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1、

浅析永磁电机的五大节能原理

一异步电机(感应电机)的工作原理是通过定子的旋转磁场在转子中产生感应电流,产生电磁转矩,转子中并不直接产生磁场。因此,转子的转速一定是小于同步速的(没有这个差值,即转差率,就没有转子感应电流),也因此叫做异步电机。而智能工业电机转子本身产生固定方向的磁场(用永磁铁或直流电流),定子旋转磁场“拖着”转子磁场(转子)转动,因此转子的转速一定等于同步速,也因此叫做同步电机。智能工业电机的转速n始终为n=60f/p不变,式中f为设定频率,p为电机极对数。

由于不需要从电网吸收无功电流,转子上既无铜耗又无铁耗,所以同步电机在很宽的负载范围内能保持接近于1的功率因数,机器效率比同容量的异步电动机提高8%左右,力能指标(ηXcosΦ)提高18%左右。

二智能工业电机的功率密度比同容量的异步电动机提高25%左右。同样功率的电动机,智能工业电机要比异步电动机小2个机座号,体积小意味着铁损小,以及机械损耗小。

三智能工业电机比同功率的异步电动机效率高,同时高效区宽,智能工业电机的转速范围在25%-990%额定转速时,效率达到95%-97%,而异步电动机的转速范围在70%-99%额定转速时,效率只有88%,当转速低于70%额定转速时,效率会急剧下降。

四智能工业电机和异步电机在不同转速情况下的转矩比较

五异步电机起动时,电流是额定电流的6-7倍,对电动机寿命不利,为了达到需要的扭矩,甚至还有加大电机型号,而电机运行时处于低负荷工作,效率降低。而智能工业电机启动时,电流是逐渐增加的,不会超过额定电流,扭矩也能达到额定扭矩,没有电流冲击,延长了使用寿命,电机处于合理的负荷工作。节能原理说明六永磁同步电动机转速控制精准。在转速要求高的场合有更大的优势。



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2、

发电机节能运行技术浅析

一、发电机运行中功率因数过高或过低造成的危害

发电机额定功率因数过高实际上是指当发电机同时在额定有功功率和额定视在功率运行工况(一般在滞相方式)下运行时的功率因数值,同样的额定有功功率机组,如果其额定功率因数越低,则说明运行时带无功的能力相对较强,机组额定电流也增加,从而使造价增加。

一般发电机额定功率因数均为0.9左右。

发电机运行中,从理论上讲,在同样的机端电压下,如果在同样的有功出力下,功率因数越高,那么所发的无功越少,发电机电势就越低,发电机的静态运行稳定水平下降。

发电机运行中,如果要降低功率因数至额定值以下,则必须降低其有功出力,以使定子和转子电流不超限,既不经济,又不安全。这种运行方式往往在当系统发生事故,无功缺额较为严重,要求发电机减发有功增发无功时出现。

二、发电机定子冷却水系统与发电机经济运行的关系

发电机冷却水系统主要是向发电机的定子绕组和引出线不间断提供水源。其优点是水热容量大,有很高的导热性能和冷却能力,水的化学性能稳定,在高温下不会燃烧,调节也方便,冷却均匀等。

发电机定子的冷却水必须具有很高的工作可靠性,否则会使发电机组降低负荷运行,严重时危害发电机正常运行。因此,对冷却水的质量有较高的要求,很低的机械杂质,电导率不大于2vs/em、PH值在7~8之间、硬度不大于2vg当量/L、含氧量尽可能减少。

三、火力发电机增容改造有哪些途径

1、提高定子线及转子绕匝间等绝缘强度。经发电机绝缘鉴定,其机械性能和介电性能变坏,电气强度降低的发动机当需要更换上、下层定子线棒时(温度计算实验决定),可将定子线棒的绝缘材料由原B级绝缘改为F级,其线槽部换为绝缘用浸漆的适型材料,加强绝缘及黏结。线棒绝缘包扎采用以提高线棒的绝缘质量,提高转子集电环及引线、槽绝缘、排间绝缘、楔厂,垫条、大护环绝缘等。

2、交换定子线棒,增大铜线截面积。经发电机温升计算和实验,定转子绕组铁心温度裕度不够,以及为提高发电机效率、降低定子绕组的线电流密度、进一步降低定子铜耗,可更换定子全部上、下层定子线棒,参照引进技术同级电压绝缘厚度增大铜线截面积。

