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注塑机伺服节能改造

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节能改造关注问答
1、

推进电机节能的意义是什么

电机是一种应用量大、使用范围广的高耗能动力设备。据统计,我国电机耗电约占工业用电总量的60%~70%。实际应用中,我国电机的整体运行状况,同国外相比差距很大,机组效率约为75%,比国外低10%左右;系统运行效率为30~40%,比国际先进水平低20~30%。因此,我国的电机应用具有极大的节能潜力,推行电机节能势在必行。

一、目前电机能耗状况

改革开放20多年来,我国在能源利用上取得“GDP翻两番,而能源消费仅翻一番”的成就。但是,与发达国家相比,我国电力能源利用效率仍然较低,尤其是工业用电设备电能消耗高,浪费情况较为严重。大量的工业设备如风机、泵类设备以及传统的工业缝纫机、机械加工设备等,多采用交流电动机恒速传动的方案运行,导致交流电动机效率普遍较低。

风机、泵类设备也多采用调节风门和阀门的办法来调节流量,这种调节方法虽然简单易行,但它是以耗费大量能源为代价;在工业缝纫机、机械加工设备中,往往采用离合器、摩擦片调节速度,造成大量的待机损耗和制动能耗。

1.风机、泵类设备

在工业生产、产品加工制造业中,风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合,根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样,不论生产的需求大小,风机都要全速运转,不能随运行工况的变化进行相应的调节,白白浪费了大量的能量。在生产过程中,不仅控制精度受到限制,而且容易造成设备损耗,从而导致生产成本增加,设备使用寿命缩短,设备维护、维修费用居高不下。

泵类设备在生产领域同样有着广阔的应用空间,提水泵站、水池储罐给排系统、工业水(油)循环系统、热交换系统均使用离心泵、轴流泵、齿轮泵、柱塞泵等设备。根据不同的生产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的控制。这样,不仅造成大量的能源浪费,管路、阀门等密封性能的破坏;还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀,严重时损坏设备、影响生产、危及产品质量。

2.工业缝纫机、机械加工设备

传统的工业缝纫机电机是一款交流离合器电机,效率仅为40~50%;电机在工作时,不论缝制布料厚薄,始终全功率输出;在缝纫机待料待机时,电机通过离合器脱开负载,继续空载运行,造成极大的待机损耗。

在中低档机械加工设备中往往采用摩擦片调节速度,利用摩擦片的摩擦作用降低电机转速,从而达到调节速度的目的,不仅造成大量的制动能耗,还加快了电机轴的磨损,降低电机使用寿命。

目前,我国在家电行业已逐步采用变频调速控制技术以降低能耗,而工业控制领域中的许多速度调节方法还停留在传统技术层面上。根据美国能源部的一项数据显示,如果采用最新的高效率电机设备和一定的变频调速装置来替代旧的电机设备,工业用户至少能在现有基础上节省电能18%以上。

目前,许多国家均已指定流量压力控制必须采用变频调速装置取代传统方式,我国也在积极鼓励工业企业采用高效、节能的电动机、锅炉、窑炉、风机、泵类等设备。

二、以电子信息技术改造传统产业,达到节能降耗目的

随着电子技术、信息技术的发展,电子信息技术在产品中的应用日趋成熟,传统的电机技术与电子信息技术相结合,产生了“机电一体化”产品。“机电一体化”又称“机械电子学”,是在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进了电子技术,并将机械装置、电子设备以及软件等有机地结合起来构成的系统的总称。“机电一体化”电机与传统电机有着质的区别,“机电一体化”电机包含了控制部分既控制器及嵌入式软件和驱动部分既电机,它是利用嵌入式软件实现对系统的智能化模糊控制。这种智能化模糊控制不仅能有效提高系统的运行精度,而且可以根据系统负载变化实时调整电机输出转速、输出功率,充分达到节能降耗的目的。下面举两个例子来说明“机电一体化”电机的使用效果:

