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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、

直流电机做发电机使用注意事项



上图为直流电机的俯视图,关于直流电机做发电机使用的时候,有以下几点要注意:

(1)因为电枢导磁,故图中线圈内部(黑色)不存在电磁感应现象。磁场只存在于电枢外部和电枢铁芯中。

(2)电刷与正负极出线固定,换向器随转子做逆时针运动,如图。

(3)一般来说一个换向器对一个电刷,也有3个左右换向器对一个电刷。

结论:

(1)关于直流电机做发电机时候正负极的判断:蓝色铁芯导慈,故图中黑色部分不存在磁场,所以只在蓝色铁芯外做切割磁感线运动,故电动势只产生于蓝色铁芯外部。

然后图中逆时方向运动,电动势如图所示,以图中正极为例的话,电动势流向电刷,再由电刷流向外部电路,这和电源正极的特点一样,故为正极。同理可知右边部分为负极。

(2)输出电动势为关联各换向片的电动势和,此处关联是感应电动势方向与正负极关联。

(3)关于正负极为什么位于图中位置时,所得电动势最大,是因为如果不是图中的位置,会有正负电动势在同一极的关联方向相互抵消。



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2、

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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3、

实现土层受扰动信号的远程采集以及盾构机刀盘的多电机同步驱动

综合试验台的设备组成掘进机试验台主要分为两部分:土箱加载部分及盾构机本体部分。土箱加载部分对实际掘进土质状况进行模拟,盾构机本体部分用来完成掘进施工。综合试验台的底层信号掘进机试验台土箱加载部分的信号主要是由压力传感器与位移传感器组成。而且这两类信号都不是标准信号,需要进行前期信号处理,再进行远程传输。盾构机本体部分的信号,大多是标准信号,较容易采集。

监控系统的组成由于盾构机的控制都是由PLC来完成,为了保证系统的统一性,基于全集成控制的理念,系统组成如下:土箱加载部分和盾构机本体部分,各用一套PLC、各用两套上位监控软件;后台数据分析用服务器一台。本设计用Profinet与Profibus实现土层受扰动信号的远程采集,以及盾构机刀盘的多电机同步驱动。使用交换机可以把网络分成盾构机本体、土箱加载部分和数据库管理三个网段,将负荷分隔开来,使整个网络性能增强。

盾构机本体部分的开关量与模拟量信号,通过ET200S采集到现场总线Profibus;土箱加载部分的土层压力信号,通过信号放大处理由ET200M采集到现场总线Profinet;土箱加载部分的土层位移信号,经过信号处理,通过485转换器采集到现场总线Profibus。通过现场总线Profibus,实现以PLC为控制器、以S120为执行器的盾构机刀盘的同步驱动控制。



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4、

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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5、

初探起重机电机拖动系统的负载跟踪

在我国科学技术不断发展的今天,各种重型设备的应用性不断增强。起重机作为一种常见的、有效应用的设备,其可以有效的抬起重物,大大节省人力劳动。当然,要实现起重机长期稳定、安全、高效的应用,并不是非常容易的,需要对起重机电机拖动系统的负载跟踪予以合理的设计,有效的控制电机拖动系统,促使电机可以保持相对稳定的状态,为使起重机更好的运行创造条件。对此,本文就起重机电机拖动系统的负载跟踪进行分析和探讨。

引言:

起重机属于起重机械中的一种,其同时也是一种循环间歇运动的机械。对于起重机的应用,主要是将重物提起,将其平移到指定地点后降落物品,紧接着做反向运动,进行下一个重物的运输。起重机整个运作过程中,起重机电机拖动系统发挥巨大作用,其直接决定起重机能否将重物提起,并稳定的放在指定位置。当然,起重机电机拖动系统在具体运用的过程中容易受某些因素的影响,促使电机拖动系统运行不稳定,并且浪费电能。所以,加强起重机电机拖动系统的负载跟踪进行设计,有效的控制电机拖动系统,可以提升起重机电机拖动系统应用性。本文将从起重机电机拖动系统的力学方程分析展开,系统的探究起重机电机拖动系统的负载跟踪设计。

