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注塑机伺服节能改造

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铝型材挤压机伺服节能改造

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工厂节能改造:变频与伺服有什么区别?

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节能改造关注问答
1、

交流电机和直流电机调速方法

电机有两大类:交流电机、直流电机。交流电机中用得最多的是异步电机(感应电机),转别是鼠笼式异步电机。现德科斯TKS给大家介绍直流电机、交流电机调速方法。

1、直流电机调速方法:

直流电机是指将直流电送到直流电机,把直流电机的电能转换成机械能。这里首先要介绍如何将市电的交流电转换成需要的直流电。六十年代以前采用的是发电机--电机系统(F-D),这种方法只有在电机由专用的发电机供电时才有可能。另一种是可控硅--电机系统(SCR-D)。

直流电机的调速还比较方便,可以通过调节电枢供电电压,电枢中串联电阻,激磁回路串联电阻来实现。

可见直流电机调速有三种方法,而且调节电枢供电电压的方法容易实现平滑、无级、宽范围、低损耗的要求。直流电动机电磁转矩中的两个可控参量和是互相独立的,可以非常方便地分别调节,这种机理使直流电动机具有良好的转矩控制特性,从而有优良的转速调节性能。

尽管直流电机调速就其性能而言,可以相当满意,但因其结构夏杂,惯量大,维护麻烦,不适宜在恶劣环境中运行,不易实现大容量化、高压化、高速化,而且价格昂贵。

2、交流电机调速方法:

交流电机刚好相反。交流电机结构简单、惯量小、维护方便,可在恶劣环境中运行,容易实现大容量化、高压化、高速化,而且价格低廉。

从节能的角度看,交流电机的调速装置可以分为高效调速装置和低效调速装置两大类。高效调速装置的特点是:调速时基本保持额定转差,不增加转差损耗,或可以将转差动率回馈至电网。

低效调速装置的特点是:调速时改变转差,增加转差损耗。

高效调速方法包括:改变极对数调速—鼠笼式电机变频调速—鼠笼式电机串级调速—绕线式电机换向器电机调速—同步电机。

低效调速方法包括:定子调压调速—鼠笼式电机电磁滑差离合器调速—鼠笼式电机转子串电阻调速—绕线式电机。



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2、

高效节能电机到底能省多少电?

高效节能电机是指具有高效率的电机,是绿色环保的电机。高效电机采用新型电机设计、通过降低电磁能、热能及机械能的损耗,提高输出效率。结构简单,坚固耐用。

那么高效节能电机到底能省多少电?这是很多客户都在纠结的一个问题。不妨举个例来说的更明了:

某企业之前用Y系列普通7.5KW电机,厂里一共10台同时操作,每天运转8小时,每年运行300天。今年这家企业升级了设备,换了10台型号为YX3-132M-4P-7.5KW的电机,功率还是一样的,但是却省电不少。

7.5KW的相同功率,普通Y电机的效率为87%,高效节能电机效率90.1%,则全年:

Y-132M-4P-7.5KW运行一年的电量为:(7.5/0.87)*8*300=20689.6度

YX3-132M-4P-7.5KW运行一年的电量为:

(7.5/0.901)*8*300=19977.8度

使用高效节能电机后一台全年节电:20689.6-19977.8=711.8度

该企业使用10台7.5KW高效节能电机,则一年可节电7118度!

相关数据显示:我国电机用电量占总用电量的比重可达50%,占工业用电量的比重接近70%。因此,要降低单位GDP能耗,在电机领域大有可为,而高效节能电机可作为节能的突破口。

高效节能电机的节能效果显着,通常情况下,效率可提高3%-5%左右,超高效电机效率更高。由此可见,提高电机效率,降低电机能源消耗,研发推广应用高效、超高效电动机,具有其十分重要的国家能源战略意义和现实的社会效益。



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3、

电机常用的调速方法有哪些?