1.高效节能伺服控制电机在工业缝纫机领域的应用

前面提到传统的工业缝纫机电机是一款交流离合器电机,效率仅为40~50%;电机在工作时,不论缝制布料厚薄,始终全功率输出;在缝纫机待料待机时,电机通过离合器脱开负载,继续空载运行,造成极大的待机损耗。而高效节能伺服控制电机采用直流无刷电机作为驱动元件,效率达到70~80%;伺服控制系统内含嵌入式软件,系统随时检测缝制布料的厚薄,将信息实时传递给嵌入式软件,通过软件调节电机的输出转速和输出功率,始终使电机工作在最合理、最节能状态;在缝纫机待料待机时,系统停止工作,没有待机损耗。通过高效节能伺服控制电机替代交流离合器电机在工业缝纫机领域推广应用,可在该领域节能50~60%,每台缝纫机可节电576千瓦时/年,据缝纫机行业协会估算,全国现在生产使用的工业缝纫机至少200万台,那么随着高效节能伺服控制电机的替代使用,可为社会节电11.52亿千瓦时/年。

高效节能伺服控制电机不仅可以在缝纫机行业推广应用,也可以在工业集尘设备、机械加工设备中替代传统的交流电机,其节电效果普遍达到30%以上。

2.变频调速电机在风机、泵类设备中的应用

风机、泵类设备年耗电量占全国电力消耗的1/4,大量的电能由于交流电动机只能恒速输出、无法根据工况变化自行调节而浪费。变频调速技术是20世纪80年代末兴起的一种新型电力传动调速技术,它以体积小、重量轻、转矩大、精度高、功能强,可靠性高,操作简便,便于通信等功能优于以往的传统调速方式(如变极调速、调压调速、滑差调速等)。变频调速运行,是根据负载转速的变化要求,改变供电电流的频率,并配合电压的调节,以获得合理的电机运行工况。在不同的转速情况下,均保持较高的运行效率。变频控制技术的应用,不仅降低了电能消耗,同时能改善启动性能,保护电动机及负载设备免受瞬时启动的冲击,延长其工作寿命,还提高电动机及负载设备的工作精确度。

风机、泵类等设备采用变频调速技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术,受到国家政府的普遍重视,《中华人民共和国节约能源法》把它列为通用技术加以推广。实践证明,变频电机用于风机、泵类设备驱动控制场合取得了显着的节电效果,普遍节电达到30%~50%。

三、电机节能的远景目标和发展方向

随着电子信息技术的发展,电机节能的前景十分看好。据国家能源部的初步估算:如果全面启动电机节能工程,推广变频调速、永磁调速等先进电机调速技术,改善风机、泵类电机系统调节方式,逐步淘汰闸板、阀门等机械节流调节方式,全国的用电量将下降15~20%而GDP保持不变。

通过研发高效节能的变频调速技术,在工业、交通、办公自动化等领域推广使用,将电机的平均能耗下降20~30%,这是电机行业“十一五”期间的节能目标。



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2、

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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3、

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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4、

电机扭矩试验台的结构组成

电机微扭矩检测试验台主要分硬件部分和软件部分,硬件部分由气缸、伺服电机、伺服卡、采集卡、工控机等来协调待测EPS电机的运转。软件部分主要是驱动伺服、气缸协同工作,控制设备的运行来完成检测,并从采集卡实时采集角度、扭矩传感器输出电压等数据参数,根据各项试验的数据绘制图表报告,计算产品损耗扭矩、波动扭矩,并标定产品是否合格。

测试台硬件本试验的硬件部分主要是来控制扭力传感器和电机、气缸的协调动作,实时进行数据采集,主要包含如下部分:

(1)气缸:测试过程开始前将伺服与待测EPS电机键槽推送到位。

(2)伺服电机:用来控制待测EPS电机的转动,并反馈角度。

(3)采集卡:用来采集各项实时参数,包括角度、扭矩。选用NIPCI6280采集卡。

(4)伺服卡:用来驱动伺服电机,精准控制电机运行动作。

选用研华PCI1240U(四轴)伺服卡。

硬件部分的工作原理主要是根据所确定的动作来完成。采用多功能采集卡进行模拟、数字信号的输入输出采集,伺服卡控制电机的各种运动状态(不同转速、方向)。



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5、

基于MCF51EM256的智能电动机保护器的设计及应用

采用Freescale公司Coldfire-V0架构内核的32位处理器MCF51EM256芯片,设计了一款高性能的ARD2L智能电动机保护器,并对该保护器的硬件和软件设计方案进行详细介绍。该保护器集众多保护功能于一体,提高了电动机运行的可靠性,减少了因电动机运行故障带来的经济损失。

