠性设计

3.1实时多任务的调度

保护器起着保护电动机的重任,对它的要求是既不能误动,也不能拒动,而且必须快速。实时多任务的调度实际是通过时间片的轮换实现宏观上的多任务效果。对于保护器而言,存在着三个重要的任务,等间隔的交流采样,根据算法得到稳态与暂态电量数据;根据得到的数据判断故障,故障计时、清零和脱扣输出;人机交互界面。下图以一个周波T=20mS,32点采样为例(考虑到快速除法),32次采样总时间为3.2mS,数据计算时间为9.72mS,计时0.36mS,则人机交互的时间为6.72mS。这样的任务调度即满足了保护实时性要求,又较快的响应了参数设置。

3.2交流采样、数字滤波

对于交流正弦信号,一个周期的电压有效值为

U=

根据电工原理中连续周期交流信号的有效值的定义,将连续信号离散化,用数值积分代替连续积分,从而得到有效值与采样值之间的关系。离散化得到

U≈

同理

I=

在对信号多次采样的基础上,通过软件算法提取最逼近真值的数据。这种算法计算连续的周期的交流信号,精度高,抗波形畸变能力强。在使用这种算法时,也可同时采用连续平均值法、中值算法等数字滤波,提高保护器的抗干扰能力。

3.3软件陷阱

程序是固化在微处理器的存储器中,由编译器统一安排,但设计时,设计人员考虑到产品的扩展性,一般留有余量,也因此总有些存储空间会未被使用。当微处理器的PC指针因为干扰被错置时,系统就会出错。软件陷阱就是在不用的存储空间、中断入口、子程序后加入强制跳转指令,让出错的PC指针恢复正常。

方法是:NOP

NOP

JSRMAIN

4、结束语

本文针对低压智能电动机保护器在实际使用中遇到的各种电磁兼容问题,根据微处理器系统的特点从硬件和软件两个方面,提出了抗干扰方法,获得了良好的EMC性能。



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8、

电力拖动的虚拟实验技术探讨

随着社会经济的发展,以及人们素质的普遍提高,社会对人们的要求也日益提高。但是由于种种方面的限制,诸如资金的不足,实践活动的缺乏等种种因素,导致实际操作能力与创新能力缺乏。而虚拟实验技术的引用能够大大缓解以上种种因素的限制。具体到电力拖动的虚拟实验技术当中,MATLAB等软件的运用,成为了虚拟实验开发与创新技术培养的全新方式。

1虚拟实验

1.1概述

虚拟实验是在计算机仿真基础上发展起来的一项应用技术。利用计算机的强大功能可虚拟仿真实际的物理系统。众多计算机仿真软件的不断被研发出来,并应用于科研技术设计之中,做出了极为巨大的贡献。PISPCE和MATLAB是当今较为常见的计算机仿真软件,其中MATLAB是虚拟实验的主要开发软件。

1.2优势

在如今大多电机课程实验设备条件下,运用直流电机作为调速对象,仅仅只能开出直流调速系统实验。传统实验虽然拥有众多优势,但是劣势也显而易见,诸如体积巨大,维护繁琐,故障频出,购置需要大量资金等。同时在培养方面也具有巨大局限,如容纳人数的数量方面受到限制,对实验计划和方案制定会提出很高的要求,容错率很低,难以满足人才培养的需求。因此,由于传统实验存在的种种不足,衬托出了虚拟实验多种优势。基于计算机平台上的虚拟实验技术将以上劣势化为优势,对仪器和设备几乎没有需求,同时节省资金和空间。

2具体运用

通过在计算机外接设备上的点击与拖动,将虚拟的各种仪器,按实验的目标与步骤整合成一个完整实验系统的过程,就是虚拟实验。而实验条件的变动,数据的收集汇总,实验结果的分析归纳三个方面全部完成,才意味着整个实验的达成。本文以带有RLC滤波器的交流电机变频调速实验作为实例,实验中包括电机、电力电子、驱动控制三个方面,分析虚拟实验的强大作用,并与传统实验进行比较。

2.1模型的建立

将电压源型逆变器、电动机主回路以及RLC滤波器通过使用MATLAB中PSB库中的元件模型完成建立。一般出现超过功率变换电路的情况,并产生多环节控制,多信号反馈,多非线性环节的特征,说明控制电路规模较大,需要大量运用集成电路。但是,基于对电路的控制,其输入输出特性是我们研究所要了解的主要目标,而其内部的电压与电流则是可有可无的旁枝末节,导致无法使用虚拟实验来进行电路的控制。所以想要实现仿真的方式,可以通过SIMULINK数学函数进行SPWM的调制电路模型的驱动控制。而右图即为所示。

