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节能改造关注问答
1、

直流电机的基本结构

直流电机的基本结构:

定子和转子两个部分

定子作用:产生主磁场和在机械上支撑电机。

定子组成:主磁极、换向极、机座、端盖和轴承等。


直流电动机的主要结构

1.主磁极

主磁极包括主磁极铁心和套在上面的励磁绕组,其主要任务是产生主磁场。磁极下面扩大的部分称为极掌,它的作用是使通过空气中的磁通分布最为合适,并使励磁绕组能牢固地固定在铁心上。磁极是磁路的一部分,采用1.0-1.5mm的钢片叠压制成。励磁绕组用绝缘铜线绕成。

2.换向极

换向极用来改善电枢电流的换向性能。它也是由铁心和绕组构成的,用螺杆固定在定子的两个主磁极的中间。

3.机座

机座一方面用来固定主磁极,换向极和端盖等,并作整个电机的支架用地脚螺钉将电机固定在基础上,另一方面也是电机磁路地一部分,故用铸钢或者是钢板压成。

4.电枢铁心

电枢铁心是主磁极地一部分,用硅钢片叠成,呈圆柱形,表面冲了槽,槽内嵌放电枢绕组。为了加强铁心的冷却,电枢铁心上有轴向通风孔,如图示。

5.电枢绕组

电枢绕组示直流电机产生感应电势及电磁转距以实现能量转换的关键部分。绕组一般由铜线绕成,包上绝缘后嵌入电枢铁心的槽中,为了防止离心力将绕组甩出槽外,用槽楔将绕组导体楔在槽内。

6.换向器

换向器的作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电动势转换成电刷间的直流电动势。对电动机而言,则是将外加的直流电流转换成电枢绕组的交流直流,并保证每一磁极下,电枢导体的电流方向不变,以产生恒定的电磁转距。换向器由很多彼此绝缘的铜片组合而成,这些铜片称为换向片,每个换向片都和电枢绕组连接。如图示的是换向器的结构图。

换向器是直流电动机的结构特征,易于识别。



7.电刷装置

电刷装置包括电刷及电刷座,它们固定在定子上,其电刷与换向器保持滑动接触,以便将电枢绕组和外电流接通。



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2、

电机能效提升的意义 节能推广分析及建议

中国中小型电机行业政策从国家层面主要就是推广节能高效电机。节能高效电机与普通电机相比,损耗平均下降20%、效率提高2%-7%;超高效电机则比节能高效电机效率平均再提高2%。电机系统节能对推行节能降耗战略的国策影响巨大。

为适应国民经济的发展要求,我国大力推广高效节能电机。高效节能电机是指通用标准型电动机具有高效率的电机。高效节能电机采用新型电机设计、新工艺及新材料,通过降低电磁能、热能和机械能的损耗,提高输出效率。

电机能效提升意义

业内人士指出,长期以来,我国电机寿命平均比国外低3%到5%,运行系统效率比国外低10%到20%。而在2013年中国电机保有量大约17亿千瓦,总耗电量为3万亿千瓦时,占全社会用电总量的64%、工业用电的75%。“如果电机系统的效率提高5%到8%,每年节约的电相当于两到三个三峡大坝的发电量。”中国节能协会常务副理事长王秦平称,超高效电动机的研发和生产,是提高电机系统效能的重要基础,铜转子电动机这种代表世界最高水平的电动机组建,将有利促进中国电动机能效的提升。

但国内高效电机标准未强制实施之时,企业认可度不高。美国2011年就已经强制执行IE3(效率等级),中国目前在强制推IE2标准。据魏华钧介绍,原来计划2015年推IE3标准,但国内电机行业没作好准备,个别企业没做到,多数企业做不到,所以推迟到2016年,比美国落后5年。

高效电机节能分析

为准确测试高效电机与普通电机的节能效果,有机构做过试验。选择了某电机生产企业YE3-160M1-2型号电动机与该企业早期生产的同规格Y160M1-2型号电动机分别在50%及75%负载率下进行了对比试验。