引言

现代工矿企业中,以电动机作为动力的比例占全部动力的90%以上,它们已是当今生产活动和日常生活中最主要的原动力和驱动装置[1,2],为此检测与保护电动机的正常运行有着非常重要的意义。保护器经历了热继电器、熔断器、电磁式电流继电器、模拟电子式电机保护器,最后发展到数字电子式电机保护器即当今的智能电机保护器。本文设计了一款针对电动机在运行过程中出现的起动超时、过载、欠载、短路、断相、不平衡、接地/漏电、堵转、阻塞、外部故障等情况进行保护的ARD2L智能电动机保护器(以下简称ARD2L),可有效提高电动机运行的安全性,降低生产损失,是传统热继电器的理想替代品[3]。

1硬件设计

ARD2L的硬件电路包括主控芯片MCU,频率信号、电流信号、零序电流信号采集电路,开关量输入模块,继电器输出模块,变送输出模块,RS-485通讯接口,人机交互单元(状态指示灯、数码管/液晶显示),硬件电路框图如图1所示。

1.1主控芯片

MCU芯片采用freescale公司的Coldfire-V0架构内核的32位处理器MCF51EM256,时钟频率最高可达50.33MHz,内置256K的Flash、16K的RAM、4个独立16位A/D通道、3路定时器、3路SCI通讯接口以及内置RTC时钟、I2C、SPI、KBI接口等多种资源,具有极高的性价比。

1.2电源

电源是设备能否正常、稳定、可靠工作的关键部分,ARD2L采用安科瑞的通用开关电源模块。该模块输入电压为AC85V~265V,输入频率45Hz~60Hz,具有多路隔离电压输出,满足多种功能对不同供电电压的要求。其输出电压稳定、故障率小,输出纹波<1%;电源输入部分设计加入压热敏电阻、TVS管、防反接二极管等器件,对过压、过流等有一定的保护作用,同时能使产品通过严酷的EMC测试。该模块经现场实际使用,具有很高的稳定性、可靠性和抗干扰能力[4]。

1.3信号采集电路

信号采集电路负责采集电流信号、频率信号和零序电流信号。其中,电流信号采用互感器隔离输入,将交流信号抬高后送入CPU进行软件差分运算,电流采样电路如图2所示。以A相6.3A规格为例,采用的电流互感器变比为100A:20mA,5P10保护型。该方案电流测量在1.2倍范围内达到0.5S精度,在8倍范围内满足5S精度,而其过载能力按8倍计算,即给互感器加上50.4A电流,通过取样电阻R1的电流为10.08mA,两端电压为0.886V。同时,给采样信号抬高电压UREF=1.2V,使交流信号的幅值大于零,便于A/D采样;在电路的输出端加入限压二极管,使输入电压限制在3.3V以下,能对A/D采样通道起到很好的保护作用。

频率采样电路如图3所示。该电路采用MCP6002双运放进行两级放大,初级放大倍数较小,且在初级与次级之间进行滤波处理,次级运放将交流信号整形为方波信号,通过边沿触发方式捕捉,然后在CPU内部计算测量频率。

1.4人机交互界面

人机交互界面的显示采用数码管或液晶两,用户可以根据实际需要选择显示方式,输入采用按键方式。其中,数码管显示采用动态扫描方式,其驱动电路采用74HC595和三极管构成;液晶显示采用拓普威公司LM12832BCW的128点阵中文液晶,其数据传输采用SPI串口,可极大地节省CPU资源。同时,LED和LCD显示采用同一个SPI接口控制,使得两种显示方式可以通用。

1.5控制模块

控制模块主要由开关量输入、输出组成,如图4所示。其中,开关量输入用于监测断路器、接触器的开关状态和采集现场的工业联锁状态,也可根据客户要求用于电动机的起停控制;开关量输出主要用于输出脱扣信号、报警信号和远程起/停信号。

1.6通讯/变送模块

通讯模块采用RS-485模块ModbusRTU通讯规约,能实现遥测、遥控、遥信等功能。而变送是将我们需要的电流信号转换为DC4~20mA模拟量输出,方便与PLC、PC等控制机组成网络系统,实现电动机运行的远程监控。



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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、

