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1、

单相电机配用电容是不是越大越好?

在家电维修实践中,电容损坏是造成电机运转失常的常见故障,但有的修理员对运转电容的选配不很注意,甚至有“运转电容越大越好”的错误认识。下面举出的两个实例,是在近年维修中遇到的。

[例1]一台金龙牌300mm台扇,在中、低挡位不能启动运转,电机发出“哼哼”声;在高挡位时,扇叶运转很慢。

打开风扇前罩,用手拨动扇叶感觉很吃力,扇叶不能靠惯性转动。拆开机头外壳,发现电机轴承中润滑油已干涸,用注射器在前后轴承中滴进少许润滑油后,拨动扇叶转动自如。

通电试机,发现电机运转仍很不理想,在中、低挡位扇叶只是很缓慢地运转,在高挡位上转速也远达不到要求,吹出来的风很弱。再次拆开电机外壳,发现有部分线圈烧焦变色。再检查电扇机座底板,发现所配用的电容容量为3uF/500V,根据经验容量显然过大。

经询问用户得知,去年自己曾修过这台风扇,因嫌启动性能不好,就向邻居电工要了一只吊扇用的电容器装了上去,结果风扇越用越坏,最后导致启动线圈发热严重而烧毁。

[例2]一台得康牌家用保健摇摆机,空载时电机带动的搁架摇摆10多分钟即自动停止,而将双腿放上搁架后,只能摇摆几分钟就停了下来。

用户告知:此机因摇摆无力曾送出修理,换了一只电容器后,虽然运转很有力,但运转几分钟就会停下来。

打开摇摆机底板,发现新换上去的电容规格为3uF/400V。通电观察,电机运转10分钟后即停止转动,摸电机外壳很烫,手根本不能在上面停放。这说明控制电路已经处于过热保护状态,电机因保护电路切断电流而停转。换用一只规格为1.5uF/500V的电容,通电试机,电机连续运转了30分钟,机壳只有微热,温度升高正常,并且运转也很有力。

有的人在维修单相电容运转式电机时,为了提高电动机的启动转矩,常随意选大容量的电容换上,误认为电容容量越大越好。其实,这种做法虽能提高启动转矩,但电机的启动电流也会以更大的比率增加,这对电机是极为不利的。一般情况,在单相电容启动式电机中,启动绕组中串联的电容容量增加1倍,启动转矩只能增加50%,而启动电流却要增加200%。在单相电容运转式电机中,当电容容量增加2倍时,启动转矩虽可增加近2倍,但电机的效率将降低50%。这会使电机几乎不能驱动原来的负载,如继续通电,电机长时间处于过负载状态,将烧坏绕组。

可见,维修电机时,如果对配用的电容器选择不当,会给电机带来严重后果。更换启动、运转电容时,最好选用与原配置参数相同的电容。如果电容器损坏,又不知道或看不清标注参数,可按下面公式计算选配:

C=8JS(uF)

式中,C-配用的电容量,单位为微法(uF);J-电机启动绕组电流密度,一般选5~7A/平方mm;s-启动绕组导线截面积(平方mm)。

此文例1中金龙台扇电机启动绕组线圈重新绕制后,测出启动绕组线径为0.17mm,则截面积S=0.0226平方mm,选J=7A/平方mm,所以

C=8×7×0.0226≈1.26uF

实际选配参数为1.2uF±5%,耐压500V的电容。另外应注意电容的耐压值一定要高于400V,以防击穿。



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2、

电机电枢绕组损坏的测定

1.电枢绕组接地的检测

逐片用毫伏表检测。用低压直流电源(或电池)配合毫伏表来测出接地线圈。将毫伏表一端接于轴上,另一端接于换向片上,如毫伏表有偏转,则表示有接地故障,然后将毫伏表接换向片的另一端,依次移动,当表中指数为零时,则接于此片的线圈或换向片接地。短路测试器法。将电枢放在短路测试器上,再将毫伏表的一根引线放于换向器片上,另一根引线放于轴上,当毫伏表有读数时,则连接该片之线圈有接地处。

2.电枢绕组短路的测定

(1)电压降法。检查时,将有故障的电枢放在支架上,对相对两换向片间通入低压直流电,用直流毫伏表依次测量相邻两换向片间电压,若毫伏表读数呈周期性变化,表示接在换向片上的线圈是良好的;若读数突然变小或为零,则接于这两换向片间的线圈中就存在短路。对于四极的波绕组,由于绕组是经过两个线圈串联后再回到相邻的换向片上,若其中一个线圈发生短路时,接在相邻换向片上的毫伏表读数会降低近一半,便无法分辨是哪一个线圈短路,此时应将毫伏表跨界到距离相当一个换向器节距(Yk)的两个换向片上,即可只是出短路故障发生在哪个线圈上。

(2)毫伏表法。用一对探针将低压直流电加在相邻两个换向片间,再用另一对探针连接的直流毫伏表,测量其短路或接通的电动势,则电动势值小的一对换向片所连接的线圈,即是短路线圈。为防止损坏毫伏表,应先将接通电源的探针接到换向片上,之后再将毫伏表的探针接到换向片上;取下时顺序相反。

