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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、

调速电机原理

调速电机是利用改变电机的级数、电压、电流、频率等方法改变电机的转速,以使电机达到较高的使用性能的一种电机。

调速方法:

一、变极对数调速方法

这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的,特点如下:

1、具有较硬的机械特性,稳定性良好;

2、无转差损耗,效率高;

3、接线简单、控制方便、价格低;

4、有级调速,级差较大,不能获得平滑调速;

5、可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用,获得较高效率的平滑调速特性。本方法适用于不需要无级调速的生产机械,如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。

二、变频调速方法

变频调速是改变电动机定子电源的频率,从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器,变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类,目前国内大都使用交-直-交变频器。其特点:

1、效率高,调速过程中没有附加损耗;

2、应用范围广,可用于笼型异步电动机;

3、调速范围大,特性硬,精度高;

4、技术复杂,造价高,维护检修困难。

5、本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。

三、串级调速方法

串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差,达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收,再利用产生附加的装置,把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式,串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式,多采用晶闸管串级调速,其特点为:

1、可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上,效率较高;

2、装置容量与调速范围成正比,投资省,适用于调速范围在额定转速70%-90%的生产机械上;

3、调速装置故障时可以切换至全速运行,避免停产;

4、晶闸管串级调速功率因数偏低,谐波影响较大。

5、本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。

四、绕线式电动机转子串电阻调速方法

绕线式异步电动机转子串入附加电阻,使电动机的转差率加大,电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大,电动机的转速越低。此方法设备简单,控制方便,但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速,机械特性较软。

五、定子调压调速方法

当改变电动机的定子电压时,可以得到一组不同的机械特性曲线,从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比,因此最大转矩下降很多,其调速范围较小,使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围,调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机,如专供调压调速用的力矩电动机,或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围,当调速在2:1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源,目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点:

1、调压调速线路简单,易实现自动控制;

2、调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中,效率较低。

3、调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。

六、电磁调速电动机调速方法

电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源(控制器)三部分组成。直流励磁电源功率较小,通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成,改变晶闸管的导通角,可以改变励磁电流的大小。电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。电枢和后者没有机械联系,都能自由转动。电枢与电动机转子同轴联接称主动部分,由电动机带动;磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分。当电枢与磁极均为静止时,如励磁绕组通以直流,则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极**替的磁极,其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动机旋转时,由于电枢与磁极间相对运动,因而使电枢感应产生涡流,此涡流与磁通相互作用产生转矩,带动有磁极的转子按同一方向旋转,但其转速恒低于电枢的转速N1,这是一种转差调速方式,变动转差离合器的直流励磁电流,便可改变离合器的输出转矩和转速。电磁调速电动机的调速特点:

1、装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便;

2、调速平滑、无级调速;

3、对电网无谐影响;

4、速度失大、效率低。

5、本方法适用于中、小功率,要求平滑动、短时低速运行的生产机械。

七、液力耦合器调速方法

液力耦合器是一种液力传动装置,一般由泵轮和涡轮组成,它们统称工作轮,放在密封壳体中。壳中充入一定量的工作液体,当泵轮在原动机带动下旋转时,处于其中的液体受叶片推动而旋转,在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时,就在同一转向上给涡轮叶片以推力,使其带动生产机械运转。液力耦合器的动力转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的。在工作过程中,改变充液率就可以改变耦合器的涡轮转速,作到无级调速,其特点为:

1、功率适应范围大,可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要;

2、结构简单,工作可靠,使用及维修方便,且造价低;

3、尺寸小,能容大;

4、控制调节方便,容易实现自动控制。

5、本方法适用于风机、矿用水泵的调速。



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2、

发电厂风机电动机节能改造技术方案分析

目前,在我国电源结构中,火电装机容量占74%,发电量占80%;水电装机容量占25%,发电量占19%;核电仅占1%左右,因此火电机组及其辅机设备的节能改造工作是非常重要的。火电厂中的各类辅机设备中,风机水泵类设备占了绝大部分,蕴藏着巨大的节能潜力。由于火电机组调峰力度的加大,这些机组的负荷变化范围很大,必须实时调节风机水泵的流量。目前调节流量的方式多为节流阀调节,由于这种调节方式仅仅是改变了通道的通流阻抗,而电动机的输出功率并没有多大改变,所以浪费了大量的能源。随着电力行业的改革不断深化,厂网分家,竞价上网政策的逐步实施,降低厂用电率,降低发电成本,提高上网电价的竞争力,已成为各火电厂努力追求的经济目标,要求越来越迫切。风机水泵类负载采用调速驱动具有非常可观的节能效果,这已是共识。