电子式感应电机软启动研究

为抑制电动机的启动电流,本文对软起动作了研究,主要论述了软启动设备的系统结构及其仿真。

电机起动分为直接起动和软起动。直接起动为全压起动,所用设备简单,投资少,但启动电流大,在配电系统产生较大压降,影响同母线连接设备运行,尤其是起动转矩过大对电机及传动机械产生巨大的冲击,加速电机的老化及机械的损坏。软启动能抑制电动机起动电流,在限定时间内将它驱动到额定转速,并在必要情况下多次连续起动。该过程兼有若干保护功能,当短路、过载、起动超时、欠电压、系统异常等故障时,软启动装置能做出相应防护并发出警示信号。

软启动过程以计算机为工具,利用软件,通过建立输入电动机、电网和负载数学模型,根据选定控制策略作出离线模拟。其中电子式感应电机软启动,选用微处理器和晶闸管电子元件组成启动器控制。

启动器开启时,微处理器发出脉冲加到晶闸管触发极上,控制晶闸管导通角,使晶闸管输出电流电压大小受触发脉冲宽度来决定。缓慢调节微处理器,控制晶闸管输出电压由零缓慢升至全压,此时电动机转速也由零升至额定转速。在发出停机指令后,微处理器监测电压电流和电动机反馈信号,晶闸管可使输出电压按一定要求下降,使电动机由全压逐渐降为零而实现软停止。

实际应用中,软启动具有如下优点:①起动电流小,通过调节起动转矩实现低速起动,频繁起动和软停止。②在起停时过渡自然,不易伤害设备,节电效果良好。③当多台同容量水泵工作,可采用一台电子式软启动器,操作方便。④软启动离线仿真研究可以预知在硬起动过程中电机转速、电流、线电压和其它机械特性,对产品设计和用户使用有重要指导作用。

1电路结构

1.1系统框图

电子式感应电机软启动框图如图1所示。信号采集及对应的处理电路采集同步信号作为相角移动控制基础参考,确保信号正确触发;信号感应电路对信号发生反应,如电流和功率因数角等,为起动控制和保护控制提供必要信息;启动控制电路为软启动选择合适控制策略;保护控制电路对过压、过流等进行监控,确保电机安全运行;相角移动控制电路产生脉冲,控制触发角时刻和大小。

1.2感应电机软启动主电路

软启动器是从速度控制装置得到的,其主电路见图2,三对可控晶闸管形成固态三相电压调节器,通过均匀控制可控晶闸管触发角,灵活的控制电机在额定电压下运行。

1.3控制电路模型

控制电路模型是由4个控制子系统构成。

每个子系统直接由仿真模块建立。在交流电路模块控制角开始时,每相电压为零,同步信号应从电源相电压信号获得。

根据同步脉冲产生原理,可由普通仿真模块组成脉冲发生器模型。笔者采用6同步脉冲发生器,电机起动电流值可以应用RMS模块获得。软启动过程关键要限制启动电流,当电压逐步升高,直到接近给定限制电流时,保持电压不变。

2软启动仿真

2.1感应电机软启动系统

软启动子系统的内部结构,它由两个双向晶闸管封装而成。系统仿真电路图中,三相电源由三个单相电源组成。系统采用鼠笼式感应电机,异步电机测量系统可以测出很多参数,如定子、转子电流,电压等。同步信号采集器将A、B、C三个相电压转化成A-C、B-A、C-B三个线电压输入脉冲发生器。脉冲发生器产生宽脉冲,触发三对双向晶闸管来控制机端电压。触发控制器根据定子电流反馈来控制脉冲发生器触发角。

2.2参数设置

①三相电源:每一相电源电压为380V,频率为50Hz,第一个单向电源的相角为0°,第二个单向电源的相角为120°,第三个单向电源的相角为-120。②电机:视在功率3×746VA,线间电压为380V,频率50Hz,其它参数为默认值。③触发系统:频率50Hz。④仿真时间:3s。

2.3结果分析

设置好参数后,单击运行可进行离线仿真,双击显示器可查看参数曲线。如直接启动时的定子电流和转矩曲线,可知系统启动瞬时,产生较大的冲击量(约为稳定时的10倍),过程变化突然,在0.1s后趋于平稳。并可查看电子式软启动下的情形,可看出定子电流和转矩在启动瞬时冲击明显减弱,变化趋于平缓,有利于系统稳定和保护设备。