——试验数据说明

电机处于50%负载率运行时,Y160M1-2输出功率为5522.3W,YE3-160M1-2输出功率为5524.1W,可以等同认为在同一负载率下运行,其输入功率分别为6715.0W、6392.0W,转速分别为2965.4rpm、2976.7rpm。

电机处于75%负载率运行时,Y160M1-2输出功率为8284.6W,YE3-160M1-2输出功率为8265.0W,可以等同认为在同一负载率下运行,其输入功率分别为9679.0W、9270.0W,转速分别为2949.3rpm、2964.1rpm。

——节能效果分析

电动机处于50%负载率运行时,Y160M1-2电机效率为82.24%,YE3-160M1-2电机效率为86.42%,效率提高4.18个百分点;电动机处于75%负载率运行时,Y160M1-2电机效率为85.59%,YE3-160M1-2电机效率为89.16%,效率提高3.57个百分点。从现场测试效果来看,节能效果明显。

高效电机推广难题

1.对高效节能电机替代普通电机的认识不到位

电机作为拖动设备的动力装置,在大多数运行环境下,对其运行参数的要求不高,也不属于易损设备,很多上世纪六十年代生产的J系列电动机仍然在很多企业中正常运转。在市场经济下,有些企业目光短视,缩减成本进行采购,这与高效电机价格较高成了一对矛盾。只要能电机保证生产正常运行,大部分企业一般不会拿出额外的投资来更换电机,当然也更不会拿出超出普通电机很多的投资来更换高效电机,这是高效电机推广困难的主要因素。另外,信息不对称、观念错位、市场不规范、节能意识不强等也成为高效电机在我国推广的障碍。

2.对高效节能电机节能效果认知度不够

部分用能企业更换高效节能电机后反映,其用电量与原低效电机节能相比,节能效果并不明显,对高效电机节能率3-5%存在质疑。笔者以为,同等输出功率的更高一级能效电机的转差会减少20%-30%,转速比普通电机高10转以上,其拖动设备运行状态发生了一定改变,而对于大多数的用电设备,其电力消耗与转速的三次方成比例关系,例如,增加2%的运行速度将会造成增加8%的电力消耗,这就很容易抵消更换高效电机所预期的节能量。节能效果只考虑耗能,不考虑出力增加,是统计节能量偏小的重要因素。

3.高效电机价格偏高

高效电机从设计、材料和工艺上都采用了先进的技术措施,例如采用新型材料、合理的定转子槽数、风扇参数和正弦绕组等,来降低损耗,因此高效电机生产成本比普通电机高10-20%左右,有的甚至高50%,导致许多用户产生“节能不节钱”的观念。

4.电机销售模式决定高效电机推广困难重重

据有关资料显示,电机销售面向的三类客户其产品用量所占比分别为:终端用户占5%,代理商约占15%,下游产业的机械设备配套商占80%。由于由此可见,高效电机能否最终被市场接受,机械设备配套商的态度最为关键。由于大多数机械设备配套商并不是最终使用者,他们更多的是考虑如何节省一次性投入,提高自己终端产品在竞标中的价格优势,关注价格多于关注效率,缺乏主动采购高效电机的动力,而终端用户又没有决定采用高效电机的权力,这是高效电机推广的重要瓶颈。

5.电机系统节能技术改造合同能源管理项目推行困难

合同能源管理作为近几年兴起的一种市场化节能机制,对于促进企业提升能源利用效率发挥了积极作用。由于电机系统节能改造项目投资较大、节能量统计计量困难、回收期长等因素,有些节能服务公司仅仅以高效电机与普通电机的节电率来核算其回收期,不愿意开展电机系统技术改造的项目。

高效电机推广建议

据了解,未来工信部将充分利用财政补贴政策拉动高效电机市场。一方面,落实好节能产品惠民工程高效电机推广财政补贴政策;另一方面,逐步把选用高效电机作为高效风机、泵、压缩机等通用设备入围节能产品惠民工程的必要条件,延伸财政补助推广高效电机的产业链"。