一、起重机电机拖动系统的动力学方程分析

对于起重机电机拖动系统的动力学方程的分析,需要结合起重机起升机构电机拖动系统图,依据相关的动力学原理,科学地、合理地分析,才能够详细地掌握整个起重机电机拖动系统的动力学方程,为后续准确的分析。设计起重机电机拖动系统的负载跟踪提供条件。对此,本文笔者参照某型号起重机起升机构电机拖动系统示意图(如图一所示),展开具体的分析。从图一可以知道分别为中间轴、卷筒、滑轮的传统效率。假设为起重机吊重物起升的速度、为起重机所吊重物的质量、为起重机吊具的质量、为起重机电机转子转动惯量、为制动轮和联轴器的转动惯量。根据动力学相关理论,可以得到关于起重机吊具上钢丝绳张力的公式,即:

在对起重机吊具上钢丝绳张力进行公式计算的过程中,因为是以动力学相关理论为基础,所以本文仅考虑吊具在提重物上升过程中所消耗的电能,对于其他因素所引起的能量消耗在此予以忽视。

二、起重机电机拖动系统的负载跟踪设计

综合上文起重机电机拖动系统的动力学方程式,对于起重机电机拖动系统的负载跟踪的设计主要是利用坐标轴分析的,这可以更为直接的分析电机拖动系统的负载跟踪,为实现起重机电机拖动系统可以稳定、有效应用创造条件。

对于起重机电机拖动系统的负载跟踪的设计,首先设计电机静止正交坐标系与旋转坐标系(如图三所示)。假设电机静止正交坐标系和以定子同步角速度,旋转得到两相旋转正交坐标系MOT,其中M轴与轴夹角为,且。那么,TM坐标系上电机转子磁链的矢量,将会与M轴某一点相交,从而可以实现整个系统的同步旋转。另外,由于在起重机电机拖动系统持续运作的过程中,电机转子磁链的矢量将会一直同M轴相交,这就意味着,转子磁链值与电子转子磁链矢量相等。

利用以上内容完成整个起重机电机拖动系统的负载跟踪设计。为了可以更加准确的、有效的、合理的、科学的完成起重机电机拖动系统的负载跟踪设计,笔者在此引入基于转差角频率的矢量变频控制系统原理图(如图四所示)。从转差角频率的矢量变频控制系统原理图可以了解电机转速计算中,需要运用到转速调节器对定子电流转矩分量予以计算,进而了解MT坐标系的同步旋转角速度。综合以上同步旋转角速度函数公式,以及起重机电机拖动系统实际情况,可以了解整个系统负载跟踪的应用需求。而积分器的因公可以测量出转角频率的矢量的变换角。利用矢量变换角可以得到电压励磁分量和转矩分量,相应的可以利用电压型逆变器对电压进行控制,从而实现起重机电机拖动系统的有效控制,促使电机稳定、安全、有效的运用。

结束语:

起重机电机拖动系统负载跟踪的设计是非常必要的,可以保证电机拖动系统相对稳定的运行,有效的节约电能。从起重机电机拖动系统负载跟踪控制的特点来看,电动机转子容易受到某些因素的影响。所以,在具体设计起重机电机拖动系统负载跟踪过程中,需要分析起重机电机拖动系统的动力学方程,了解转子电压、电流与磁链之间的关系。以此为依据构建电机静止正交坐标系与旋转坐标系,对电动机转子运作中负载转矩、定转速度等方面进行分析,从而科学、合理设计电机拖动系统负载跟踪,为保证起重机电机拖动系统稳定运作创造条件。



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6、

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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7、

煤矿提升机交流拖动系统简介

大容量(≥3000kW)矿井提升机系统中传动方式多采用交流传动。高性能交流传动方案主要有两种:交-交变频传动和交-直-交变频传动。作为一种新型的高性能传动方式,交直交变频传动以其优越的调速性能、谐波污染小以及功率因数高等优点,在国内矿山提升系统中得到广泛使用。