3、发电机加装铜屏蔽及管道水冷却,降低端部损耗,降低端部主要结构件温度。

4、其他有缺陷的部件改造。

四、提高氢冷发电机的某些参数可以提高发电机效率

氢气压力越高,氢气密度就越大,其导热能力就越高,因此,在发电机各部位温升不变的情况下,能够散发出更多的热量,发电机的效率就可以提高。特别是对氢内冷发动机效率更明显。

氢气的纯度过高,则发电机消耗的氢气量越大,越不经济。但是,氢气纯度过低,会因为含氢量减少而使混合气体的安全系数降低。因此,氢气的纯度按容积计算需保持在96%~98%,气体的混合物中含氧量不超过2%。

氢气的湿度是影响发电机绝缘的主要因素,氢气湿度越大,越使发电机绝缘强度降低,使发电机绝缘不达标,影响发电机正常运行,严重时使匝间短路而损坏发电机。

五、影响补氢率的主要因素

补氢率是指为维持氢冷发电机运行氢压需每天补充的氢量。

1、发电机内冷水系统泄漏,氢漏入内冷水中;

2、发电机密封油油压低、氢油分离设备失灵,氢进入油系统;

3、氢压表管堵塞或表计失灵;

4、发电机端盖、出线密封(密封母线)不良;

5、氢系统管道、阀门、仪表接头等处外漏;

6、发电机氢系统补氢阀等阀门不严,造成内漏。

六、降低补氢率的措施

1、大修后或进行消除漏氢缺陷工作的发电机,启动前应进行整体气密性实验,实验持续24h(特殊情况不少于12h)。气密性实验最大允许漏氢量应符合标准或生产厂家技术要求。

2、发电机实际漏氢量应每月定期测试一次。测试计算方法执行国家电力公司标准《汽轮发电机运行规程》(1999年版)。

3、用检漏仪器或其他方法查找漏氢点,设法消除。当密封母线内含氢量超过1%时,应立即停机查漏。当发电机轴承油系统或主油箱内氨气体积含量超过1%时,应立即停机查漏。当内冷水系统出现氨气时,应尽快安排停机处理。

4、保持发电机密封油油压高于氨压在规定运行范围内,否则应降低氨压运行。

5、发电机氨系统补氨阀等阀门不严造成内漏时,应设法消除。

七、低电压对经济和安全运行的危害

1、烧毁电电机。电压过低超过10%,将使电动机电流增大,线圈温度升高,严重时使机械设备停止运转或无法启动,甚至烧毁电动机;

2、灯发暗。电压降低5%,普通点灯的照度下降18%;电压下降10%,照度下降35%;电压降低20%。则日光灯无法启动;

3、增大线损。在输送一定电力时,电压降低,电流相应增大,引起线损增大;

4、降低电力系统的静态及暂态稳定性。由于电压降低,相应降低线路输送极限容量,因而降低了稳定性,电压过低可能发生电压崩溃事故;

5、发电机出力降低。如果电压降低超过5%,则发电机出力也要相应降低;

6、影响电压的稳定性。如果区域性无功补偿不足,无功的缺额只能由电压降低来补偿,导致无功缺额越来越大,电压越来越低,直至崩溃。



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3、

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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4、

异步电动机转矩控制软起动仿真

软起动技术有利于改善异步电动机起动过程中产生过大电流问题,本文详细分析、比较了变频、液阻和晶闸管串联等软起动方法的特点,采用晶闸管串联技术和转矩控制策略,实现异步电动机固态软起动。利用MATLAB/SIMULINK对转矩控制闭环系统建立了仿真模型并进行了仿真实验,仿真结果表明采用转矩控制方式,软起动装置能够很大程度地降低起动转矩和起动电流,能够很好地控制异步电动机的启动过程。