3结束语

电子式软启动以计算机为工具,在已知并输入电动机,电网和负载数学模型基础上,根据选定控制策略做出离线模拟。本文通过设计系统框图和仿真模拟电路,得到软启动下电机定子电流和转矩的变化曲线,较好的改善了直接启动所带来的巨大冲击。该方法在小容量电机中得到广泛应用,收到较好的经济效益。



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煤矿电机拖动系统变频节能系统研究

随着电力电子技术、计算机技术、电力通信技术等的进一步发展,变频调速节能技术得到迅速发展且在工程实际应用中发挥了良好的应用效果。高性能的变频调速节能装置设备已被大量地引入到煤矿、钢厂、电厂等工业领域。通过大量研究和实践工作可知,交流电机采用变频调速技术升级改造后其通常可以获得30%~65%的节电效益。在煤矿开采过程中,随着井下开采和掘进的不断延伸,矿井巷道也变得越来越长,为了满足井下通风需求,需要增加通风风机的功率容量,这样大功率的电机直接起动对煤矿配电网冲击非常大,加上井下作业面需求风量波动较大,采用常规继电器直接控制方式会导致大量电能资源浪费。目前,大功率交流电机采用变频调速技术进行升级改造,已成为当代电机节能调速控制的潮流,其节能节电效果十分明显,加上科学技术的进一步发展,大功率、高电压变频器的制造成本也在明显降低,变频器起动性能和调速平稳性能得到大大提高,减少了电机起动对煤矿配电网的冲击。因此,结合煤矿井下通风系统的实际情况,采取变频调速技术对原电机控制系统进行技术升级改造,就显得非常有意义。

1电机变频调速控制原理

煤矿井下通信系统中风机电机拖动系统,由于受当时建设技术水平和综合投资资金的制约,存在电源浪费严重等问题。采取基于PLC与变频器的变频调速技术升级改造,可以达到节能降耗的目的。电机拖动系统的节能通常有两种方法,一种是直接采用节能电机,如永磁同步电机;另一种是采用变频调速等控制系统来动态调节电机输入电源频率,达到风机拖动系统输入与输出间的实时动态平衡,进而达到电机调节运行节能降耗的目的。基于PLC与变频器的电机变频调速控制系统具有体积小、重量轻、起动转矩大、控制精度高、功能强、可靠性高、操作维护简单便捷、兼容性强等优点,要明显优于以往常规电机调控模式,使用它除了具备调速稳定可靠的优点外,还可以节约大量电能资源。

风机电机的输出转速(转矩)同电机输入电源频率、转差率以及电机磁极对数三个因素有直接关系。电机输出转速可以表示为:

(1)

式(1)中:为电机的磁极对数;为电机运行实时电源频率;为滑差。

从式(1)可知,对于交流电机拖动系统而言,要实现电机拖动系统在实际调节运行过程中,具有较高调控稳定精确性和节能经济性,可以采取三种方法,即改变电机的磁极对数p、通过内部转子串联电阻等改变电机的滑差率s、改变电机实时电源频率f。改变电机磁极对数p和滑差率s,均需要改变电机内部结构,这在很大程度上受到电机制造工艺、生产技术等因素的制约。而调节电机输入电源的频率f,不仅不需要改变电机的内部结构,而且只需要外加变频器作为电机输入电源的调控单元,就能完成对电机控制系统的动态调节。同时采用变频调速后,能够经过变频器和PLC的动态调控,使整个电机拖动系统长期处于最优工况,达到节能降耗的目的。从技术性、调节运行节能经济性等方面来看,变频调速控制较其他节能方案在可行性、可靠性、精确性等方面更加优越,是电机节能降耗工程中常采用的技术措施。

2电机拖动系统变频调速节能改造的技术要点和功能效果

煤矿通风系统中的风机电机拖动系统采用基于PLC与变频器的变频调速技术升级改造方案中,其节能改造实现的基本控制要求包括以下两个方面:

(1)节能控制系统应具备抑制电磁干扰的相应有效技术措施,能够防止非正弦波干扰风机电机拖动控制系统中的电脑主机、计时器、传感器等精密仪器设备的高效稳定工作,也就是采用变频调速控制系统进行技术升级改造过程中,不能改变风机电机控制系统的其他功能单元和元器件设备的正常稳定运行性能参数。