(3)短路测试器法。将电枢放在短路测试器上。当线圈或换向片有短路时,放在电枢槽口上的薄铁片即振动,并发出“吱吱”声。若为叠绕组时,薄铁片在两个槽口振动;若为波绕组时,薄铁片在2P个槽上振动。

3.电枢绕组开路的测定

毫伏表法。检查时,将电枢取出,将直流电源加到两相对的换向片上,毫伏表跨接在两相邻的换向片上。若毫伏表的读数突然升高,即表明接在该两换向片间的线圈开路。

短路测试器法。将电枢放在短路测试器上,以一只交流毫伏电压表检查上面两块换向片。转动电枢,继续检查相邻的换向片,也可逐次移动毫伏表的引线。当毫伏表无读数时,即表明接至该两相邻换向片的线圈开路。也可用一条导线代替毫伏表,去短接两个相邻的换向片。当导线端无火花时,即表明该处线圈开路。

4.电枢绕组错接的检测

毫伏表法。电枢绕组错接于嵌反,常发生在重绕的电枢上。在单波和双叠绕组嵌线过程中,最易发生引线端放错位置,即将换向器节距搞错,其中分个别线圈的换向器节距接错及换向器节距全部接错。可用毫伏表检查换向片间的电压来确定接错的部位,如间隔一个线圈的两个线圈所接换向片间毫伏表均出现2倍于正常偏转的指示,而中间那个线圈却产生反向电动势,则为十字反接。或者说在换向片3、4之间测量时,若毫伏表指针反转,其它各处指示均正常,则表明换向片3、4间接反,纠正即可。

指南针法。用指南针沿通电的电枢绕组依次移动,若移动过程中指南针方向突然反向,则表明该处线圈接反。当用毫伏表或指南针检测各换向片间电压,其变化不规则,时有时无或指南针方向变动不定,则表明换向器节距全部接错,应重新放置。



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3、

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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4、

水泵电机在使用过程中的节能方法

电机是生产中很重要的动力装置,在生产生活中的左右不言而喻,同时再电机的使用过程中,如何节能也是人们普遍关心的一个问题,下面就谈一谈水泵电机在使用过程中有哪些节能方法。

1.大马拉小车

当电动机的负荷率小于0.4时,应调整电动机的功率大小,更换小于原装电动机功率一级,把电动机的负荷率调至0.6~0.7左右为宜。

2.采用尼龙平皮带用尼龙平皮带来替换三角橡胶带

简单易行,技术上无特殊要求,只需进行简易计算,更换一副皮带轮即可。若条件允许,把电动机的间接传动,改为直接传动的水泵,可提高效率2~3%.

3.更换节能电动机

①应用Y系列(基本系列)电动机

采用Y型节能电动机,取代60年代J2、JO2产品。采用国际标准,提高效率水平,和堵转转矩,缩小体积,增加对电流噪声,振动的控制,而且还有结构合理,选型美观,通用性好,寿命长等特点。

②采用YX(派生系列)高效率电动机

该系列属低损耗,高效率电动机,机座中心高为H100-H280;功率范围为1.5kW-90kW;极数2、4、6.比Y系列电动机效率平均提高3%,损耗平均下降28.6%,与目前国外高效率电动机水平相当。不过这类电动机售价比Y系列高30%.此种电动机值得年运行时间长,负荷率高的纺织、化工、风机、水泵等选用。

4.水泵电动机的节能改造

①更换为节能风扇电机的通风损耗占总损耗的很大比例,因此,最大限度地降低通风损耗,对节能会有明显的效果。而且对JO2来讲,改造外风扇与风罩不需变动内部任何部件。

②用磁性槽泥(简称CC材料或磁泥)替换普通槽楔,填平电动机定子铁心槽口趋于平滑,经固化后,且与糟壁结合牢固,而成磁性槽楔。从而改善电机槽齿效应,降低了铜、铁、机械、杂散等损耗,给耗能电动机的改造提供了节电新途径。

5.采用较大截面的导线

采用较大截面导线后,不仅处于轻载运行状态,寿命也会大大延长,节电效果显着(采用铜芯电缆等法)。

6.注意轴承和绕组的清洁和润滑

轴承合理润滑与绕组的清洁正确地安装和良好地维护,能使电动机在运行中节能。

润滑脂过量或劣质,会增加摩擦损耗,降低效率;并会使油甩到绕组上,损坏绕组。因此,检修时应适当填充润滑脂,并采用优质锂基润滑脂。与此同时,还要防止潮气和有害气体侵入电动机内部,保持绕组温度在零度以上。

7.采用无功功率自动补偿

水泵电动机的负荷是感性的,其电流矢量滞后于电压矢量。这类负载消耗有功功率外,还消耗无功功率,而消耗无功功率大于有功功率。提高cosφ的办法,是在负载两端并联与感抗性质相反的电容器,用容性无功功率(负的)来抵消感性无功功率(正的)。实际上,电感和电容器中的无功功率波动过程恰好互差180°。即电感线圈吸收能量时,正好电容器释放能量,而电容器吸收能量时(充电过程),正好线圈释放能量。由于并联电容器具有这一特点,被广泛运用在输、变、配等电器设备中提高力率。

补偿方法:在无功功率自动补偿应用中,得出经验公式:电容器的无功运行电流,为电动机负载运行电流的56%.