直接转矩控制(DTC)技术是1985年德国鲁尔大学教授提出,1998年有瑞士ABB公司将直接转矩技术应用于变频器ACS1000上的交流调速传动的控制技术。它通过检测电机定子电压和电流,计算电机的磁链和转矩,并根据与参考值比较所得的差值,实现磁链和转矩的直接控制。从根本上解决了交交矢量控制(CYCLO)中的计算、控制复杂的问题。目前该技术已成功地应用于矿山、冶金、船舶等工业领域。

一、交直交直接转矩与交交矢量控制原理比较

矢量控制也称磁场定向控制,其原理是将交流电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic,通过三相/二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换(d、q坐标),等效成同步旋转坐标系下的直流电IΦ1、IΦ2(IΦ1相当于直流电动机的励磁电流,IΦ2相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿对直流电动机的控制方法,实现对交流电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度、磁场两个分量解耦进行独立控制。

直接转矩控制与矢量控制不同,它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩,而是把转矩直接作为被控量来控制,它也不需要解耦电机模型,而是在静止的坐标系中通过检测直流电压和相电流,计算电机磁通和转矩的实际值,然后,经磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行最佳控制,有很快的转矩响应速度和很高的速度及转矩控制精度。

二、系统组成结构比较

交直交直接转矩控制系统(DTC)与交交矢量控制(CYCLO)比较,交直交直接转矩控制(DTC)结构简单。

1.功率元件IGCT相模块采用无熔断器保护结构。即便系统发生短路故障时,由于主回路断路器在60ms内能够分断电源,故功率元件模块无需使用熔断器保护。

2.无需功率补偿滤波器。ARU整流侧控制原理基于直流电压调节和功率因数调节,系统功率因数达1,动态可调,所以供电电网中无需设立功率补偿装置。

3.变压器数目减少。交交变频单绕组电机主回路需要三台定子变压器,同等性能的交直交变频电机只需要一台定子变压器即可。

4.变压器容量大大减少,对同等电机功率,DTC变压器的容量通常是交交变频变压器的50%。低速时,电动机的输出功率因转速低而输出功率小,由于ARU直流侧电压高达4900V,而使得整流器的输出电流也小,所以变压器的输出电流就小,整流变压器发热量就小,这就使得交直交回路变压器的容量选型可以比交交的小的缘故。

三、对电网质量要求的比较

由于交直交直接转矩控制(DTC)在整个提升循环中,定子变压器线电压和线电流控制在相同相位,对电网而言,属于线性负荷,功率因数恒为1,因此,对电网没有无功功率要求,所需电网功率就是实际有功功率。由于交直交直接转矩控制(DTC)系统不从电网消耗无功功率,因此,对电网造成的压降也非常小。而交交变频提升机在启动阶段,无功功率为最大,需装设无功补偿及谐波吸收装置。

四、电网谐波的比较

交交矢量控制(CYCLO)系统的最大致命弱点是对电网产生谐波,这些谐波不仅包括特征频率,而且含有随速度变化的边频以及运行时由于触发脉冲不对称、无环流死时等因素影响而引入的旁频。这大大增加了谐波治理的难度。

而对交直交直接转矩控制(DTC)系统,不仅不产生电网谐波,而且吸收过滤电网上的谐波。6脉动ARU整流器能够消除25次及以下谐波,12脉动ARU整流器能够消除55次及以下谐波,18脉动ARU整流器能够消除85次及以下谐波。

因此,交直交直接转矩控制(DTC)系统还适用于电网质量比较差的场合,如有谐波、压降大等。

五、动静态性能比较

交直交直接转矩控制(DTC)每25μs采样一次实际数据,估算电机模型,计算控制力矩,直接切换功率元件IGCT,控制响应时间为1~2ms左右,而PWM矢量控制(CYCLO)的力矩阶跃一般在10~20ms。因此,交交矢量控制(CYCLO)的矿井提升机,大多会产生力矩汶波,导致共振频率。采用OptimizedswitchinganglesPWM技术控制IGCT导通、关断的交直交直接转矩控制(DTC)系统则能消除力矩汶波,避免机械共振。

在低速时,DTC使用了专利方案,包括:

1.力矩汶波控制。专用软件通过调整力矩汶波频段,使力矩汶波最小化。

2.力矩前馈控制。控制系统根据负载变化动态预测力矩,以获得更平滑的控制。

3.高性能的速度位置控制。当速度设定为零速时,电机将保持绝对零速,由于编码器测量的位置也保持不变,以保证准确停车精度。

4.低的定子电流下降率。一般情况下,速度很低时,系统将降容使用。但DTC传动在低速甚至零速时,可短时输出100%额定电流,连续输出70%的额定电流。这是软件通过特殊的切换技术来平衡定子相间电流来实现的。

六、技术前景

新技术及新器件的发展趋势,要求交流传动系统具有主动前端(AFE)技术,以减少对电网的影响,几乎所有的国内外传动公司,都已投资研发带主动前端技术(ActiveFrontEnd)的传动系统,如ABB,Siemens。这样,Cyclo-交交变频传动系统将退出新系统的市场,技术及产品支持将会越来越少,从而大大增加提升机系统的维护费用。

交直交直接转矩控制(DTC)系统使用集成门极可换向晶闸管IGCT,采用无熔断器结构的相模块,结构简单。逆变侧,使用直接转矩控制(DTC)技术,动静态控制性能高,能消除力矩汶波和机械共振。整流侧,使用优化触发脉冲控制模式,不产生谐波,功率因数为1,无需功率补偿和谐波治理。同时,进线侧设有IFU(INPUTFILTERUNIT)进线滤波单元能吸收过滤电网谐波,适用于电网质量较差的场合。



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8、

试论电力拖动自动控制系统

1引言

随着科技日新月异的发展,机械自动化程度与生产水平达到了前所未有的高度,在当前的工业生产领域中,电力拖动自动控制系统得到了广泛的应用。电力拖动自动控制系统的优势在于:一方面可以保障自身系统安全稳定运行;另一方面可以满足企业机械生产要求。电力拖动系统可以很好的对电动机、各类继电器等原件进行保护,进而减少系统运行过程中故障发生概率。因此,研究电力拖动自动控制系统,提升其自动化程度,增强其安全性,完善其功能,对于企业而言是至关重要的。

2电力拖动系统自动控制原理及其设计

2.1电力拖动系统自动控制原理

操作人员在电力拖动控制系统运行过程中可以得到电动机各信息的反馈,例如电流反馈等。在电力拖动控制系统中,电气设备是实现机械自动控制的核心器件。计算机系统在此过程中的主要作用是显示信息显示、运行连锁、安全保护等信息,同时其也是电力拖动系统自动控制实现的唯一途径。

在计算机系统中,操作人员可以利用计算机根据实际生产需求实行不同的自动控制方案。电力拖动自动控制主要是利用计算机完成逻辑计算、功能模块化、编程等工作,然后为操作人员提供独立于机械设备的仪器驱动程序,方便使用者可以较快的将程序与自己的系统进行对接测试,方便编程。虽然电力拖动自动控制系统的各项参数及要求的设定“因人而异”。但从系统的本质来讲,系统构成的基本原理还是殊途同归的,即以计算机为系统的集中控制中心,信号输入给计算机下达指令,信号输出执行指令。电力拖动自动控制系统计算机接收信号与输出信号的系统反应如图1所示。

2.2电力拖动自动控制系统方案的确定

在电力拖动自动控制设计方面,是否确定好方案与控制方式将会决定整个设计能否成功。如果宏观方案是正确切实可行的,那么生产设备各项指标达到要求的可能性才能得到保障。在设计时,即便出现某个控制环节设计的错误,也可以通过不断改进与测试达到要求,但如果宏观方案一开始就制定有问题,那么设计工作必须等到方案明确后重新开始。

学术领域认为,所谓电力拖动自动控制方案,其主要是依据不同的生产工艺要求,例如根据运动要求、加工效率、零部件加工精度等条件来决定电动机运行、类型、数量、传动方式等控制要求。最后将这些调研好的工艺要求与控制要求相结合,作为电气控制原理图设计电器原件选择的重要参考凭证。譬如说,在设计效率要求较高的加工机床时,拖动方式可以随机变化,如可以使用直流拖动,也可以使用集中拖动等。确定好拖动方案后,拖动电动机的数量以及各项参数也随之明了,控制方式的选择就是控制要求的选择。