2.2模型参数的构建

通过鼠标对元件图标的点击,在出现的参数设置对话框输入诸如电机的额定电压、功率、频率、转动惯量和定转子数据等各种必要参数。通过滤波效果进行滤波器的RLC参数的设计与运算。在接收变频调速的恒压频比所产生的调制信号之后,通过SPWM调制和驱动模块内部函数的计算,再与设计的三角载波进行比较。

2.3设置仿真模型

设置仿真参数是在仿真模型开始之前必须完成的步骤。包括对开始与终止的时间、步长以及解电路运算方式等仿真类型和相对与绝对的误差等方面进行设置。较快模拟速度的得出需要使用如ode23tb、ode15s这样的刚性系统的参数运算方式。同时,MATLAB软件参数锁设定的虚拟时间与现实的时间并不一致,只是一种对于时间流逝的表现手段。若是缩小步长,则会造成采样点数的增加,使得现实中的执行时间变长。

2.4实验成果观测验证参数设计以及电路结构是否合理,是虚拟实验的主要目标。而上述实验能够经过观测器观测电机速度的变化方式与电压的波形,并依靠给定频率的大小,在进行理论的分析之后,对结果的正确性进行判断。而下面两图中的前者是电机转速的变化图,后者则是在固定的载波频率与固定的调制频率之下的逆变器输出线电压幅度频谱。两张图示将谐波各次的大小、总谐波的有效值和基波有效值三个方面十分明了的展示出来。由于电机的运行效率和机器寿命受到谐波的影响,因此,为了减少电机受高次谐波损害,将RLC滤波器安装于电机与逆变器的中间成为了有效的解决方法。总谐波畸变率在经过RLC参数的设计与电机端电压频谱的观测之后可以保持在10%之下。

2.5实验结果总结

由上面的实验可以得知,作为旋转机械的电机设备,作为是大功率电力开关的逆变器设备等传统实验设备,存在损耗高、构建繁琐、危险性强、价格昂贵等种种弊端。因而既可以对已有系统展开研究又能对处于构想中的设备进行探索,虚拟实验展现了极为显着的优越性。比如上述实验中,在模型库中虽然并不存在满足观测要求的频谱分析仪,但是在运用MATLAB函数展开构建之后,使不可能成为了可能。而虚拟实验的自定义、自主性强的特点,成为了其另一个巨大的优势。同时,虚拟实验具有良好的通用性、与其他系统开展数据交换的便利性以及升级与扩展的成长性,使其在实验数据的分析处理方面显得极为高效迅速。

3结束语

虚拟实验的优越性,通过上文的分析与具体的实验体现的淋漓尽致。但是,十全十美的系统终归是不存在的,虚拟实验尽管在各个方面上都具有显着的优势,然而也无法取代传统实验。建立极为准确的数学模型,始终是虚拟实验仿真技术中的一个难关,各种限制会使之与实际情况产生差异,这也是传统实验存在的必要性体现。因此,只有现实实验与虚拟实验相互配合,才会使电力拖动等电子电路设计技术得以真正的进步与发展。



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9、

单台变频器拖动多台电机的可行性分析及改造策略

石油石化企业的生产强度比较大,一组电机会设置成多台互为备用,以确保电气系统安全可靠运行。但通常情况下整组电机仅设一台变频器用于拖动主电机,主备电机切换后,变频器不再对备用电机实施控制,整组电机便脱离变频调速系统,造成能源呆滞。本文基于经济学角度,通过分析调速控制系统的组成及工作原理,探索变频器“一带多”系统的经济性,可行性。最后阐述改造工程中采用单台变频器拖动多台电机运行时需注意的问题。

1变频器“一带多”的控制系统组成

变频器“一带多”调速控制系统主要包括三部分:信号采集及处理系统,负反馈闭环调速系统和自动检测切换控制系统。

现场环境可采集的信号有很多,诸如压力信号、温度信号、流量信号或液位信号等等。信号采集及处理系统即完成对就地信号的采集与处理,再通过相应的变送器以电流或电压信号传出,必要时为保证到达后续环节的信号质量需要加入信号隔离器。负反馈闭环调速系统是将整形好的信号传送至PID调节器,与设定值比较运算,得出的控制信号对变频器输出进行实时调节,使电机实现变频运行,实现闭环调速控制,进而更好的控制电机执行力。自动检测切换控制系统由可编程序控制器(PLC)及外围输入输出器件组成。系统上电,“手/自动”、“工/变频/检修”等操作命令及变送信号录入系统,核心元件开始依照指令自动扫描,运算,做出判断,遵循程序指标对主备电机实施自动切换控制,同时控制变频器的起动与停止。