另外,交流电机的直接起动(尤其是高压电机)会产生巨大的电流冲击和转矩冲击,在很短的起动过程中,转子笼型绕组及阻尼绕组将承受很高的热应力和机械应力,致使笼条的端环断裂。直接起动时的大电流还会在定子绕组的端部产生很大的电磁力,使绕组端部振动和变形,造成定子绕组绝缘的机械损伤和磨损,从而导致定子绕组绝缘击穿。直接起动时的大电流还会引起铁芯振动,使铁芯松驰,引起电机发热增加。在火力发电厂中,高压大容量交流笼型异步电动机的使用非常广泛,由于直接起动而造成的电动机烧毁和转子断条事故屡屡发生,给机组的安全经济运行造成很大的威胁。因此大容量异步电动机采用软起动方式,对于延长电动机的使用寿命,减少对电网的冲击,保证机组正常运行是非常必要的。由于电动机的变频软起动可提供高的起动转矩并可做到平滑无冲击,所以采用变频器实现软起动的效果也是非常突击的。同时,采用调速驱动,还可以有效地减轻风机水泵叶轮的磨损,延长设备使用寿命,降低运行噪声。还有运行工艺对辅机设备的控制性能的改善也是十分迫切的,例如锅炉风机和给粉机的调速控制,可以大幅度地改善炉内的燃烧工况,从而节煤、节水,并可节省这些物料的运输,处理能量等。工艺条件的改善可以创造巨大的经济效益,已不再简单地局限在节能的范畴,人们会很快地认识到这一点,并迅速行动起来。本文针对发电厂各种风机电动机的实际运行工况,逐一地进行节能改造方案分析。

风机是火力发电厂重要的辅助设备之一,锅炉的四大风机(送风机、引风机、一次风机或排粉风机和烟气再循环风机)的总耗电量约占机组发电量的2%左右。随着火电机组容量的增大,电站锅炉风机的容量也在不断增大,如国产200MW机组,风机的总功率达7140kW(其中,送风机二台2500kW,引风机二台3200kW,排粉风机总功率1440kW),占机组容量的3%以上。因此,提高风机的运行效率对降低厂用电率具有重要的作用。

风机的运行状况和节能效果我国电站风机已普遍采用了高效离心风机,但实际运行效率并不高,其主要原因之一是风机的调速性能差,二是运行点远离风机的最高效率点。我国现行的火电设计规程SDJ-79规定,燃煤锅炉的送、引风机的风量裕度分别为5%和5%~10%,风压裕度分别为10%和10%~15%。这是因为在设计过程中,很难准确地计算出管网的阻力,并考虑到长期运行过程中可能发生的各种问题,通常总是把系统的最大风量和风压富裕量作为选择风机型号的设计值。但风机的型号和系列是有限的,往往在选用不到合适的风机型号时,只好往大机号上靠。这样,电站锅炉送、引风机的风量和风压富裕度达20%~30%是比较常见的。

电站锅炉风机的风量与风压的富裕度以及机组的调峰运行导致风机的运行工况点与设计高效点相偏离,从而使风机的运行效率大幅度下降。一般情况下,采用调节门调节的风机,在两者偏离10%时,效率下降8%左右;偏离20%时,效率下降20%左右;而偏离30%时,效率则下降30%以上,对于采用调节门调节风量的风机,这是一个固有的不可避免的问题。可见,锅炉送、引风机的用电量中,很大一部分是因风机的型号与管网系统的参数不匹配及调节方式不当而被调节门消耗掉的。因此,改进离心风机的调节方式是提高风机效率,降低风机耗电量的最有效途径。

按照流体机械的相似定律,风机、水泵的流量Q、压头(扬程)H、轴功率P与转速n之间有如下比例关系:

离心式风机在变速调节的过程中,如果不考虑管道系统阻力R的影响,且风压H随流量Q成平方规律变化,则风机的效率可在一定的范围内保持最高效率不变(只有在负荷率低于80%时才略有下降)。图1示出了离心式风机不同调节方式耗电特性比较,图2示出了采用调节门调节和转速调节方式时,风机的效率-流量曲线。由图2可知:在风机的风量由100%下降到50%时,变速调节与风门调节方式相比,风机的效率平均高出30%以上。因而,从节能的观点看,变速调节方式为最佳调节方式。

风机调速节能改造方案分析对于常年带满负荷的机组,当风机的风量裕度在30%时,选用双速电机最为经济,即使在满负荷连续运行工况下,电机也可在低速档运行,已可满足风量要求;当风量余度在20%左右时,则采用变频调速、串级调度较为经济,而采用双速电机和液力耦合器不能起到节电作用;当风量裕度在10%左右时,采用双速电机和液力耦合器调速还不及调节门调节的经济性好,而采用变频调速和串级调速与调节门调节的经济性相差不大,因而此时只要采用调节门调节即可,不必采用变速调节。