2.3电力拖动系统自动控制电动机的选择

在确定好电力拖动系统设计方案后,需要根据实际需求对电动机的数量、规格及各项参数如额定转速、功率等进行选择与确定。笔者通过总结,归纳出电动机在选择方面应当遵循以下几点:

(1)电动机功率的选择应当与生产机械标准要求直接挂钩,要选择与其相匹配,能够拥有一定负载的电动机,这样,才能保证生产机械的正常运行。此外,在明确电动机功率时,还需对以下三大要素进行综合考虑:1)允许过载能力;2)启动能力;3)电动机发热。确决定电动机功率选择的核心条件是电动机容量,通常,电动机容量容易受外界环境影响,所以电动机额定功率的确定要进行多次校验确认。

(2)电动机采用直流还是交流电需要结合企业经济、技术等方面综合考量,笔者认为,通常情况,企业只需要选择操作简单,稳定性强、维护遍历、价格低廉的交流异步电动机即可。但如果所在企业生产机械功率大、调速范围广,则可以采用调速性能优质的直流电动机。

(3)电动机额定转速需要结合以下方面来选择,主要是看所在企业机械匹配的技术经济程度,如企业所需电动机需拥有较高的使用寿命,并较少使用,那么就需要结合企业经济、技术等多方面因素来选择;如果企业使用电动机频繁,那么该电动机额定转速就需要以电动机的动能储存量来选择。

(4)必须在供电电网电压基础上选择电动机额定电压各参数,必须保证两者一致。电动机机构形式要根据企业的作业环境进行选择。

总而言之,电动机数量、规格以及各项参数的选择应当根据企业的经济、技术、作业环境、使用需求等多方面综合考虑来选择,要保证所选择的电动机既能满足企业生产机械的实际需求,又能够保证其运行的可靠性与实惠。

2.4电力拖动设计中电器控制线路的设计

拖动方案与电动机的选择之后,其次是电器控制线路的设计。电器控制线路是整个电器选择与安装图设计的主要依据,通常,电器控制线路的设计方法是,根据所有部件不同的需求,根据控制线路的总体框架来细化局部线路,最后根据生产机械的实际需求与相互关联,将局部线路统筹规划到线路总体框架中,形成一个完整的控制线路。

设计前期调研:控制线路设计之初,设计者需要对企业生产工艺与机械实际需求进行调研。对于一般企业而言,控制线路仅需要满足下属三种功能即可:即制动、起动与反向。生产机械工艺较大的企业通常还需要平滑调速、安全预警功能等。另外,操作者能否对控制线路做出及时反应,能否进行操作等问题也都需要设计人员在设计前调研明白。

设计过程的掌控:控制线路能否稳定安全运行取决于控制线路工作是否安全与稳定,因此在选择设计元件时,应当采用性能良好、使用期限长、抗干扰能力强、安全可靠、稳定的继电器,同时在规划具体线路时,笔者认为,设计人员还需要注意以下几点内容:

(1)触头的设计,要保证所有电器触头必须全部正确对接。例如同一电器,如果将常闭与常开的辅助头放在一起,那么当将它们接在不同相的电源上时,很可能由于限位开关上的常开/闭触头产生电位差使得电路短路,如果线路没有良好的绝缘性,那么势必会造成电路短路事故。

(2)设计电器线圈联接时,要保证所有电器线圈正确联接。串联的两个电器线圈一般不能出现在交流控制电路中,即便串联的两个线圈的额定电压和等同于外加电压,也不允许非并联线圈连接。要实现接触器与接触器,接触器与线圈的同步,应当将所有线圈并联在电路中,使所有线圈承受相同的额定电压。