1引言

鼠笼式异步电动机在全压直接起动时,起动电流可以达到额定电流的5-7倍,会造成电动机绕组因过流引起过温,从而加速绝缘老化。同时,硬起动造成的过电流也势必会造成电网电压急剧下降,影响其他电力设备的正常使用,且电网电压的急剧下降,使起动转矩减小,有造成起动失败的可能性。异步电动机降压起动目前应用比较普遍的有:串电阻或者串电抗起动、Y—△起动。自藕变压器降压起动等方法。这些传统降压起动方法很大程度上缓解了大容量电机在相对较小容量电网上起动时的矛盾,但是它们只是降低起动电流冲击,并没有从本质上解决问题,而且还造成起动转矩同时在减小,在切换瞬间还会产生二次冲击电流。近年来,随着电力电子技术的发展,使无电弧开关和连续调节电流成为可能。为电动机的起动提供了全新的思路,从而出现了电机软起动技术。晶闸管串联式的高压软起动器应运而生,如美国的BS公司。英国的CT公司。法国的TE公司、瑞典的ABB公司等软起动器系列产品已成为市场的主流。其中美国的BS公司采用晶闸管串联技术生产的重压6~13.8KV软启动器,最大功率可以达10MV。国内的中源ZY—FR1000系列软启动器性能达到国际先进水平,湖北省万洲电气有限公司WGQH系列高压固态软启动器也具有国内先进的水平。

2软起动方法

2.1变频启动

变频器用于交流电机起动,起动电流小、起动力矩大、调速曲线平滑调速范围大、运行平稳,起动速度快,是交流电机理想的起动方式。但是,高压变频器更适用于需要调速的电机系统,且价格高昂,单纯做软起动装置使用太浪费。

2.2液阻式降压软起动

2.2.1液阻软起动

液阻式一种由电解液形成的电阻,起到点本质是离子导电。电解液中有两个导电极板,即固定板和动级板,伺服系统控制动级板得距离来改变起动电阻值。

2.2.2热变电组软起动

与液阻的主要区别在于电机不动,热变电阻呈现明显的负温特性。

液阻式软起动装置的不足时电机起动时,液体电阻发热,要消耗一定的电能,且不适合频繁起动场合。但因其投资少,性能好(无级控制,热容量大),不会产生谐波影响电网,使用于高压发大功率和重载起动。

2.3磁饱和电抗软起动

磁饱和电抗器的等效电抗值是可控的,它利用铁心的饱和特性,通过改变直流励磁改变其电抗参数,可以实现电流闭环控制,且可实现软停车。与高压晶闸管软起动相比,其缺点是控制快速性比较差,噪声较大,也会产生一定的高次谐波。

2.4开关变压器软起动

用开关变压器隔离高压和低压,通过改变其低压绕组上电压来改变高压绕组上的电压,从而达到改变电机端电压的目的,以实现软起动。不必采用晶闸管串联技术,可靠性大大提高,且谐波很小。此外,电压电流可全范围调节。可构成闭环控制,时间常数小,反应迅速。

2.5晶闸管串联软起动调压电路,

在高压电网和电动机之间接入反并联晶闸管通过控制晶闸的触发角进行斩波,起到调压作用。由于单只晶闸管还不足以高压,所以采用串联技术,例如在设计6KV高压软起动装置的时候功率单元常采用3只晶闸管串联的方式提高耐压值。该系统对均压电路、触发电路的性能要求较高,对元器件参数的一致性要求比较高。可实现输出电压连续可调,能完全免除对电网和电动机及机械设备的冲击。

综上所述,晶闸管具有体积小、实现软启动停容易能量损耗小、启动方式多样化等特点。同时,多个晶闸管串联,需要解决同步触发、均压、均流等技术关键。




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5、

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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6、

工业电机控制系统

电机消耗的能量几乎占全球电力的50%。随着能源成本的持续上涨,业内开始采用微处理器调速驱动器替代效率低下的固定速率电机和驱动器,这种新型电机控制技术与传统驱动器相比,能够使能耗平均降低30%以上。虽然调速电机提高了系统本身的成本,但是,考虑到电机能够节省的能量以及所增加的功能,只需短短几年即可挽回最初的投资成本。


通用电机设计

直流电机、无刷直流和交流感应电机是当今工业应用设计中最常见的电机。尽管每种类型的电机都有独特的性能,但基本工作原理类似。当一个导体通电时,例如线圈绕组,如果导体处于一个与其垂直的外部磁场内,导体将会受到一个与自身和外部磁场垂直的力。