高效节能电机采用新型电机设计、新工艺及新材料,通过降低电磁能、热能和机械能的损耗,提高输出效率,已经有比较成熟的技术,也就是说企业基本都能生产。然而,电机能效提升计划并未能如期完成。其中原因是长远利益和眼前利益的矛盾、短期投入和产出的矛盾、改革创新和因循守旧的对立,以及企业改革导致短期经济利益失衡的现实。但是中国改革开放的收获和经验告诉我们,革新一定是正确的。

产业前沿建议,综合工业先进国家和中国自己的实践经验,应该从这几个方面加大力度执行电机能效提升进程:第一,强制法规约束、奖惩分明、责任到位;第二,对经济(工业)发达地区提出更高的要求和执行目标;第三,加大财政补贴力度、重点企业重点补贴、超额企业额外补贴;第四、分类批量改造或建设全高效节能电机应用(试点)企业、变试点企业为标杆企业;第五,研究降低高效电机的生产成本;第六,尽量要求高标准甚至超标准,比如选择稀土永磁钕铁硼电机等。

2015年7月,工信部官员再度提出电机能效提升工作的重要性和紧迫性,要将这项工作作为当前乃至“十三五”工业节能减排领域的重要任务,并纳入工业绿色发展专项行动,下一步的重点方向是按照行业和领域用市场化的机制推进电机系统节能。



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3、

电机拖动


电机拖动装置由电动机及其自动控制装置组成。自动控制装置通过对电动机起动、制动的控制,对电动机转速调节的控制,对电动机转矩的控制以及对某些物理参量按一定规律变化的控制等,可实现对机械设备的自动化控制及减少能耗。电机拖动包括卷扬机、行车、机床等。


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4、

用单片机产生矩形波经放大电路放大后驱动电机

采煤机再制造工艺实践工作为今后采煤机的再制造以及煤机装备的循环利用打下了坚实的基础。控制模块设计与分析,硬件控制模块设计采用N沟道MOS管IRF540驱动,该电路功耗小,驱动能力较好,成本较低,在PWM输出端与驱动端之间加入了光电耦合器,使控制电路与驱动电路隔离,有效保护了控制装置。

PWM输出模块PWM相对线性控制具有节能、易控制、提高电机运行效率的特点,采用PWM电路控制电机。用单片机产生矩形波,经放大电路放大后驱动电机。该方案优点是不需要另搭外围电路,通过编程即可改变输出矩形波占空比,从而控制电机。PWM产生及占空比控制,使用单片机产生PWM时,本文先后采用了两种方法,一种是编写延时由直接输出,另一种是使用定时器,通过周期延拓的方式输出PWM波。但是IO口直接输出的方式在控制占空比时不够精确,因此而采用键盘控制时,使用了外部中断来控制占空比。

使用了三个独立键盘,分别控制占空比增加、占空比减小以及特定占空比(45°时的占空比)。使用单片机、步进电机验证了单片机控制模式方案设计,采用的测试仪器有示波器、数字万用表、秒表等测试设备。测试结果表明当加占空比键按下后,转动角度值变大;减占空比键按下后,转动角度值值变小。实验证明占空比控制非常重要,也证明了PWM波的频率对响应速度有很大影响,同时验证了方案的可行性,为微量注射泵控制系统设计具有一定的参考价值。




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5、

管道切割机控制中伺服电机的工作原理

在管道切割机控制系统中,测速辊和管编码器配合使用,将辊轮的角位移转化为电脉冲信号向PLC提供数字量信号,以转速的形式在人机界面中进行显示。

接近开关用于将切割焊枪移架路径限制在允许的范围内,防止切管长度设置错误,焊枪支架移位至丝杠固定端面并与之发生机械碰撞,对机构造成损坏。切割焊枪送气管道内置电磁球阀,由PLC控制接触器的开关状态,实现送气阀的开启与关闭。

焊枪定位杆架上安装有位移传感器,启动丝杠电机,减速器带动丝杠旋转。同时,焊枪定位杆架开始沿平行于管道轴线方向向前(后)移动,当其移动到接近管道一端面时,关闭丝杠电机。调整焊枪枪头至管道端面合适切割点位置,设置传感器初始位移为0,完成切割焊枪的初始化定位工作。

