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节能改造关注问答
1、

电机保护器原理

电机保护器主要是断线保护,三相电动机正常情况是三相具备平衡的,如果缺相,另外两相电流增大,很快就会烧毁线圈。有了电机保护器,当三相电流不平衡时到一定程度时,零序保护就会动作,让电动机停止运行,避免烧毁线圈。

电动机保护器的作用是给电机全面的保护控制,在电机出现过流、欠流、断相、堵转、短路、过压、欠压、漏电、三相不平衡、过热、接地、轴承磨损、定转子偏心时、绕组老化予以报警或保护控制。

电机保护器常识

1.为什么现在的电机比过去更容易烧毁绕组?

由于绝缘技术的不断发展,在电机的设计上既要求增加出力,又要求减小体积,使新型电动机的热容量越来越小,过负荷能力越来越弱;再由于生产自动化程度的提高,要求电动机经常运行在频繁的起动、制动、正反转以及变负荷等多种方式,对电动机保护装置提出了更高的要求。另外,电动机的应用面更广常工作于环境极为恶劣的场合,如潮湿、高温、多尘、腐蚀等场合。再加上电动机修造上的不规范,设备管理上的疏漏。所有这些,造成了现在的电动机比过去更容易损坏,尤其是过载、短路、缺相、扫膛等故障出现频率最高。

2.为什么传统的保护装置保护效果不甚理想?

传统的电机保护装置以熔断器、热继电器为主。熔断器主要用于短路保护,熔断器电流的选择需考虑电动机的起动电流,所以单独使用熔断器保护电动机是不可取的。热继电器是应用最广的电机过载保护装置,但热继电器灵敏度低、误差大、稳定性差,保护不可靠。事实也正是这样,尽管许多设备安装了热继电器,但电机损坏而影响正常生产的现象仍普遍存在。传统的保护装置还没有能够实现电动机的机械磨损监测、定转子偏心监测的产品。

4、电机保护器的发展现状?

目前电动机保护器已由过去的机械式发展为电子式和智能型,灵敏度高,可靠性高,功能多,调试方便。可直接显示电动机的电流、电压、温度等参数,保护动作后故障种类一目了然,极大方便了故障的判断,有利于生产现场的故障处理和缩短恢复生产时间。另外,根据电动机气隙磁场进行电动机偏心检测技术使电动机磨损状态在线监测成为可能,通过曲线显示反映电动机偏心程度的值的变化趋势,记录两年时间该值的变化情况,可早期发现轴承故障,做到早发现,早处理,避免扫膛事故发生。

5.保护器选择的原则?

选用电动机保护装置的目的,既能使电动机充分发挥过载能力,又能免于损坏,而且还能提高电力拖动系统的可靠性和生产的连续性。在能满足保护要求的情况下首先考虑最简单保护装置,当简单的保护装置不能满足要求时,或对保护功能和特性提出更高要求时,才考虑应用复杂的保护装置,做到经济性和可靠性的统一。具体的功能选择应根据综合考虑电动机的本身的价值、负载情况、环境好坏、电动机的重要程度、退出运行是否对生产系统造成严重影响等因素,力争做到经济合理。

6、理想的电机保护器?

理想的电动机保护器不是功能最多,也不是所谓最先进的,而是应该最实用的。那么何为实用呢?实用应满足可靠、经济、方便等要素,具有较高的性能价格比。那么何为可靠呢?可靠首先应满足功能的可靠,如过电流、断相功能必须对各种场合、各种过程、各种方式发生的过电流、断相均能可靠的动作。其次自身的可靠(既然保护器是保护别人的,尤其应具有很高的可靠性)必须具有对各种恶劣环境的适应性稳定性、耐久性。经济性:采用先进的设计、合理的结构,专业化、规模化的生产,降低产品成本,给用户带来极高的经济效益。方便性:必须在安装、使用、调整、接线等方面,尽可能的简易方便。



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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、

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、

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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5、

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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6、

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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7、

龙门刨床的电气改造及节电经济效益分析

本文介绍了早期的由发电机组拖动的龙门刨床或单臂刨床现存的问题,并简述了针对该种类型的刨床改造方式:采用全数字直流调速装置组合先进的PLC控制方式,着重强调了改造后的节能降耗所带来的经济效益以及改造后的其它特点。

一、序言

随着社会的进步,科技的发展,产于上个世纪七、八十年代的龙门刨床的电器控制线路已经十分落后,而且老化严重,故障频繁,维修非常困难,费时费力,效率低,能耗大,同时噪音也很大,污染严重。经过多年的时间经验,我们对老式龙门刨床的电气控制线路进行了彻底的技术改造,将发电机组、交磁扩大机控制的龙门刨床改造成为全数字智能化的电气控制系统。