直流电机:低成本和高精度驱动性能

直流电机是最先投入使用的电机类型,目前仍然以低开发成本和卓越的驱动性能得到普遍应用。在最简单的直流电机中,定子(即电机固定部件)为永久磁铁,转子(即电机的转动部件)上缠绕了电枢绕组,电枢绕组连接到机械换向开关,该开关控制绕组电流的导通和关闭。磁铁建立的磁通量与电枢电流相互作用,产生电磁扭矩,从而使电机做功。电机速度通过调整电枢绕组的直流电压进行控制。

根据具体应用的不同,可以采用全桥、半桥或一个简单的降压转换器驱动电枢绕组。这些转换器的开关通过脉宽调制(PWM)获得相应的电压。Maxim的高边或桥式驱动器IC,例如:MAX15024/MAX15025,可以用来驱动全桥或半桥电路的FET。

直流电机还广泛用于对速度、精度要求很高的伺服系统。为了满足速度和精度的要求,基于微处理器的闭环控制和转子位置非常关键。Maxim的MAX9641霍尔传感器能够用于提供转子的位置信息。

交流感应电机以简单、坚固耐用而著称,被广泛用于工业领域。最简单的交流电机就是一个变压器,原级电压连接到交流电压源,次级短路承载感应电流。“感应”电机的名称源于“感应次级电流”。定子载有一个三相绕组,转子设计简单,通常被称为“鼠笼”,其中,两端的铜或铝棒通过铸铝环短路。由于没有转子绕组和碳刷,这种电机的设计非常可靠。

工作在60Hz电压时,感应电机恒速运转。然而,当采用电源电路和基于微处理器的系统时,可以控制电机速度变化。变速驱动器由逆变器、信号调理器和基于微处理器的控制器组成。逆变器采用三个半桥,顶部和底部切换以互补方式控制。Maxim提供多种半桥驱动器,如MAX15024/MAX15025,可独立控制顶部和底部FET。



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7、

鼠笼式交流异步电动机起动技术

1引言

三相鼠笼式交流异步电动机因其结构简单,性能稳定及无需维护等特点,在各个行业中得到了广泛的应用,但由于其在起动过程中会产生过大的起动电流,会对电网和其他用电设备造成冲击,受电网容量限制和保护其他用电设备正常工作的需要,要在电机起动过程中采取必要的措施。总的来说,在不需要调速的场合,考虑经济的因素,异步电动机的起动可以有两种方法:直接起动和降压起动。

2直接起动

直接起动也就是全压起动,起动方法简单,但交流异步电动机的起动电流大,可达到额定电流的4~7倍,对于国产电动机的实际测量,某些笼形异步电动机甚至可达到8~12倍。过大的起动电流会造成电动机发热,影响电动机寿命;电动机绕组(特别是端部)在电动力作用下,会发生变形造成短路而烧坏电动机;过大电流会使线路压降增大,造成电网电压下降而影响到同一电网的其他用电设备的工作。所以,一般情况下规定,异步电动机的功率低于7.5kw时允许直接起动,如果功率大于7.5kw,在条件不允许的情况下,就需要采用其他方法进行起动。

3降压起动

3.1电阻降压起动

起动原理图如图1所示。q1和q2为接触器;r为起动电阻。

(1)简介

电阻降压起动就是通常所说的定子串电阻起动。在定子电路串联电阻,起动时电流会在电阻上产生压降,降低了电动机定子绕组上的电压,起动电流也从而得到减小。起动时,q1闭合,q2断开,起动完成后,闭合q2。

(2)优点

起动平稳,运行可靠,结构简单,如果采用电阻降压起动,在起动阶段功率因数较高。

(3)缺点

由于起动转矩和定子电压的平方成正比,所以起动时电压降低将造成起动转矩减小,适用于轻载和不频繁起动的场合;起动时电能损耗大,起动成本高。

3.2自耦变压器降压起动

起动原理图如图2所示,q1和q2为接触器。

(1)简介

自耦变压器降压起动利用自耦变压器降低加到电动机定子绕组的电压,以减小起动电流。自耦降压起动的起动电流参照式(1),起动电压参照式(2),起动转矩参照式(3)。

式中,i1为自耦变压器原边电流,即使用自耦变压器时的电机起动电流;

ist为电机直起时的起动电流;ux为自耦变压器起动时的起动电压;t为自耦变压器起动时的起动转矩;tst为电机直起时的起动转矩;w2、w1分别为自耦变压器副边和原边匝数。