8.采用S10型节能变压器

电动机力率的提高直接关系到电力变压器的容量型号的合理选用,和无功补偿等诸因素的制约,因此,从节电角度来看。重要的是应尽快以S7、SL7、SZ7、SLZ7系列10~35kV级变压器,取代SL及SL1系列耗能变压器、采用45°全斜接缝,无冲孔,玻璃纤维带绑扎,铁芯选用优质晶粒取向冷扎硅钢片。绕组导线选用缩醛漆包线。以及片状散热器等新材料、新结构、新工艺,它与相同等级老型号变压器相比,具有损耗低,体积小,重量轻,节约电能,节省运行电费等优点。

9.水泵的选择,调试与维修

用电动机驱动水泵工作机是一个整体系统。工作机效率的高低,将直接影响电动机耗电的多少。水泵的运行效率与其规格大小,流速、流量、转速等各项数据是相互关联的,应合理选择,定出个既满足生产要求,而又获得最佳效率的工作条件。定期调试叶轮的平衡与提高它的光洁度,调整轴向间隙及更换口环,改进进出水管道,减少弯头数量,拆除多余的叶轮等。定时清洗上油,否则,摩擦阻力增大,导致耗电增加。

10.健全节约用电组织措施

节约用电涉及的面很广,有思想问题、方法问题。技术问题,需要各方面的配合,因此,必须十分重视管理、包括制定耗电定额,奖惩条件,定期对电器设备维修和测试。对耗电多的设备进行改造,推广运用节电新产品,建立健全能源设备档案管理制度等。为此必须建立、强化节电管理机构特别是广大小型城乡企业的能源部门。应认真进行整顿和加强,切实负责。



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5、

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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6、

步进电机抗干扰能力的分析

在试验机控制系统中,采用工控机测量冲击电压电流波形时,电磁干扰是影响测试结果的重要问题。为了使测量结果尽可能的准确,除了让分压器尽可能的靠近试品接地和在测量电缆末端增设衰减器等常规措施外,在测量回路中采用同轴电缆的平衡接法,能够消除由于地电位的升高而引起的电缆的共模干扰。

两根电缆的长度和波阻抗必须相同,并且首末端同时匹配。通过以上措施,减弱了球隙瞬间放电引起的电磁干扰,消除了地电位的升高引起的共模干扰。

抗干扰能力低是步进电机在控制电路中的一个显著缺点,要保证步进电机稳定可靠工作,必须采取相应的措施保护步进电机及其驱动器。该控制系统在设计时采取了以下必要的保护措施:

1)安装隔离变压器和低通滤波器,防止强脉冲干扰信号串入步进电机的供电电源,烧坏步进电机驱动器的供电模块;

2)遵守“一点接地”原则,将步进电机的PE端、脉动信号的负端、方向信号负端、电源滤波器外壳、步进电机的外壳、以及步进电机和驱动器之间的电缆保护套一点接地并且接在屏蔽箱的外壳上;

3)在脉冲信号和方向信号的输入端增加瞬态电压抑制二极管(TVS),保护步进电机驱动器。



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7、

电机扭矩试验台的软件功能

电机扭矩测试台软件主要是控制硬件部分协同工作,控制伺服转速、方向,控制气缸松开、压紧,并实时采集输出信号数据,将所数据实时保存并绘制测试报告,以反映各参数之间的特性,并完成数据的分析处理。

软件主要有如下几个模块:

(1)数据存储模块:系统运行配置文件存储为ini配置文件;EPS电机的基本参数信息、伺服控制参数、实时采集数据等存放于SQLSERVER数据库,方便查询修改。

(2)基本设置模块:主要用来设置包括转速、产品型号、产品名称、判定参数、采集卡的各模拟量、数字量和计数器采集通道与实际参数的对应关系,以及用于测试绘制图表的各项坐标参数值如:角度、电压等。产品编号支持自动编号和扫描枪输入。

(3)权限管理模块:因系统配置比较灵活,为避免不恰当的误操作,以及测试数据结果的保密要求等分配相应的权限。

(4)测量功能模块:启动测试后将按照规定的流程进行一次完整的检测并计算测试结果、绘制图件报告,测试过程中可以手动干预退出检测。

测试程序流程如下:

①检测EPS电机是否安装,自动寻找起测点。

②伺服逆时针回转45°,稳定200ms,然后顺时针转动45°,并启动采集线程,实时绘制扭矩与角度关系曲线;伺服先回转45°是为了消除伺服启动过程加速时造成扭矩跳动,影响测试的真实性。

③伺服顺时针回转45°,稳定200ms,然后逆时针转动45°,并启动采集线程,实时绘制扭矩与角度关系曲线。

④正反行程测试完成后,伺服电机回到系统初始零位并松开气缸,根据测试数据计算正、反形成的损耗扭矩和波动扭矩,与基准值比较后判断产品是否合格。



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8、

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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9、

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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