对于调峰机组和长期处于低负荷运行的机组,考虑到长期运行的安全可靠性、经济性和操作维护工作量等,变频调速和串级调速比双速电机及液力耦合器等调速方式具有更大的优越性。因此,电厂在风机节能改造时,应优先选择变频调速和串级调速方案。风机的功率一般在1000~2000kW,在目前的功率器件耐压条件下,采用高压IGBT和IGCT的三电平中压变频器,是目前的最佳选择方案。这种变频器的功率器件不串不并,可靠性最高,逆变单元采用12只HV-IGBT或IGCT,使用的功率器件最少,成本最低,体积最小。输入采用12脉冲整流器,网侧谐波小;输出采用LC滤波器,电流波形好,总的谐波畸变率THD<1%,适合于任何笼型异步电机,且不必"降额"使用。输出电压等级有2.3kV,3.3kV和4.16kV,对于我国的6kV电机,可将电机进行Y/△改接,线电压为3.47kV,考虑风机一般均有设计余量,因此采用3.3kV的变频器,完全能满足要求。对于老设备的改造特别有利,是目前最为经济合理的改造方案。ABB公司的ACS1000和西门子公司的SIMOVERTMV属这类变频器。



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3、

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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4、

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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5、

同步电动机的电力拖动原理

由于同步电动机在稳定运行时,其转速等于同步转速,虽然同步电动机的机械特性较为简单,但由于同步电动机仅在同步转速下才能产生恒定的同步电磁转矩,不能采取直接起动的方法,而必须采取专门的方法来起动。

1、同步电动机的起动

同步电动机在正常运行时,转子恒以同步转速旋转,使旋转的转子磁场与定子因电磁作用而产生的旋转磁场保持相对静止,使得同步电动机产生稳定的电磁转矩,故同步电动机能够带动负载稳定地并恒以同步速度运行。但是要利用这两个定、转子磁场之间的作用使电动机在50Hz的交流电源下从静止状态起动起来却是非常困难的。

如果三相定子绕组接人三相对称电源时,所建立的定子磁场N极正好擦过巳励磁的转子磁极的S极面,由于异性磁极的吸引作用,定子磁场力图将静止的转子吸着与它一同旋转。但由于转子有着相当大的机械惯性,当转子尚未来得及向前转动时,定子磁场的N极已转到了转子D极的后面。它又力图将转子拉向倒退。在转子仍未反应过来时,定子磁场的"极又转到了转子S极的前方,苒度要将转子向前拉……如此反复,致使转子只能在原处摆动而旋转不起来。因此不能在额定电源下直接起动是同步电动机的主要缺点之一。为了使同步电动机得以起动,目前可采用的方法主要有三种。

1.1辅助电动机起动

选用一台和同步电动机极数相同的异步电动机作为辅助电动机来牵引同步电动机。起动时在同步电动机转子尚未加入励磁的情况下,先用辅助电动机将转子牵引到接近同步转速,然后采用自整步法,在同步电动机转子励磁绕组中通入直流励磁电流,再利用整步转矩将同步电动机接入电网,这时在定、转子磁场的共同作用下将转子拉入同步运行。此时辅助电动机巳失去作用,为减小不必要的损耗,可切断辅助电动机电源使它与主机脱离并停止运行。该方法只适用于空载起动或同步调相机的起动,其所需设备多、操作复杂。

1.2异步起动

现代大多数同步电动机,在其转子上都装有类似异步电动机的笼型绕组(称为起动绕组或阻尼绕组)。在定子接通电源后,起动绕组中便能产生异步电磁转矩起动电动机,等转速接近同步转速时,再通入励磁电流,利用同步电磁转矩将电动机牵入同步转速。这种起动方法是目前同步电动机最常用的起动方法。

异步起动时,励磁绕组不能开路,否则由于励磁绕组匝数很多,定子旋转磁场将在励磁绕组内感应很高的电压,可能会击穿励磁绕组的匝间绝缘,甚至造成人身事故。异步起动时,励磁绕组也不能直接短路。如果直接短路,励磁绕组中将感生一个很大单相电流,此单相电流与旋转气隙磁场相互作用,将产生一个较大附加转矩(单轴转矩〉。因为异步起动时实际的起动转矩是起动绕组产生的异步转矩和单轴转矩之和(两者合成〉。通常选用一个阻值为励磁绕组本身阻值10倍左右的起动电阻与转子励磁绕组串接,以减小励磁绕组中的感应电流,削弱单轴转矩对起动的影响。