为满足不同负载要求,自耦变压器的二次绕组一般有三个抽头分别为电源电压的40%、60%、80%(55%、64%、73%)。

(2)优点

三个电压抽头适合不同负载起动时选择;可以适用于较大容量电动机;

(3)缺点

体积大,质量大,价格高,需要维护检修。

3.3星-三角起动

起动原理图如图3所示,q1和q2为接触器。

(1)简介

星-三角起动要求电机每个绕组有两个出线端,共6个出线端。起动时接成星形,起动完成后必须为三角形。起动时连接成星形的定子绕组电压与电流只有三角形连接时的1/1.732。连接成星形起动时的线电流只有连接成三角形直接起动线电流的1/3;起动转矩和电压平方成正比,因此也是直接起动转矩的1/3。

(2)优点

体积小,重量轻,运行可靠,检修方便。

(3)缺点

只适用于正常运行时接成三角形的电动机;只适用于轻载或空载起动;起动电压是定值,不能根据负载调整。



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8、

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、

试论交流变频拖动系统

交流调速技术的基本控制原理很早就已经确立,转子电阻控制、串级调速等方式早已经实用化,但是长期以来,异步电机交流调速技术在稳定性、可靠性、控制性能和维修等方面的不足,使其使用范围受到限制;尤其是在像电梯等对控制性能、可靠性等要求非常高的系统中,一直都是直流电动机调速技术的天下。1965年以后,由于晶闸管及控制晶体管的进步,控制线绕式异步电动机的转子电压进行调速运转的静止串级调速、采用晶闸管逆变器控制鼠笼式异步电动机进行调速运转等方式逐渐实用化,逐渐奠定了以逆变器为主流的技术基础。而且直接采用电动机调速的技术逐渐取代了其它各种调速技术(如采用皮带的机械式传动、采用液压联轴节的液力传动等),成为调速技术的主流。

1.变频调速技术的基本原理

异步电机,特别是三相鼠笼式电机,由于结构简单牢固、价格便宜、运行可靠和无需维护等特点,在交流传动中得到了及为广泛的应用;异步电机的调速可分为两大类,一类是在电机旋转磁场同步转速,恒定的情况下调节电机的电机转差率;另一类是调节电机的同步转速。异步电动机的调压调速、转子串电阻调速、滑差离合器调速、斩波调速等,都是在电机旋转磁场同步转速恒定的情况下调节电机的转差率来实现电机调速,这类调速方法简单,易于实现,但效率较低。变极调速和变频调速则是在保持邃本不变的情况下,调节电机的同步转速,来实现电机调速,这类调速方法属于高效率的调速方法,特别是变频调速是异步电动机高效调速方法的典型,它既能实现异步电动机的无级调速,又能根据负载的特性不同,通过适当调节电压与频率之间的关系,可使电机始终运行在高效率区,并保证良好的运行特性。另外异步电动机采用变频调速技术还能显着改善起动性能,大幅度降低电机的起动电流,增加起动转矩,同时还能加宽调速范围、提高力力矩性能指标等。可以说,变频调速是目前为止异步电动机最为理想的调速方法。

2.变频器的结构

综合考虑液压电梯控制系统的特点,主要考虑的是低频力矩指标和四象限工作能力;在变频调速液压电梯速度控制中,采用电压源型交-直-交变频器。变频器主要由五部分组成:整流回路、逆变器、控制电路、制动组件和保护回路。

2.1整流回路

整流器由二极管或晶闸管组成,它负责将工频电源变成直流。在整流器整流后的直流电压中,含有电源6倍频率的脉动电压,此外逆变器部分产生的脉动电流也使直流电压变动;为了抑制电压波动,可采用直流电抗和电容吸收脉动电压(电流)。

2.2逆变器

现在的交-直-交变频器在采用脉宽调制(PWM)技术后,把调压和调频的任务统一由变频器来完成,最常用的调节方案采用SPWM方式,采用参考正弦电压波与载频三角波来互相比较,决定主开关的导通时间来实现调压,利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。脉宽调制型变频器不仅可以把调压和调频的功能集于一身,而且还因采用不可控整流,简化了整流装置,降低了整流器的造价,同时还改善了系统的功率因数,加快了系统的动态响应,特别是通过采用适当的调制方法可以使变频器输出电压中谐波分量,尤其是低次谐波显着减少,从而使异步电动机的技术性能指标得到了大幅度地改善。