在人机界面中设定好托辊转速以及管道切割长度,经PLC运算指令线性运算后自动转化为伺服电机设定的脉冲数。工作时,伺服电机每接受一个脉冲就会旋转一定角度。与此同时,伺服电机每旋转一个角度,都会发出对应数量的脉冲,和伺服电机接受的脉冲形成闭环控制。从而控制丝杠转动圈数和主动托辊的转速,达到精确控制切割焊枪每次移位距离和所切割管道转速距离。



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6、

双速电动机在汽轮机循环水系统中的作用


在汽轮机循环水系统中,动叶可调泵比定速泵能够更加适应负荷、水位、水温和真空的变化,通过调节叶片角度来改变循环水量,可使汽机能够保持在较好的工作状态,并且循泵能一直保持在高效区运行。

优化措施:将定速泵改为动叶可调泵,叶片角度调节要能够快速电动调节,才能更适应电厂调峰、冷端优化的需要。

循环水系统由单独供水改为母管制供水后,虽然运行方式灵活了一些,但仍然偏少。为了获取更灵活的运行方式及节能减排,一些电厂将循泵的电动机改为双速电动机,这样,循环水量的调整范围更广,更能满足国家节能减排的要求。

电动机具有代表性的运行方式为冬季6个月“两机两泵”高速运行,春秋季3个月采用“两机三泵”高速运行,炎热季节的3个月采用“两机四泵”高速运行。循环泵应用双速改造后,冬季6个月“两机两泵”低速运行,春秋季3个月采用“两机三泵”高、低速配合运行,炎热季节的3个月采用“两机四泵”高、低速配合运行。

优化措施:将循环水系统中的部分定速泵改为双速泵,并通过优化调整试验和优化方法(泵容量、个数较多时,可采用遗传算法寻优)确定不同运行方式的切换时机。



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7、

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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8、

变频调速产生谐波对拖动电动机的影响分析

我国《节约能源法》第39条规定:“将变频调速列入通用节能技术加以推广”。在工矿企业众多的电力拖动系统是采用异步电动机拖动的,在电力拖动系统的节能技术改造中,除了优化托动系统装置的设计外,还要大力推广应用变频调速技术对拖动电动机进行节能技术改造,从而实现异步电动机的节能运行。

在变频调速的电力拖动系统中,变频器属非线性设备,其运行中必然会产生高次谐波。当变频器向拖动电动机供电时,必然会将含有颇丰的高次谐波电流输入电动机,从而对电动机造成不利的影响。为此,在对电力拖动系统实施变频调速技术改造中,还应采取相对应措施,消除谐波带给电动机的不利影响。

1变频调速的优越性

1.1变频器的调速特性好

实现异步电动机的变频调速,是发明异步电动机百年以来人们翘首以待的“世界之梦”。通过科技人员的不懈努力。提高和完善,其调速工作特性毫不逊色,即与直流调速系统相比,某些方面还超过直流调速。由于频率本身是数字量,即可实现在不需外部反馈的情况下,就能获得很硬的机械特性。同时还具有调速精度高、平滑、性能稳定、维护简单,易于实现生产过程的自动控制等特点。

1.2变频调速拖动系统故障率低

异步电动机拖动系统,可在不更换原电动机条件下,实施变频调速技术改造,即在电动机与电源之间接入相对应型号变频器,就能获得最佳调速效果。其拖动系统的故障率低,是得益于异步电动机的结构简单,转子回路内的电力不需从外部接入,故而出现故障几率极少。

1.3变频调速拖动系统可实现软起动

异步电动机若采用全压直接起动,其起动电流可达额定电流的5-7倍,必将对拖动系统或电网造成不良的影响。而采用变频调速起动,其起动电流一般不会超过额定电流的1.5倍。同时起动平稳,无冲击,实现异步电动机真正意义上的软起动。

1.4变频调速会延长设备使用寿命

变频调速技术在风机、泵类负载中使用,不仅能按负载运行要求实现转速调节,而且起动过程中振动和机械噪音很小。变频调速用于一般生产机械的电力拖动中,在起动、停止、减速、加速等工况下,均不会产生振动和冲击,故而可延长设备使用寿命。