(3)设计后的控制机构,其后期维护与操作必须简单明了,在操作人员采用某种控制方式控制时,可以根据实际需求迅速、快捷的切换到其他控制方式,例如,在进行自动控制时,可以根据需求直接切换到手动控制,所有电控设备都需保证其后期运行的稳定性与维护的便利性,同时还需为其配置隔离电器,以便在仪器出现故障时进行抢修。

2.5电力拖动自动控制系统设计应遵循的原则

笔者通过总结,归纳出当前电力拖动自动控制系统在设计时应当遵循的原则:

(1)经济简单化原则。企业在选择电力拖动自动控制系统时,都想要低廉的价格换来可靠的电力拖动控制系统。因此在设计过程中,设计人员应当尽最大努力将系统不必要的电器与触头数量进行减少,线路设计应当最优化。

(2)稳定、安全、可靠性原则。在经济简单化原则基础上选择稳定性、可靠性、安全性较强的元件。

3电力拖动自动控制系统的安全防护

任何系统的出现都需要制定想匹配的安全防护措施,电力拖动自动控制系统亦是如此,一般情况下,电力拖动自动控制系统的安全防护分为两种:一种是计算机系统保护;另一种是电器保护。电器保护是最基本,也是必要的保护,其通常有过流保护、短路保护、欠压保护以及热保护。而计算机系统保护则是不可或缺的保护,它属于高级保护,主要是对确保系统运行、维稳等进行保护。笔者在下文将从以下几点对电力拖动自动控制系统的安全防护进行分析:

(1)短路保护:短路故障一般是因为电流短路而造成局部电气设备绝缘体过热损害,电流过大,容易造成强大的电磁脉冲进而产生电动应力,进而损害电力拖动自动控制系统或各种电器设备。

(2)过流保护:如果使用电动机不当,很容易使得电动机超负荷运作,这样会引起电动机局部过电流,一般的过电流能量是正常启动电动机电流的数倍,因此容易损害电动机及系统元器件。

(3)欠压保护:系统运行过程中,如果电源电压不能满足电动机正常运作的需求,容易造成系统因欠压而减缓电动机速率甚至同志运作,当负载矩不变时,可以适当的增加电源来提压。另外,欠压还会造成电气释放问题,进而影响系统所有器件的正常工作,情况严重时还会出现系统故障。所以,笔者认为,当电压达到电动机电压临界值时,可以采取切断电源措施来进行保护。

(4)热保护:任何元器件在经过长时间工作时都会出现过热现象,如果电动机绕组或长时间超载运行,那么势必会造成自身温度高于允许值,进而导致电动机出现故障,为避免过热损害,可以采用多个电动机相替换的方法进行热保护。

(5)安全链:安全链的保护主要涉及五个方面。1)欠压保护的控制;2)过流保护的控制;3)水压保护;4)油压保护;5)轴瓦温度保护。安全链是将上述五种保护串联在一起的保护,无论其中哪个环节出现问题,计算机都会直接将自动控制系统关闭。

(6)运行连锁和启动连锁的保护:当计算机接收到信号后,电力拖动自动控制的实现主要是通过计算机所配置的程序完成,该过程主要是预防系统运行时信号条件的消失或电动机缺乏条件启动的保护。

4结论

本文通过对电力拖动自动控制系统各方面的研究,提出了加强、完善系统设计与安全防护的意见,以期为设计者与使用者提供帮助。



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9、

《电力拖动控制线路与技能训练》实训中故障检测方法的分析

在《电力拖动控制线路与技能训练》的实习教学中,有相当多的学生在安装完控制线路后,对所接电路是否正确没有信心,不敢通电试车;当线路出现故障时又不知如何下手去处理。本文着重介绍电阻测量法、短接法这两种简单又安全的检测方法。

因电阻测量法断电操作,学生觉得安全;而短接法结果比较直观,所以这两种方法大受欢迎。下面就讨论这两种检测方法在《电力拖动控制线路与技能训练》实习教学中的应用。

一、电阻测量法

在实训中,不少学生在控制线路安装完后会立即想到通电试车,但又怕通电不成功而遭到同学的耻笑,心里很矛盾。此时如果能有合适的检测方法帮助他自检,不仅可以减少失败率,而且一旦成功,带给学生的会是更高的学习兴趣和自豪感,还能增强他们进一步学习的信心。因为此时电路没有通电,所以电阻测量法是最好的检测方法。