2.3制动组件

一般的电压源型交-直-交变频器为不可逆变频器,即变频器正常运行为两象限运转,电源只向异步电动机输出功率。对于减速时需要制动力的负载,功率会从异步电动机向逆变器回流,此时变频器需附加一套制动组件,以实现电机Ⅱ、Ⅳ象限制动;制动组件采用制动电阻的形式,当异步电动机工作于制动发电状态时(转差率为负),将产生再生能量,再生能量存于变频器平滑回路电容器中,使平滑回路中直流电压升高,当电压升高到一定值时,控制电路使制动部分的晶体管道通,再生能源流入电阻器被消耗掉。再生能量较大时,控制单元和电阻单元将分别设置。对于需要急加减速度,并且加减速度频繁的场合(电梯),或对于制动为主要目的场合(液压电梯下行),需采用可逆变频器,实现电动机的四象限运行,即双向电动和能量回馈制动运行。可逆型逆变器可以将电机的再生能源反馈回电网。

2.4控制回路

向异步电机供电的主回路提供控制信号的回路,称为控制回路。控制回路由由运算回路、电流电源检测回路、驱动回路、测速回路等组成。其中运算回路将外部的速度、转矩指令同检测回路的电流、电压信号进行比较运算,决定变频器的输出电源和频率。电压/电流检测回路采用霍耳CT、电阻等元件,并与主回路隔离进行电压、电流的检测。驱动回路驱动主回路元件的导通、关断,它与控制回路隔离。速度检测回路通过异步电机轴上的速度检测器(TG、PLG)或其他途径,将速度信号送回运算回路,对系统构成速度闭环控制。

2.5保护回路

变频器控制回路中的保护可分为变频器保护和异步电动机保护。变频器的保护功能有:瞬时过电流保护、过载保护、再生过电压保护、瞬时停电保护、接地过电流保护、冷风机异常保护等。对异步电动机的保护有:过载保护和超速(超频)保护。

3.变频调速的控制方式

3.1V/F控制

异步电动机的转速由电源频率和级数决定,所以改变频率可以控制电动机调速运行。但是频率的改变导致电动机内部阻抗也改变,因此单独改变频率将产生由弱励磁引起的转矩不足和由过励磁引起的磁饱和等现象,使电动机的功率因数和效率下降:V/F是一种开环控制方式,变频器在改变输出频率的同时,必须控制变频器的输出电压,即使V/F为常值。V/F控制系统结构简单,但是静、动态性能均不理想,尤其在低频时的特性较差,需要函数发生器适当提高定子电压来补偿磁通的减少;这种控制方式基本上不适合在液压电梯中应用。

3.2转差频率控制

转差频率控制方式是在V/F控制方式的基础上发展起来的,需要检测出电动机的转速,然后以电动机速度与转差频率的和来给定变频器输出频率。由于能够任意控制与转矩、电流有直接关系的转差频率,与V/F控制相比,其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外,它具有速度控制器,利用速度反馈进行速度闭环控制可适用于自动控制系统。在V/F控制中,如果保持电动机气隙磁通一定,则电动机的转矩及电流由转差频率决定。如果增加控制电动机转差频率的功能,那么异步电动机产生的转矩就可以控制。转差频率是施加于电动机的交流电压频率与电动机速度(电气角频率)的差频率,在电动机上安装测速发电机(PG)等速度检测元件,就可以知道电动机的速度,此速度加上转差频率(与产生所要求的转矩相对应)就是变频器的输出频率。根据电动机产生的转矩大体与转差频率成比例的事实来控制电动机产生的转矩,就是转差频率控制的原理,这种控制方式具有较高的静动态性能。

3.3矢量控制

矢量控制的特点:

(1)矢量控制特性比其他控制特性优越,可实现与直流电机相同的控制特性;

(2)矢量控制变频调速响应速度快,调速范围广,特别是低速段的调速性能优越,可满足频繁急加、减速度运转和连续四象限运转等场合;

(3)可以进行转矩控制。在电机静止状态时,能控制产生静止转矩;

(4)控制运算中一般需要使用电动机的参数,需要电动机的速度反馈,一般要求电动机为专用电动机。由于矢量控制方式完美的控制特性,可以很好地满足液压电梯的低频力矩指标、静动态性能。



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