2、同步电动机的变频调速

同步电动机是以其转速"与供电电源频率力之间保持严格同步关系而命名的,即只要电源频率保持不变,同步电动机的转速就恒定不变而与负载大小无关。因此要改变同步电动机的转速,只有通过改变其供电电源的频率来达到,即采用变频调速的方法。

2.1他控式同步电动机变频调速系统

他控式同步电动机变频调速系统中的变频装置可以采用交-直-交变频器,也可采用交-交变频器。该系统结构简单,控制方便,只需一台变频器供电,成本低廉。可作为变频起动装置,实现同步电动机的软起动;也可用于多台同步电动机的群调速系统。但由于没有转速反馈,他控式变频调速方法虽然可以实现同步电动机的转速调节,但就像同步电动机接在工频电网上一样,存在转子振荡和失步的隐患,这是他控式同步电动机

2.2自控式同步电动机变频调速系统

与他控式同步电动机变频调速相比,自控式同步电动机变频调速的最大特点就是从根本上消除了同步电动机转子振荡和失步的隐患。因为自控式同步电动机变频调速系统在电动机轴端装有一台转子位置检测器,由它发出的信号控制给定子供电的变频装置电力电子器件的导通顺序和频率,使定子旋转磁场的转速和转子旋转的转速相等,始终保持同步,因此不会因负载冲击等造成失步现象。这种调速方式适用于快速可逆运行和负载变化剧烈的场合。

自控式同步电动机变频调速系统中的变频装置,可采用交-直-交型,也可采用交-交型。自控式同步电动机变频调速系统中的同步电动机,从电机结构上看,它是交流的,但从其工作原理上看,就像是一台直流电动机。它采用电力电子逆变器和转子位置检测器,代替了容易产生火花的旋转接触式换向器,即用电子换向取代机械换向。因此自控式同步电动机变频调速系统又称为无换向器电动机的调速系统。自控式变频同步电动机也称为无换向器电动机。根据调速系统所采用的变频装置不同,无换向器电动机可分为交流和直流两类。采用交-直-交变频装置时,其逆变器由直流电源供电,故称为直流无换向器电动机;采用交-交变频装置时,其逆变器由交流电源供电,故称为交流无换向器电动机。

3、同步电动机的功率因数补偿应用

随着电力系统日益扩大,运行在系统上的主要负载是异步电动机与变压器。因此,电网就要担负很大一部分电感性的无功功率,导致整个电网的功率因数降低,使得线路损耗和压降增大,输电质量变坏,电力系统运行也很不经济。为此,就提出了提高电网功率因数的要求。而同步电动机在额定电压和额定频率下,在输出功率不变的条件下,改变励磁电流的大小,就可以改变流入同步电动机定子电流的性质。即正常励磁时,同步电动机的定子电流与定子电压同相位,相当于纯电阻性负载;当励磁电流比正常励磁电流大时(处于过励状态),同步电动机定子电流在相位上超前定子电压,相当于电阻电容性负载;当励磁电流小于正常励磁电流时(处于欠励状态),同步电动机定子电流在相位上滞后定子电压,相当于电阻电感性负载。因此,同步电动机接人电网,通过调节其励磁电流,能够起到改善电网总功率因数的作用。一些大生产企业为了提高电网的功率因数,常使用同步电动机来补偿电网的功率因数。



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6、

浅谈PLC在电力拖动一体化中的运用

PLC是一种基于计算机技术的编程控制器,将PLC技术与接触器控制技术相结合,并充分发挥继电器和按钮的作用,可使电力拖动可视化。电力拖动线路用于控制电动机的运行,其具有实践性和专业性。PLC技术与电力拖动的结合有助于实现拖动一体化。文章分析了PLC技术在电力拖动中的作用,并阐述了如何将其应用于电力拖动教学。

在电力拖动的教学中,由于每个学生的能力不同,因此在学习中往往会出现图纸识别困难、技能操作不到位、线路出现问题无法检修等。因此,将PLC合理的运用于电力拖动的教学中,督促学生了解PLC原理和操作流程。但很多学校将电力拖动课程同PLC课程分开,不能找到二者之间的必然联系。这使得教学效率低下,尤其影响了学生实践能力的提高。实际上,PLC并非简单的继电器,其操作原理复杂,检修过程尤为重要。这对学校该课程的教学模式和教师的素质提出了新的要求。基于此,学校应进行该课程的改革。