1.5变频调速在加减速时转矩平滑

变频调速技术应用于输送机的节能改造中,在运行过程中若负载需加速、减速时,具有性能良好的软起动效果,并达到转矩平滑。尤是重载工况下起动时,可提升输出转矩,这是普通起动器所无法达到的效果。

2变频器产生谐波对拖动电动机影响

异步电动机由于结构简单、运行可靠、维护方便等优点,在工矿企业的电力拖动中得到广泛使用。对电力拖动系统的异步电动机实施变频调速技术改造,可在不更换原电动机条件下实现转速调节。但因变频器是非线性设备,运行中将会产生高次谐波,必将会对其拖动电动机造成不良影响,故而必须采取相应措施加以防范。

按常规设计的异步电动机,通常都是设计在额定频率和额定电压下工作的,只有在额定频率和电压下运行,才能保证电动机轴上的输出转矩,功率达到额定设计值。然而在变频调速工况下运行的异步电动机,因供电频率是个变量,故对电动机实际输出轴功率会有所影响。所以对不同工况下拖动电动机容量的选择,必须充分考虑这个影响因素。

通常使用的异步电动机,在额定功率和温升条件下运行,电动机的运行温度是不会超过设计值的。但在变频调速拖动系统中,由于输入电动机的电流含有颇丰的高次谐波,故而由谐波电流使电动机产生附加损耗。即使在额定频率下长期运行,由于谐波电流的影响也会造成输出转矩降低、效率下降、温升增高等异常等情况。异步电动机运行中,若是温升增高会导致线圈绝缘的挥发和降解加速,介电强度和体积电阻率下降,还可能造成线圈绝缘的炭化而丧失绝缘功能。

变频调速拖动系统中的异步电动机,因受高次谐波的影响,谐波电流所产生的磁场相对于转轴是高速旋转的,它所产生的轴电势比较高,可能会击穿轴承的油膜,使轴电流流过轴承而对轴承造成危害。

异步电动机的线圈间存在着分布电容,高次谐波电压输入时,各线圈之间的电压分担是不均匀的,往往会导致承担高电压线圈的绝缘老化加速,从而使首匝线圈成为绝缘损伤点。在变频调速拖动系统中,变频器输出电压的幅值为标准电压的3倍多,再加上变频器电压变化率(du/dt)很高,它所引起的振荡会使电动机应力变得更大,势必对线圈造成危害。

在开关频率很高的工况下,变频器和电动机之间连接电缆,若是长度过长时会产生驻波,将导致电动机端电压升高,致使电动机线圈承受端电压比电网电压高,这必然会加速线圈绝缘的老化,影响电动机使用寿命。

3变频器产生谐波的防范措施

3.1运用滤波技术消除谐波影响

为提高变频调速拖动系统中异步电动机的运行效率,必须运用谐波技术消除谐波影响。谐波器接在电动机输入端的,称为电动机端滤波;接在变频器输出端的,称为变频器输出滤波。电动机端滤波分为一阶RC串联型和一阶RC并联型两种滤波方式。变频器输出端滤波有四种结构:3.1.1LR并联型;3.1.2二阶RLC低通变频器输出端滤波;3.1.3改进型二阶RLC低通滤波,即把星型联接的阻容电路中性点与变频器直流母线中性点接在一起。该滤波器尺寸小、损耗少、成本较低、值得推广;3.1.4LC与RLC两级串联变频器输出滤波器。

3.2尽量缩短连接电缆长度

缩短变频器与电动机之间联接电缆的长度,为的是避免驻波产生而造成的影响。切勿将连接电缆过长部分盘成圈状放在变频器框内,这种处理方法欠佳,仍会造成谐波干扰。

其次,可在变频器进线电缆端套上约1.5~2m的金属蛇皮管,管皮外壳良好接地,这也是抑制谐波干扰的措施。此外,还可将变频器控制线屏蔽,并做好屏蔽层的良好接地,这也能防止谐波干扰。

3.3变频器和电动机的选用

在实施变频调速技术改造时,为提高电力拖动系统的运行效率,应选用不易输出高反射电压的变频器。若有更换拖动电动机,应选用专用变频器驱动的电动机。



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9、

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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