因为拖动负载的功率使用角速度与转矩的乘积标识的,所以改变电动机的角速度自然能够改变功率。所有调节电动机的转速可以收到很好的节能效果。调速方法有很多,常用的调速方法有以下几种:

1.变机调速:变极调速是通过改变定子绕组接线方式来改变电动机极数,从而实现顶动机转速的变化。变极调速时,应同时对调定子两相接线,这样才能保证调速后电动机的转向不变。变极调速的控制结构简单、价廉、可靠性高,效率良好。其最大缺点是有级调速。

2.变频调速。变频调速就是用变频器同时控制电动机的定子电压和频率来改变同步转速的一种调速方法。总的说来,变频调速范围大,课实现武技调速,效果好,但变频装置比较复杂,投资大。变频调速是现代交流调速极数的主要方向,它课实现无级调速,适用于恒转矩和恒功率负载。

3.定子调压调速:定子调压调速是通过改变定子端电压,从而使异步电动机的机械特性发生变化,在一定负载转矩下,电动机转速将随着端电压的变化而变化。这种接线方式各相电流平衡且对称,作为驱动电动机来说是最接近于正弦波的驱动。调压调速属于低效调速方式,但对风机、水泵类负荷,特别是当流量小时,节能效率和功率因数均有所提高。调压调速的特点是线路简单、可靠、价格低、维护方便。

4.转子串电阻调速。

5.串级调速分为机械串级调速和晶闸管串级调速。



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4、

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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5、

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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6、

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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7、

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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8、

电动机轴电流的分析

轴电流的危害

在电动机运行过程中,如果在两轴承端或电机转轴与轴承间有轴电流的存在,那么对于电机轴承的使用寿命将会大大缩短。轻微的可运行上千小时,严重的甚至只能运行几小时,给现场安全生产带来极大的影响。同时由于轴承损坏及更换带来的直接和间接经济损失也不可小计。

轴电压和轴电流的产生

轴电压是电动机两轴承端或电机转轴与轴承间所产生的电压,其产生原因一般有以下几种:

(1)磁不平衡产生轴电压

电动机由于扇形冲片、硅钢片等叠装因素,再加上铁芯槽、通风孔等的存在,造成在磁路中存在不平衡的磁阻,并且在转轴的周围有交变磁通切割转轴,在轴的两端感应出轴电压。

(2)逆变供电产生轴电压

电动机采用逆变供电运行时,由于电源电压含有较高次的谐波分量,在电压脉冲分量的作用下,定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生电磁感应,使转轴的电位发生变化,从而产生轴电压。

(3)静电感应产生轴电压

在电动机运行的现场周围有较多的高压设备,在强电场的作用下,在转轴的两端感应出轴电压。

(4)外部电源的介入产生轴电压由于运行现场接线比较繁杂,尤其大电机保

护、测量元件接线较多,哪一根带电线头搭接在转轴上,便会产生轴电压。

(5)其他原因

如静电荷的积累、测温元件绝缘破损等因素都有可能导致轴电压的产生。轴电压建立起来后,一旦在转轴及机座、壳体间形成通路,就产生轴电流。

轴电流对轴承的破坏

正常情况下,转轴与轴承间有润滑油膜的存在,起到绝缘的作用。对于较低的轴电压,这层润滑油膜仍能保护其绝缘性能,不会产生轴电流。但是当轴电压增加到一定数值时,尤其在电动机启动时,轴承内的润滑油膜还未稳定形成,轴电压将击穿油膜而放电,构成回路,轴电流将从轴承和转轴的金属接触点通过,由于该金属接触点很小,所以这些点的电流密度大,在瞬间产生高温,使轴承局部烧熔,被烧熔的轴承合金在碾压力的作用下飞溅,于是在轴承内表面上烧出小凹坑。一般由于转轴硬度及机械强度比轴承烧熔合金的高,通常表现出来的症状是轴承内表面被压出条状电弧伤痕。

轴电流的防范

针对轴电流形成的根本原因,一般在现场采用如下防范措施:

(1)在轴端安装接地碳刷,以降低轴电位,使接地碳刷可靠接地,并且与转轴可靠接触,保证转轴电位为零电位,以此消除轴电流。

(2)为防止磁不平衡等原因产生轴电流,往往在非轴伸端的轴承座和轴承支架处加绝缘隔板,以切断轴电流的回路。

(3)为了避免其他电动机附件导线绝缘破损造成的轴电流,往往要求检修运行人员细致检查并加强导线或垫片绝缘,以消除不必要的轴电流隐患。

一般通过以上处理,大多电动机的轴电流微乎其微,已对电动机构不成实质上危害。现场实践证明,经上述方式处理后实际使用寿命可由原几十个小时提高到上万小时,效果比较明显,尤其对高压电动机轴电流的防范效果好,对安全生产具有积极作用。



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9、

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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