一、PLC在电力拖动一体化中的运用过程

(一)电力拖动课程一体化是实现

电力拖动课程具有较强的实践性,实现其一体化的过程实际上就是将理论与实践相结合的过程。PLC作为一种与电力拖动密切相关的技术,其在电力拖动课程中的应用有助于电力拖动一体化教学的实施。具体实施为理论课和实践课由同一个教师担当,教师每讲解一节电力拖动课程,随即将其应用于实践。使学生能够充分感电力拖动的过程,了解其工作原理和操作流程。如根据课程进行电器元件的分组拆装,充分利用多媒体教学,使教学效果更加明显。当然,在理论与实践结合的过程中,主要需要掌握的是电力拖动的线路控制。目前,传统的控制方式已逐渐被PLC程序控制器取代,因此要实现电力拖动一体化,还要将PLC技术合理的渗透到教学中,实现二者的结合。

(二)PLC在电力拖动课课程教学中的渗透

电力拖动课程主要以研究电力拖动控制线路为主,而PLC则是程序控制器。目前PLC作为高校电气专业学生的必修课,学生存在的操作上的问题需要理论与实践教学更好的结合。如何发挥PLC技术在电力拖动中的作用,实现两个课程之间的结合是高校电气或机械教学中的主要任务。实际上,PLC是传统电力拖动线路控制的延伸,技术的发展使电动机线路控制逐渐转向PLC控制。PLC以梯形图作为其主要编程语言,是继电器逻辑控制系统发展的结果。运用于教学,两门课程之间存在一定的联系,基于此高校电力拖动一体化教学应引进PLC的一些内容,实现电力拖动的一体化。以三相异步电动机正反转控制课程为例,将PLC在电力拖动一体化中的运用步骤分析如下:

(1)了解与电力拖动技术相关的讲PLC内容。包括输入和输出继电器、梯形图编程方法和编程指令等。

(2)了解控制要求,分配输出输入点,写出I/O通道地址的分配表并画出PLC接线图。

(3)根据PLC接线图进行程序设计,在计算机上实施程序输入,模拟程序的运行过程。

(4)将程序下载至PLC,为PLC的应用提供前提。最后进行线路安全和系统调试。

二、PLC控制系统的优越性

将PLC控制系统与传统的继电器―接触器控制系统相比较我们可以看到PLC控制系统的优越性。在教学中,教师应注意渗透这一点。其不同在于:

(1)组成PLC与传统的控制系统采用不同的结构。传统的系统具有更多的硬件继电器与接触器;而PLC则主要由“软继电器”构成。

(2)传统的控制系统中机械触点较多,降低了系统的可靠性。而PLC则为无机械触点,是目前较为先进的逻辑运算微电子技术,具其可靠性较高,机械性能良好,运行磨损小,因此使用年限更长。同时,PLC的触电是无限的,这与传统的系统有限的触电相比较具有优越性。

(3)PLC系统与传统的继电器―接触器逻辑控制系统采用不同的控制方式,前者主要靠原件之间的硬件接线控制,而PLC系统采用更加先进的软件编程实现线路控制。

(4)两者的工作原理具有很大差别,相比之下,PLC更具先进性。传统的继电器―接触器控制方式,在工作状态下继电器受到制约,但采用了PLC技后,其“软继电器”处于周期性循环扫描接通模式下,“软继电器”不再受到长时间的制约。因此,我们说,采用电力拖动与PLC的组合的教学模式,帮助学生理解了PLC线路控制系统具有先进性,其在电力拖动中具有积极作用。在教学中,应逐渐实现两者之间的结合。将PLC技术渗透到电力拖动教学,提高教学效率。

三、总结

电力拖动作为实践性较强的电力教学课程,要求实现理论与实践结合的一体化教学。在电力拖动中引进PLC技术,是电力拖动一体化实现的必然需求。PLC作为近年来兴起的电力线路控制技术,主要以梯形图作为编程语言。文章以三相异步电动机正反转控制课程为例,分析了两种技术之间的结合。肯定了PLC在电力拖动上的进步作用。当然,在教学过程中,两种技术的结合还处于磨合期,教学效果受到一定的影响,这需要电力拖动课程不断的进行改革,促进教学效率的提高。



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7、

带压拖动用注入防喷装置的研制及应用

目前,水平井多层体积压裂施工工艺在各油田开始得到广泛使用,但根据常规的井口配套装置,如井口大四通、单闸板或双闸板液动防喷器以及环形防喷器组合难以满足要求。新的施工工艺要求解决以下几方面问题:

①由于采用体积压裂,注入井内的压裂液排量达到3.5m3/min左右,常规的井口大四通只有两个旁通口,注入时只能有一个注入口,通径太小,不适合大排量注入工作。②压裂完一层后,由于需要拖动管柱,而常规的闸板防喷器不适合带压拖动工作,所以现场通常是先放喷,等井内无压力时再拖动管柱。而放喷过程需要10余小时或者数天,严重影响施工进度,且放喷会造成地层压力严重损失,井下工具砂卡等事故。③常规配置的井口大四通、闸板防喷器、环形防喷器组合高度在2.4m左右,井口高度高,起下油管困难,安全风险高,操作不便。