上个世纪七、八十年代的龙门刨床工作台一般是由一台60KW直流电机拖动。该直流电机参数为:60KW,220V,305A,1000RPM,励磁为220V,4.11A。该直流电机电源采用电动机-直流发电机组和交磁扩大机提供(简称K-F-D系统),采用调直流发电机的励磁电流方式来改变直流电动机的电枢电压,从而达到调速的目的。原来整个电气控制系统比较复杂,使用电器元件也比较多,加之使用时间长,故障频繁。我公司综合以往改造经验,B2010A、B2012A、B2012Q、B2151、B2152、B2016A、BJ2020、B20125Q等10余种型号的龙门刨床及单臂刨床都很适合全数字智能化控制的电气系统改造。

二、早期龙门刨床的特点:

1、刨床的工作台驱动是由交流电动机、直流发电机、直流电动机及交磁扩大机组成。K-F-D控制系统的主要缺点是:起动电流大,对电网容量要求高,机械传动能耗大,传输效率低。

各电机基本参数见下表:

<center></center>2、改造前的龙门刨床电控系统存在的问题及缺点:

⑴设备使用时间长达数十年,电器元件严重老化,故障率频繁,维修费用高,已不能满足目前生产加工的需要;

⑵由于采用的是交直流电动机组,其效率只有0.5~0.68,并且能耗高;

⑶主传动及控制部分中间环节较多,不但增加了维护工作量,也使整个系统可靠性大大降低。

⑷工作台换向及减速靠机械式限位开关实现,减速及换向时撞击声音大,且整个电控系统附带有各种电阻、继电器多,故障点多,低速时速度不稳,换向不稳定,常会出现爬行、越位等故障;

⑹工作台调速范围小,精度(D≤30),加工工件的表面质量差;

⑺占地面积大,噪音高。

三、龙门刨床改造方式及改造后的特点:

1.龙门刨工作台直流电机调速系统的改造:

改造后的龙门刨床工作台直流电机采用英国欧陆公司生产的590+/380A直流调速装置驱动,完全取代直流发电机组和交磁扩大机,实现了工作台的无级调速、自动减速、换向以及撞到极限限位后停车等动作。欧陆590+是具有较高水平的全微机化工业直流电机调速驱动器,输出电流范围在15A~2400A,该产品还具有控制、监控、保护和串行通讯的功能。

590+直流调速装置还有一系列可供用户随意设定的参数,这些参数有些来自外部,如速度给定、转矩给定、速度反馈以及电机的各种特性参数等,同时配备I/O接口,以及P3串行通讯接口,可以方便的与上位机联接通讯,以满足各种参数设置以及与其他装置通讯的需要。

2.用PLC实现龙门刨床的其他电器动作的自动控制:完成龙门刨床自动进刀、抬刀、落刀、横梁升降、横梁夹紧放松、各刀架快速移动以及工作台的加速、减速、换向等各种动作的正常运转。

3.工作台行程限位开关更换为电磁感应的接近开关:性能更稳定,响应时间快,而且使用寿命更比原来的行程开关更长久。

4.在直流电机尾端加装测速发电机后:实现闭环控制,提高控制及定位精度。

5、使用效率:

由欧陆590+和PLC相互配合进行改造后的龙门刨床控制系统最低速度可达5rpm,最高为1500rpm,从起步到全速只需8秒时间,甚至更短时间。从全速到减速换向,可在12秒时间内完成,且换向平稳无冲击,不会发生振荡、爬行、越位等现象,同时可以恒转矩切削,因而大大提高加工精度及效率。通过悬挂按钮箱能完成系统的启动、停止、自动等功能。加工长度范围由悬挂按钮站和工作台上的可以滑动的挡铁完成行程设置,并可以通过PLC的记忆功能来保存,电气柜上有各种报警指示,几乎可以实现无故障、免维护运行。

四、效益分析

使用欧陆590+直流调速装置和PLC结合控制后,节能效果十分明显,改造周期短。因此,将先进的直流调速装置应用到龙门刨床的工作台调速中,无疑是一种很大的技术革新,可以带来较大的经济效益。

以下是我公司对襄樊某厂B220型龙门刨床改造前后的测试实例:

其主传动部分(工作台)采用直流发电机组拖动直流电动机,功率60KW,是主要能耗。其余功耗如横梁升降和刀架的进给等较小可忽略不计。经改造后,电费成本、工艺性能、工作环境及电网干扰等均得到显著改善。

1、测试参数:

有功功率、三相电流、三相电压、功率因素、噪音强度、工作台的进给速度等

2、改造前后测试相关参数:

3、结论分析:

⑴技术数据

⑵老式控制系统与新式控制系统的效果对比见下表:

⑶所产生效益

①直接经济效益

原发电机组在多年生产、制造及用户使用中测定,其起动电流大,对电网容量要求高,且空载电流达80-100安,在工作间隔时间(调整、装卸工件时间),这些电能被白白浪费。改用新型数字调速系统后,这个空载电流完全可以节省下来,且工作间隔时间越长节电效果越明显。按计算,节约功率为△P:

U2=380V;△I取其空载电流中间值

90A;COSΦ取0.40

则△P=1.732×380×90×0.4=24kW

每小时节电24度,按每天工作间隔时间三小时、全年按310天计算:

年节电:W=24×3×310=22320kWh

拆除交磁发电机后,每小时可节约电能约3kW,按每天两班制计算:

年节电:W=3×16×310=14880kWh

另外,采用新型数字调速系统,可以省去了由多台电机之间电能传递而造成的效率损失,其数值为所需加工零件电能的6-10%,按一般性加工时,每天省去的传动效率损耗为80度,全年节电即为24800度。

以上三项合计,全年节电可达6万多度,若每度按0.6元计算,全年节电约为4万余元。

②提高了机床的电气自动化程度,大大降低了机床的故障率和维修费用,年节约成本约1万余元.

③占地面积小,无噪声。除此外,拆除后的发电机组还可以再利用,创造更多的经济价值。

4.改造后的龙门刨控制系统的特点:

⑴该数字直流传动装置能耗低,效率高。工作间隔无损耗,大大节约电能,其效率可达到0.95以上,而直流发电机组只有0.7左右;

⑵起动电流小(起动电流I≤1.5Ie),对电网的冲击小;

⑶调速性能高。590+是一种高精度传动装置,以其自身的优点使整个主传动控制系统的精度、调速范围、快速性能有了很大的改善,提高了加工能力及其加工质量;

⑷结构简单,可靠性高。与交磁扩大机组相比,全数字可逆直流调速装置可减少70KW直流发电机一台,55KW交流电动机一台,交磁放大机一套,同时大大减少了占地面积,使控制系统结构简单、体积缩小;

⑸其它动作均由PLC实现,电器元件少,简单直观。用可编程控制器取代繁杂的交直流继电器控制,大大提高了系统的可靠性,同时维护也十分方便,减少运行成本;

⑹装机水平高,具有完善的保护功能。系统具有良好的保护和监控功能,PLC有自身的输入/输出监控指示灯,而全数字直流调速装置则更有良好的保护监控功能,具有故障存储记忆,自适应参数优化等多种功能;

⑻改造后,由于取掉了交流机组,因而可无噪音运行。

五、结论

早期由发电机组拖动的龙门刨床和单臂刨床都很适合上述电气改造方式。改造后,不仅能耗大大降低,使用效率也得到很大提高。用户仅需要投资几万元,经过一两年的时间就可以收回成本。



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8、

单台变频器拖动多台电机的可行性分析及改造策略

石油石化企业的生产强度比较大,一组电机会设置成多台互为备用,以确保电气系统安全可靠运行。但通常情况下整组电机仅设一台变频器用于拖动主电机,主备电机切换后,变频器不再对备用电机实施控制,整组电机便脱离变频调速系统,造成能源呆滞。本文基于经济学角度,通过分析调速控制系统的组成及工作原理,探索变频器“一带多”系统的经济性,可行性。最后阐述改造工程中采用单台变频器拖动多台电机运行时需注意的问题。

1变频器“一带多”的控制系统组成

变频器“一带多”调速控制系统主要包括三部分:信号采集及处理系统,负反馈闭环调速系统和自动检测切换控制系统。

现场环境可采集的信号有很多,诸如压力信号、温度信号、流量信号或液位信号等等。信号采集及处理系统即完成对就地信号的采集与处理,再通过相应的变送器以电流或电压信号传出,必要时为保证到达后续环节的信号质量需要加入信号隔离器。负反馈闭环调速系统是将整形好的信号传送至PID调节器,与设定值比较运算,得出的控制信号对变频器输出进行实时调节,使电机实现变频运行,实现闭环调速控制,进而更好的控制电机执行力。自动检测切换控制系统由可编程序控制器(PLC)及外围输入输出器件组成。系统上电,“手/自动”、“工/变频/检修”等操作命令及变送信号录入系统,核心元件开始依照指令自动扫描,运算,做出判断,遵循程序指标对主备电机实施自动切换控制,同时控制变频器的起动与停止。