2“一带多”变频调速控制系统的工作原理

2.1变频调速控制系统

PLC与变频器联合控制电机的转速及互换。如图1所示,PLC接收变送信号,将反馈得到的速度与给定的速度作比较,再经过高速技术模板运算,得出速度控制量,通过通讯总线将控制量传给变频器,变频器结合自身闭环控制作输出调整,输出信号驱动电机同时反馈PLC,实现调速控制。变频运行状态下主电机需要变频器供电,其他电机做工频运转或备用。如果变频供电电机停机,其相应信号采集处理单元切出系统。此时某台备用电机接到优先级高的变频指令,直接切到变频控制系统,实现变频调速供电,相应信号采集处理单元切入调节回路,参与闭环调速控制。当“工/变频/检修”切换开关处于“工频”或“检修”位置,变频调速控制将不被切入,电机始终处于工频运行或检修状态;当“手/自动”切至手动位置,可将负载与PLC、变频器全部脱开,直接实现工频运作。

2.2PLC工作原理

一旦PLC运行,运行期间重复执行输入采样、用户程序执行、输出刷新这3个阶段,如图2。输入采样阶段,PLC会依次对状态、数据进行扫描,存入相应I/O单元;采样输入结束,进入用户程序执行阶段,然后输出刷新。在这个周期性的运行过程中,数据发生变化,但执行过的单元数据信息不会变化。

2.3PLC与变频器之间通讯

PLC和变频器的通讯方式可以有USS,profibus-dp,MODBUS或PROFINET等多重选择。在此过程中,PLC为“主站”,变频器为“从站”,主站通过串行总线将不断刷新的控制命令传送给从站,从站接收命令后会调整控制输出,并将数据信息以报表形式回传送至主站,如此循环。

3变频器“一带多”的经济性

3.1直接效益

变频调速系统较高的调速精度和较宽的调速范围及“一带多”的控制方式,可以将每组控制回路总投资极大的节约,降低无功能耗的同时缩短资源回收期,以至寿命期内创造零成本经济效益。

3.2间接效益

1)变频调速控制系统可以改善因实际负荷与设计负荷偏离较大而造成的阀体前后压差大、润滑油温轴温高等现象,通过调整转速维持恒压等办法延长轴承、轴瓦的使用寿命。

2)PLC可以对电机实时监控,系统运行状况一步掌握,一旦出现异常现象可极早发现尽早解决,缩短检修时间,亦可避免因事故延迟造成不必要损失。

3)变频调速控制系统可实现主备电机自动切换,备用电机软启动,即便电机控制的流体里杂质较多容易堵塞与泄露,也不会产生大电流冲击电机,增加了电机使用年限。

4)变频器的保护功能齐全,PLC控制快速精确。对于正反转等特殊要求及启停较频繁的情况,两者实施联合保护可以进一步提升系统稳定性和可靠性。

4改造工程

4.1注意事项

变频器的“一拖一”已是成型技术,但在已经投产的装置上改造成“一带多”并非简单易事。首先是电缆走线,控制方案。因为多台电机会有不同的工况,调节参数、范围及控制要求。其次是控制柜安放地点设置。变频器体积及PLC控制柜需要满足电气相关标准。再次是系统总的配电容量。加装了变频器和控制柜,配电系统的供电容量是否可以满足使用要求。第四是电机本身性能是否可以在变频情况下启动,如绝缘等级、变压启动等。

4.2改造策略

本着改造工程量小,运行性能好,节能显着,投资回收期短等原则制定方案。

与电机匹配的变频器功率一定要选定稍高于或等于电机最大使用功率,且选型时等级也要选择高一些的,能满足装置与仪表配套,另外能够实行闭环控制的变频器。同时电机应用变频器时,由于电压变化率dv/dt增高,电机的绕组电压分布变得很不均匀,电机故障率增加,所以从长远经济效益上来讲,在采用变频器“一带多”的同时也要将较低的绝缘等级电机更换为绝缘等级高一些的电机,保证变频器的使用寿命同时保证电机的使用寿命。再者对电机实施必要的保护时,最好不要在变频器输出端应用熔断器,一旦一台电机出现故障,变频器会检测到输出缺相,然后报警停机,这样会将事故进一步扩大。当电机台数过多、线路太长的情况下,可增加输入输出电抗器等措施。另外需做好日常的维护工作。

5总结

采用变频器“一带多”调速控制系统可以将设备的使用寿命延长,将供配电系统的耗能降低,将电力系统安全经济性提升,但需要注意的事项也很多。夯实的理论基础,丰富的现场经验,严谨的工作态度可使变频调速控制系统运行出最完美的经济效益。



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