因此,依据APIspec16A-2004《钻通设备规范》及SY/T6690-2008《井下作业井控技术规程》研制一种带压拖动用注入防喷装置,避免了每段施工后的放喷过程并将以上三个设备集合为一体。在保证压力级别和安装通用性的前提下,大大降低了井口装置的安装高度,为井口操作带来方便,极大地提高了分段压裂施工效率,保证了施工安全性。

1技术分析1.1结构设计为满足施工要求,带压拖动用注入防喷装置结构包括注入部分、闸板防喷器部分、补偿式多用途环形防喷器部分以及泄压平衡阀组部分,通过几部分上下连接法兰有机结合在一起,大大降低整体高度,见图1所示。其中,注入部分包括主体、下法兰、旁通过渡法兰;闸板防喷器部分包括闸板体、推动液缸等;环形防喷器部分包括上法兰、主体、主胶囊、油管专用自封衬套等。泄压平衡阀组部分包括阀体、阀芯、弹簧、手柄等。

注入部分有四个旁通口道,比常规井口大四通多了两个旁通口,这样大排量注入时,注入通道面积就可提高3倍,大大降低了液流阻力。

闸板防喷器可采用单闸板或双闸板形式。半封闸板可关闭油套环空,保证压裂时油套环空反复承受高压,也避免了压裂时顶部的环形防喷器承受不必要的高压。

环形防喷器采用了补偿式多用途环形防喷器结构,内部有一个能够承受高压的自封油管衬套,保证井口在任何时候处于密封状态,满足带压拖动管柱的需要,满足井口环保要求。

为确保油管接箍带压通过自封胶套,减轻接箍对自封胶套的损伤,在半封闸板的侧面安装有泄压平衡阀组,利用该阀组的泄压、平衡功能,使接箍在低压状态下通过自封胶套。

1.2主要技术参数公称通径:Φ179.4mm(7-1/16in)密封油管规格:2-7/8";3-1/2"油管衬套自封静压力:34.5(5000psi)油管衬套自封动压力:13.8MPa(2000psi)主体静水压强度压力:103.5MPa(15000psi)液控操作压力:8.4-10.5MPa(1200-1500psi)主通径法兰连接型式:6BXΦ179.4mm,69MPa主通径法兰密封垫环型号:BX156旁通径法兰连接型式:6BXΦ78mm,69MPa旁通径法兰密封垫环型号:BX154外型尺寸(长×宽×高):1520×555×1100mm(单闸板时)1520×555×1400mm(双闸板时)金属材料温度等级:T-20,-29℃~121℃适用工作介质:油、水、压裂液2工作原理压裂施工时,井口部分安装如图2所示。

2.1大排量压裂液的注入体积压裂时,压裂液最大排量可达到180-200m3/h左右,井口管线连接时,其中3个旁通孔接注入管线,1个旁通孔连接放喷管线,如图3所示,注入通道增大后,可保证大排量压裂液低阻进入井内。在注入压裂液时,关闭注入六通上部的半封闸板,确保闸板以上零件不受压裂液冲蚀。

2.2带压上提油管压裂停泵后,不再放喷待井内压力在12-15MPa时向上拖动油管,利用环形防喷器油管衬套自封功能密封井内压力,防止井口喷溅。上提管柱时,在油管接箍通过自封胶套时缓慢上提,减轻接箍倒角对胶套的损坏。上提油管至下一个压裂层。

2.3带压调整管柱在拖动油管时,不仅需要上提油管,有时需要增加油管短节调整井内工具位置,就需要下放油管。下放油管接箍进入补偿式多用途环形防喷器时,阻力较大,接箍倒角会严重损坏环封油管自封衬套内壁。所以施工过程中对接箍如何进入环封通过自封胶套就有特殊要求。这就需要利用泄压平衡阀组的功能,将油管接箍顺利倒入井内。具体操作步骤如下:

①下放油管使接箍进入防喷装置,使接箍上台阶与环形防喷器上平面平齐,然后关闭半封闸板,关闭平衡阀,打开泄压阀,泄除环形防喷器与闸板间压力。

②在环形防喷器和闸板层环腔无压力的情况下,继续下放油管,使接箍进入环形胶套。直到油管接箍坐落于闸板上面,关闭泄压阀,打开平衡阀。观察平衡阀组上压力表,应升至与闸板下方井压一致。