2“一带多”变频调速控制系统的工作原理

2.1变频调速控制系统

PLC与变频器联合控制电机的转速及互换。如图1所示,PLC接收变送信号,将反馈得到的速度与给定的速度作比较,再经过高速技术模板运算,得出速度控制量,通过通讯总线将控制量传给变频器,变频器结合自身闭环控制作输出调整,输出信号驱动电机同时反馈PLC,实现调速控制。变频运行状态下主电机需要变频器供电,其他电机做工频运转或备用。如果变频供电电机停机,其相应信号采集处理单元切出系统。此时某台备用电机接到优先级高的变频指令,直接切到变频控制系统,实现变频调速供电,相应信号采集处理单元切入调节回路,参与闭环调速控制。当“工/变频/检修”切换开关处于“工频”或“检修”位置,变频调速控制将不被切入,电机始终处于工频运行或检修状态;当“手/自动”切至手动位置,可将负载与PLC、变频器全部脱开,直接实现工频运作。

2.2PLC工作原理

一旦PLC运行,运行期间重复执行输入采样、用户程序执行、输出刷新这3个阶段,如图2。输入采样阶段,PLC会依次对状态、数据进行扫描,存入相应I/O单元;采样输入结束,进入用户程序执行阶段,然后输出刷新。在这个周期性的运行过程中,数据发生变化,但执行过的单元数据信息不会变化。

2.3PLC与变频器之间通讯

PLC和变频器的通讯方式可以有USS,profibus-dp,MODBUS或PROFINET等多重选择。在此过程中,PLC为“主站”,变频器为“从站”,主站通过串行总线将不断刷新的控制命令传送给从站,从站接收命令后会调整控制输出,并将数据信息以报表形式回传送至主站,如此循环。

3变频器“一带多”的经济性

3.1直接效益

变频调速系统较高的调速精度和较宽的调速范围及“一带多”的控制方式,可以将每组控制回路总投资极大的节约,降低无功能耗的同时缩短资源回收期,以至寿命期内创造零成本经济效益。

3.2间接效益

1)变频调速控制系统可以改善因实际负荷与设计负荷偏离较大而造成的阀体前后压差大、润滑油温轴温高等现象,通过调整转速维持恒压等办法延长轴承、轴瓦的使用寿命。

2)PLC可以对电机实时监控,系统运行状况一步掌握,一旦出现异常现象可极早发现尽早解决,缩短检修时间,亦可避免因事故延迟造成不必要损失。

3)变频调速控制系统可实现主备电机自动切换,备用电机软启动,即便电机控制的流体里杂质较多容易堵塞与泄露,也不会产生大电流冲击电机,增加了电机使用年限。

4)变频器的保护功能齐全,PLC控制快速精确。对于正反转等特殊要求及启停较频繁的情况,两者实施联合保护可以进一步提升系统稳定性和可靠性。

4改造工程

4.1注意事项

变频器的“一拖一”已是成型技术,但在已经投产的装置上改造成“一带多”并非简单易事。首先是电缆走线,控制方案。因为多台电机会有不同的工况,调节参数、范围及控制要求。其次是控制柜安放地点设置。变频器体积及PLC控制柜需要满足电气相关标准。再次是系统总的配电容量。加装了变频器和控制柜,配电系统的供电容量是否可以满足使用要求。第四是电机本身性能是否可以在变频情况下启动,如绝缘等级、变压启动等。

4.2改造策略

本着改造工程量小,运行性能好,节能显着,投资回收期短等原则制定方案。

与电机匹配的变频器功率一定要选定稍高于或等于电机最大使用功率,且选型时等级也要选择高一些的,能满足装置与仪表配套,另外能够实行闭环控制的变频器。同时电机应用变频器时,由于电压变化率dv/dt增高,电机的绕组电压分布变得很不均匀,电机故障率增加,所以从长远经济效益上来讲,在采用变频器“一带多”的同时也要将较低的绝缘等级电机更换为绝缘等级高一些的电机,保证变频器的使用寿命同时保证电机的使用寿命。再者对电机实施必要的保护时,最好不要在变频器输出端应用熔断器,一旦一台电机出现故障,变频器会检测到输出缺相,然后报警停机,这样会将事故进一步扩大。当电机台数过多、线路太长的情况下,可增加输入输出电抗器等措施。另外需做好日常的维护工作。

5总结

采用变频器“一带多”调速控制系统可以将设备的使用寿命延长,将供配电系统的耗能降低,将电力系统安全经济性提升,但需要注意的事项也很多。夯实的理论基础,丰富的现场经验,严谨的工作态度可使变频调速控制系统运行出最完美的经济效益。



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9、

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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