(2)在变频调速节能运行过程中,当风量检测系统出现故障时,变频调速控制系统将以电机拖动系统上限频率进行恒功率运行,以确保系统最大的风量。当变频调速控制系统出现故障时,能够发出声响及指示灯指示,提醒运行管理人员进行相关设备性能检查,同时起动原控制系统(如软起动、继电器直接起动等)。

风机电机拖动系统采用变频调速控制技术升级改造后,能够取得较好的节能经济效益、延长使用寿命等功能效果,具体表现为:

(1)速度调节范围较宽。基于PLC与变频器的变频调速控制系统,其控制可靠性和精确度较高,且其速度控制范围较宽,理论上能够实现在1%~100%范围内的连续动态平滑节能调节控制。

(2)实时调节误差较小,精度较高。可以达到±0.5%的误差范围。

(3)电能利用效率较高。电机转换效率可以达到96%以上,同时电机拖动系统功率因素可以达到95%,节省了大量无功功率,降低了配电网变压器的无功调节负担,提高了供电系统的供电可靠性。

(4)具备软起动功能。能够有效抑制电机起动冲击电流,确保电机起动具有较高安全可靠性,可以延长电机拖动系统的综合使用寿命。

(5)节能节电效果十分明显。采取变频调速控制系统进行技术升级改造后,比常规继电器直接起动控制系统,其节能节电效率通常可以达到30%以上。

3电机拖动系统变频调速节能改造效益分析

3.1电机变频调速节能改造方案

一大型煤矿井下通风系统中共采用3台通风机(按照两用一备控制模式设计),其进口温度为22℃,进口压力为99.12kPa,升压为68kPa,轴功率为207kW,配置异步电动机型号为Y355M1-2-220kW/380VF级IP55,功率为220kW。为了提高煤矿井下通风系统运行的可靠性、经济性、节能性,结合煤矿井下通风系统的实际运行工况,按照“最小改动、最大可靠性、最优经济性”等改造原则,对煤矿井下通风电机拖动系统进行技术升级改造。决定采用基于PLC与变频器的变频调速控制对煤矿井下通风电机拖动系统进行技术升级改造,为了分析改造经济效益,决定1#风机采用变频调速运行方式,2#风机采取工频运行方式。

3.2电机拖动系统变频调速升级改造节能效益分析

在各项运行技术指标和环境均相同的情况下,1#风机与2#风机相比,1#风机其调节运行工况性能要更加平滑稳定,平均运行电流降低到326A,比工频运行额定电流的408A要直接降低82A,理论节电效率为:,实际节电效率为43%,节能节电效果十分明显。

4结语

根据通风空调系统电机变频调速节能控制技术原理,对煤矿井下通风电机拖动控制系统进行技术升级改造,使井下通风系统运行更加安全可靠和节能经济,同时煤矿井下通风系统电机拖动设备的综合使用寿命也得到延长。结合一大型煤矿井下通风系统具体节能改造工程的节电经济效益分析计算,可以得出煤矿井下通风系统变频调速升级改造的节能优越性。对煤矿井下通风系统风机电机拖动系统的变频调速节能升级改造,这个通风系统运行的稳定性和可靠性得到了进一步提高,井下通风温湿度指标也能满足实际煤炭开采需求。在现代变频调速控制技术的进一步完善和成熟下,变频调速节能改造电机拖动系统将成为煤矿井下通风系统节能升级改造的重要方法之一。



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9、

初探起重机电机拖动系统的负载跟踪

在我国科学技术不断发展的今天,各种重型设备的应用性不断增强。起重机作为一种常见的、有效应用的设备,其可以有效的抬起重物,大大节省人力劳动。当然,要实现起重机长期稳定、安全、高效的应用,并不是非常容易的,需要对起重机电机拖动系统的负载跟踪予以合理的设计,有效的控制电机拖动系统,促使电机可以保持相对稳定的状态,为使起重机更好的运行创造条件。对此,本文就起重机电机拖动系统的负载跟踪进行分析和探讨。

引言:

起重机属于起重机械中的一种,其同时也是一种循环间歇运动的机械。对于起重机的应用,主要是将重物提起,将其平移到指定地点后降落物品,紧接着做反向运动,进行下一个重物的运输。起重机整个运作过程中,起重机电机拖动系统发挥巨大作用,其直接决定起重机能否将重物提起,并稳定的放在指定位置。当然,起重机电机拖动系统在具体运用的过程中容易受某些因素的影响,促使电机拖动系统运行不稳定,并且浪费电能。所以,加强起重机电机拖动系统的负载跟踪进行设计,有效的控制电机拖动系统,可以提升起重机电机拖动系统应用性。本文将从起重机电机拖动系统的力学方程分析展开,系统的探究起重机电机拖动系统的负载跟踪设计。

一、起重机电机拖动系统的动力学方程分析

对于起重机电机拖动系统的动力学方程的分析,需要结合起重机起升机构电机拖动系统图,依据相关的动力学原理,科学地、合理地分析,才能够详细地掌握整个起重机电机拖动系统的动力学方程,为后续准确的分析。设计起重机电机拖动系统的负载跟踪提供条件。对此,本文笔者参照某型号起重机起升机构电机拖动系统示意图(如图一所示),展开具体的分析。从图一可以知道分别为中间轴、卷筒、滑轮的传统效率。假设为起重机吊重物起升的速度、为起重机所吊重物的质量、为起重机吊具的质量、为起重机电机转子转动惯量、为制动轮和联轴器的转动惯量。根据动力学相关理论,可以得到关于起重机吊具上钢丝绳张力的公式,即:

在对起重机吊具上钢丝绳张力进行公式计算的过程中,因为是以动力学相关理论为基础,所以本文仅考虑吊具在提重物上升过程中所消耗的电能,对于其他因素所引起的能量消耗在此予以忽视。

二、起重机电机拖动系统的负载跟踪设计

综合上文起重机电机拖动系统的动力学方程式,对于起重机电机拖动系统的负载跟踪的设计主要是利用坐标轴分析的,这可以更为直接的分析电机拖动系统的负载跟踪,为实现起重机电机拖动系统可以稳定、有效应用创造条件。

对于起重机电机拖动系统的负载跟踪的设计,首先设计电机静止正交坐标系与旋转坐标系(如图三所示)。假设电机静止正交坐标系和以定子同步角速度,旋转得到两相旋转正交坐标系MOT,其中M轴与轴夹角为,且。那么,TM坐标系上电机转子磁链的矢量,将会与M轴某一点相交,从而可以实现整个系统的同步旋转。另外,由于在起重机电机拖动系统持续运作的过程中,电机转子磁链的矢量将会一直同M轴相交,这就意味着,转子磁链值与电子转子磁链矢量相等。

利用以上内容完成整个起重机电机拖动系统的负载跟踪设计。为了可以更加准确的、有效的、合理的、科学的完成起重机电机拖动系统的负载跟踪设计,笔者在此引入基于转差角频率的矢量变频控制系统原理图(如图四所示)。从转差角频率的矢量变频控制系统原理图可以了解电机转速计算中,需要运用到转速调节器对定子电流转矩分量予以计算,进而了解MT坐标系的同步旋转角速度。综合以上同步旋转角速度函数公式,以及起重机电机拖动系统实际情况,可以了解整个系统负载跟踪的应用需求。而积分器的因公可以测量出转角频率的矢量的变换角。利用矢量变换角可以得到电压励磁分量和转矩分量,相应的可以利用电压型逆变器对电压进行控制,从而实现起重机电机拖动系统的有效控制,促使电机稳定、安全、有效的运用。

结束语:

起重机电机拖动系统负载跟踪的设计是非常必要的,可以保证电机拖动系统相对稳定的运行,有效的节约电能。从起重机电机拖动系统负载跟踪控制的特点来看,电动机转子容易受到某些因素的影响。所以,在具体设计起重机电机拖动系统负载跟踪过程中,需要分析起重机电机拖动系统的动力学方程,了解转子电压、电流与磁链之间的关系。以此为依据构建电机静止正交坐标系与旋转坐标系,对电动机转子运作中负载转矩、定转速度等方面进行分析,从而科学、合理设计电机拖动系统负载跟踪,为保证起重机电机拖动系统稳定运作创造条件。



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