③用大钩略微上提油管,解除油管对闸板的压力,打开闸板,下放油管接箍入井。

④如此进行循环操作,将井口外的油管接箍顺利下放入井内,最终使工具达到合适位置。

3性能特点①结构先进、集三个功能部件为一体,大大降低了井口操作高度;②操作方便,可以实现压裂后不放喷,提高了多层压裂效率,节约了施工成本;③解决了油管带压下放困难的问题,延长了环形防喷器油管专用自封衬套使用寿命;④油管专用衬套拆装、更换方便。

4现场应用带压拖动用注入防喷装置在室内验证试验的基础上,在长庆油田区域多个作业区进行了现场试验和应用,截止2014年11月累计作业5口井次。现场施工顺利,井内压力15MPa内油管管柱能够顺利起下,施工成功率达到了100%。该装置可以完全满足水平井多层压裂作业带压拖动管柱工艺技术要求,大大提高多层压裂效率,节约了施工成本,具有很好的推广应用前景。①开关迅速灵活,操作安全可靠。②避免了每段施工后的放喷过程,每层压裂节约施工工时5-15小时左右,多层压裂作业施工速度相对老工艺提高不少。③降低了井口操作高度,方便现场施工操作。④延长了衬套胶芯寿命,减轻了现场操作的工作量。

5结论①带压拖动用注入防喷装置的设计、制造、试验和检验全过程均按照APIspec16A-2004《钻通设备规范》的标准要求完成。②带压拖动用注入防喷装置实现了多层压裂作业中15MPa井内压力下带压拖动管柱工艺,大大提高了现场施工的速度,节约了作业成本。③该装置结构先进、设计合理,降低了井口操作高度,安装、使用维修方便。④该装置解决了油管带压下放困难的问题,提高了环形防喷器衬套使用寿命。



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8、

微型电机电源的设计

微型电机电源用于双子动压陀螺电机,驱动陀螺电机高速旋转,并需要角动量。微型电机电源的输入为220V/50Hz的交流电,输出两项相位差为90°,频率为1.5kHz的方波。这其实是一个ACDC-AC转换电路,因此主要包括两大部分电路,即直流部分和交流部分。

直流部分电路

微型电机电源的直流部分输入电压为220V/50Hz交流电源,通过电源变压器降压后,经整流、滤波及稳压电路的输出直流电压。这部分可以说是比较常用的线路,但由于微型电机电源要求在电机启动60s前,输出电压为25V;60s后,输出电压为20V。而最终输出的交流电压的幅值是由前级的直流电压决定的,因此,就需要在直流电压的输出增加一部分电平转换电路,来控制电路最终的交流输出。

微型电机电源的高低压电平转换电路主要采用的是三端可调式稳压器W117和W137,该稳压器链接方式简便,有多种封装形式,由于此电路要求的电流较大为1A(可以同时带动多个马达,大大提高了效率这也是此电源的优点),因此采用了F-2型的,以保证电流。具体的电路是通过双单稳触发器CC4098产生一个延时脉冲,延时时间可调节,由这个延时脉冲控制稳压器W117和W137,稳压器W117和W137及其外围电路如图2。

N1为三端可调式正电压稳压器W117,延时脉冲有两点输入,前60s为低电平,三极管V1不导通,输出电压按公式Uo=1.25(1+R4/R3)Ui输入电压计算。

60s后高电平到来,三极管V1导通,电阻R5并入电路,即与R4并联,R4并联R5后阻值小于R4,按公式计算Uo减小,即达到了高低电平的转换。由于W137是负电压工作,因此还需将延时脉冲反相后经1点输入,其余工作原理与W117相同。

结束语

本文设计的微型电机电源与以往的电源相比拥有很好的高电压、大电流工作状态,且增加了高压启动、低压运行的功能,较以前的电源大大提高了其工作效率和使用可靠性,同时克服了微型电机有时在低压时无法正常启动的现象,可以在同类型的电机上推广应用。



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9、

电机转速远程监测和控制

现代生产生活电机使用非常广泛,对电机转速的监测非常有必要。本文介绍了以S7-300为核心,结合工业组态软件的电机转速监测控制系统。该系统能适应现代生产生活需要,达到远程控制现场的目的。

电机在当今社会发挥着至关重要的作用,大到生产线,机床,电梯的使用,小到打印机,光驱等都需要用到。为了达到人们应用的需求,对转速控制显得尤为重要。如我们每天所接触的电梯,转速够快会导致人出现不适应,甚至出现安全事故,而转速过慢则会耽误时间,需要合适的时间。又如生产线,在生产不同的产品时,需要的时间长短不一,如果不能对电机转速进行控制,则需要更多的硬件设施,经济实用性不强。本文介绍一种基于PLC的远程转速监测控制系统。