要想测量时思路清晰,学生首先要多识读电路图,会分析电路的控制原理,同时掌握基本的测量方法。下面以接触器联锁正反转控制线路为例来讲解,电路图如图1,接触器选择CJ10-20。

测量时通过按下按钮、接触器等元件来模拟控制元件的工作,根据各支路的通断,从万电表所指示的阻值变化来判断安装的线路是否正确。

1.安装前先测量各元件是否完好,坏的要修理好,修不好的要更换,同时要测量并记下所用交流接触器KM1、KM2线圈的直流电阻值,因为不同型号的接触器具体的阻值有较大差别,如常用的CJ10-20交流接触器线圈直流电阻约1800Ω。

2.万用表选用合适的档位,档位过大使示数太小、容易误判是短路,档位过小使示数很大、误判为开路,严重会影响到测量的准确性;一般选择×10Ω档或者×100Ω档。

3.用万用表电阻档测量熔断器FU1、FU2、FU3,应该是电阻为0Ω,若不导通,则更换熔体或重新拧紧熔断器的瓷帽直到导通良好。

4.在自检测量时把万用表的两根表笔分别接在控制电路的起点即FU2的U11、V11两点(或是FU2的出线点0、1两点),万用表的读数指示为∞(如果电阻为0Ω,则电路存在短路;如果电阻为1800Ω或900Ω,则有可能是自锁触头或启动按钮接错)。

(一)控制电路的检查(电路正常的万用表示数)

1.按钮功能检查

(1)正转控制检查

①按下启动按钮SB1→万用表指针读数指示约1800Ω(正转控制接触器KM1线圈回路接通)。

②同时按下停止按钮SB3→万用表指针读数指示∞(正转控制接触器KM1线圈回路被切断)。

③松开SB3,同时按下SB2→万用表指针读数指示约900Ω(KM1、KM2两个控制回路并联)。

④SB1、SB2、SB3同时按下→万用表指针读数指示∞(正、反转控制回路同时被切断)。

(2)反转控制检查

①按下启动按钮SB2→万用表指针读数指示约1800Ω(反转控制接触器KM2线圈回路接通)。

②同时按下停止按钮SB3→万用表指针读数指示∞(反转控制接触器KM2线圈回路被切断)。

③松开SB3,同时按下SB1→万用表指针读数指示约1000Ω(KM1、KM2两个控制回路并联)。

④SB1、SB2、SB3同时按下→万用表指针读数指示∞(正、反转控制回路同时被切断)。

2.自锁和互锁检查

(1)正转控制

①按下KM1触头支架→万用表指针读数指示约1800Ω(接触器KM1常开辅助触头3、4两点接通KM1线圈控制回路)。

②同时按下SB3→万用表指针读数指示约∞(接触器KM1线圈控制回路被切断),则自锁正常。

③松开SB3,同时按下KM2触头支架→万用表指针读数指示约∞(KM1线圈回路被KM2常闭辅助触头4、5两点切断,KM2线圈回路被KM1常闭辅助触头6、7两点切断),则互锁正常。

(2)反转控制

①按下KM2触头支架→万用表指针读数指示约1800Ω(接触器KM2常开辅助触头3、6两点接通KM2线圈控制回路)。

②同时按下SB3→万用表指针读数指示约∞(接触器KM2线圈控制回路被切断),则自锁正常。

③松开SB3,同时按下KM1触头支架→万用表指针读数指示约∞(KM2线圈回路被KM1常闭辅助触头6、7两点切断,KM1线圈回路被KM2常闭辅助触头4、5两点切断),则互锁正常。

(二)主电路的检查

主电路的检查一般是在控制电路检查完后进行,主要目的是为了检查主电路是否存在短路。在检查主电路时由于电动机每相绕组的直流电阻较小,一般在10Ω以下,电阻档应该选择×1Ω档。接上电动机后按各接触器的工作顺序按下接触器触头支架模拟接触器工作,同时用万用表测量总开关出线点U11、V11、W11两两间的电阻,电阻大小应该相等且为电动机任意两相间电阻。若电阻为零,说明主电路出现短路;如果电阻较大或∞,说明主电路存在接触不良或开路。

在电路图中,假设电动机M的绕组是Y形连接,每相绕组电阻为8Ω,测量步骤如下。

1.按下KM1触头支架,用万用表的两根表笔分别测量U11-V11、U11-W11、V11-W11间的电阻,读数应为16Ω。

2.按下KM2触头支架,用万用表的两根表笔分别测量U11-V11、U11-W11、V11-W11间的电阻,读数应为16Ω。

在此图中为了检查反转时KM2进、出线的U相W相是否换相,要同时按下KM1、KM2触头支架进行检查。U11-V11、V11-W11间的电阻,读数应为12Ω(此时U相绕组与W相绕组并联后跟V相绕组串联);U11-W11间电阻为零(由于反转时KM2出线端U相与W相要换相)。

经过测量后若电阻值符合以上规律,电路接线基本正确没有存在严重的故障(短路),通电成功率很高,同时学生在测量过程中也提高了分析判断电路的水平。最后要提醒,在接通电源后通电试车前应该用电压测量法测量各熔断器间的输出电压是否正常,若不正常要找出原因;当控制电路能正常控制后,一定要测量连接电动机的电源输出端子的电压是否正常,以免电动机通电时缺相。

二、短接检测法

所谓短接法,就是用一根绝缘良好的导线,把所怀疑的断路部位短接,如短接过程中电路被接通,就说明该处断路。这种方法需通电检测,是检查控制线路断路故障的一种简便、可靠的方法,实际操作中有局部短接法和长短接法两种方法。下面还以接触器联锁正反转控制线路为例来分析。

(一)检测方法

1.局部短接法

此法是一次只短接一个触头来检查控制线路断路故障的方法。

(1)正转控制电路的检测

合上电源开关,按下启动按钮SB1,若KM1不吸合,说明电路有故障。检查前,先用万用表测量1―0两点间的电压,若电压正常,可按下SB1不放,然后用一根绝缘良好的导线分别短接1―2,2―3,3―4,4―5各点间(注意绝对不能短接5―0两点,否则会造成电源短路),当短接到某两点时,接触器KM1动作吸合,即说明故障点在该两点之间。

(2)反转控制电路的检测

合上电源开关,按下启动按钮SB2,若KM2不吸合,说明电路有故障。可按下SB2不放,然后用一根绝缘良好的导线分别短接1―2,2―3,3―6,6―7(注意绝对不能短接7―0两点,否则会造成电源短路),当短接到某两点时,接触器KM2动作吸合,即说明故障点在该两点之间。

2.长短接法

此法是一次短接两个或两个以上触头来检查控制线路断路故障的方法。

以正转控制电路为例,当KH的常闭触头和SB3的常闭触头同时接触不良时,若用局部短接法短接1―2点,按下SB1,KM1仍不能吸合,则可能造成判断错误。而用长短接法将1―5两点短接,如果KM1吸合,则说明1―5这段电路上有断路故障,然后再用局部短接法逐段找出故障点。长短接法的另一个作用是可把故障范围缩小到一个较小的范围。例如,第一次先短接3―5两点,如果KM1不吸合,再短接1―3两点,KM1吸合,说明故障在1―3范围内。可见,长短接法和局部短接法结合使用,很快就能找出故障点。

(二)注意事项

因为短接法是带电检测,所以使用时必须注意以下几点。

1.一定要注意用电安全。

2.只适用于检查控制线路,不能在主电路中使用,且绝对不能短接负载,或压降较大的电器,如电阻、线圈、绕组等的断路故障,否则将发生短路现象。

3.对于生产机械的某些要害部位,必须在保证电气设备或机械部件不会出现事故的情况下,才能使用短接法。

在实际安装检修中,机床电气故障是多样的,各种检测方法可交叉使用,力求及时、熟练、迅速、准确、安全地找出故障点,并加以排除。



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