一、系统的组成和工作原理

该系统主要有PC机,S7-300,变频器,红外测速器,A/D转换器,电机构成。

该系统由PC机进行转速的监测和控制,S7-300对变频器进行频率控制,以达到对电机转速的控制,红外测速器接受电机的转动信号,并将该信号提供给A/D转换器,A/D转换器将模拟信号转换成数字脉冲信号,该信号返回给S7-300,并在PC机上直观的反映出来。

二、逻辑可编程控制器S7-300

S7-300是德国西门子公司生产的可编程序控制器(PLC)系列产品之一。其模块化结构、易于实现分布式的配置以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好,使其在广泛的工业控制领域中,成为一种既经济又切合实际的解决方案。

(一)特性。针对低性能要求的模块化中小控制系统;可配不同档次的CPU;可选择不同类型的扩展模块;可以扩展多达32个模块;模块内集成背板总线;多点接口(MPI),PROFIBUS或工业以太网;通过编程器PG访问所有的模块;无插槽限制;可以进行组态和设置参数。

(二)编程工具。使用STEP7软件对S7-300进行编程,STEP7包含了自动化项目从项目的启动、实施到测试以及服务每一个阶段所需的全部功能。

(三)主要组成部件。导轨(Rail)S7-300的模块机架(起物理支撑作用,无背板总线),西门子提供一下五种规格的导轨,分别长度是160mm;482mm;530mm;830mm;2000mm。电源模块(PS)将市电电压(AC120/230V)转换为DC24V,为CPU和24V直流负载电路(信号模块、传感器、执行器等)提供直流电源。输出电流有2A、5A、10A三种。正常:绿色LED灯亮。过载:绿色LED灯闪。短路:绿色LED灯暗(电压跌落,短路消失后自动恢复)。电压波动范围:5%。CPU模块,各种CPU有不同的性能,CPU前面板上有状态故障指示灯、模式开关、24V电源端子、电池盒与存储器模块盒(有的CPU没有)。信号模块(SM)数字量输入模块:24VDC,120/230VAC。数字量输出模块:24VDC,继电器。模拟量输入模块:电压,电流,电阻,热电偶。模拟量输出模块:电压,电流。功能模块(FM)主要用于对时间要求苛刻、存储器容量要求较大的过程信号处理任务。接口模块(IM)用于多机架配置时连接主机架(CR)和扩展机架(ER)。S7-300通过分布式的主机架和3个扩展机架,最多可以配置32个信号模块、功能模块和通信处理器。通讯处理器(CP),扩展中央处理单元的通讯任务,提供以下的连网能力:点到点连接,PROFIBUS,工业以太网。

三、变频器

变频器是应用变频技术和微电子技术,通过改变电机工作时的电源频率来控制电机的电力控制设备。

交流异步电动机转速计算:n=60f/p(1-s)

n:电机转速;f:给电机供电的交流电频率;p:电机极对数;s:电机转差率;交流同步电动机转速计算:n=60f/p;n:电机转速;f:给电机供电的交流电频率;p:电机极对数。

通过以上式子可以看出,交流电机转速可以通过改变电源频率而进行改变。

四、红外测速器

测定一定单位时间内旋转物体转过的圈数即频率可等价为所测旋转物体此时的转速。采用红外发光二极管和光敏三极管作为速度转换装置来测取旋转物体转速。可将红外发光二极管固定于旋转物体,电机定轴上,在转轴上安装一遮光板,在遮光板上可打一个小孔,在转轮旋转时,当发光二极管、小孔、光敏三极管在一条轴线上时小洞才有红外光通过,其他时间则由于挡板作用,没有光通过。光敏电阻接收红外光后转化为一个脉冲,产生一个脉冲则说明转一圈。这样只需要测量一分钟内光敏三极管输出脉冲个数,就可测出转速。

五、A/D转换器

模拟量转换成数字量的过程简称A/D(AnalogtoDigital)转换。模拟信号由传感器转换为电信号,模数转换器是将模拟信号转换成数字信号的系统,是一个滤波、采样保持和编码的过程。模拟信号经带限滤波,采样保持电路,变为阶梯形状信号,然后通过编码器,使得阶梯状信号中的各个电平变为二进制码,由数字电路进行处理。

六、PC机

运用组态软件在电脑屏幕上看见一个模拟的现场画面,给工作人员以直观便捷的方式进行控制,使工作起来更加方便安全,人可以在远处控制,避免伤害人体。

七、结束语

该电机转速控制可以运用在不同的生产生活场合中,针对不同的需要进行相应的软件编程,这就大大减低了更换硬件的需要,提高经济效益。而且该系统通过组态软件可以进行实时监控,在监控中设计报警等系统,能大大增加控制系统的可靠性和安全性,适应现代社会需要。



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