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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、

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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2、

浅议电动机常见故障的分析与检修

为保证时机的正常工作对运行的电动机要进行检修,对于电动机的运转环境要做到防砸、防淋、防潮。对于环境不良,经常挪动、频繁起动、过载运行等要加强日常维护和保养,及时发现和消除隐患。

一、电动机电气常见故障的分析和处理

(一)接通后,电动机只嗡嗡不起动。可能原因:电源没有全部接通成单相起动;电动机过载;被拖动机械卡住;绕线式电动机转子回路开路成断线;定子内部首端位置接错,或有断线、短路。处理方法:检查电源线,电动机引出线,熔断器,开关的各对触点,找出断路位置,予以排除;卸载后空载或半载起动;检查被拖动机械,排除故障;检查电刷,滑环和起动电阻各个接触器的接合情况;重新判定三相的首尾端,并检查三相绕组是否有灿线和短路。(二)电动机起动困难,转速低。可能原因:电源电压较低;原为角接误接成星接;鼠笼型转子的笼条端脱焊,松动或断裂。处理方法:提高电压;检查铭牌接线方法,改正定子绕组接线方式;进行检查后并对症处理。(三)电动机使用时超温。可能原因:电源电压过低,电动机在额定负载下造成温升过高;电动机通风不良或环境湿度过高;电动机过载或单相运行;电动机起动频繁或正反转次数过多;定子和转子相擦。处理方法:测量空载和负载电压;检查电动机风扇及清理通风道,加强通风降低环温;用钳型电流表检查各相电流后,对症处理;减少电动机正反转次数,或更换适应于频繁起动及正反转的电动机;检查后遗症处理。(四)动电机运转时噪声大。为了调整滑差电机动平衡,其电枢和磁极转子的两端分别装有配重装置。如果这部分装置稍有松动,那么滑差电机在高速转动时就会偏离原?的位置。故障如果发生在主传动电机的外瑞面,就会造成电枢和磁极转子的局部摩擦,使噪声加大。这时就需要停机修理,恢复电枢和磁极转子的动平衡,并重新找好原动平衡配重的位置并将其固定好,使主传动电机正常运转。通风不良。如风扇脱落、通风道堵塞等。过载。致使电流过大而使定子绕组过热。定子绕组匝间短路或三相电流不平衡(五)动电机制动电磁离合器烧毁。必须保持胶印机制动离合器的磁轭、衔铁、摩擦片等部位的清洁,无油污和任何杂物。工作时间一长、接触不良,而且摩擦片中的这些杂质加大了离合器在工作时的摩擦负荷。电气元件由于接触不良而不吸合,使其温度升高,制动电磁离合器线圈的绝缘便会过早受到损害,以致最后被烧毁。因此要特别注意维护保养,离合器散热通风,减少损耗,降低工作温度,延长电气元件使用寿命。(六)绝缘电阻低。可能原因:绕组受潮或淋水滴入电动机内部;绕组上有粉尘,油圬;定子绕组绝缘老化。处理方法:将定子,转子绕组加热烘干处理;用汽油擦洗绕组端部烘干;检查并恢复引出线绝缘或更换接线盒绝缘线板;一般情况下需要更换全部绕组。(七)电动机外壳漏电。可能原因:电动机引出线的绝缘或接线盒绝缘线板;绕组端部碰机壳;电动机外壳没有可靠接地。处理方法:恢复电动机引出线的绝缘或更换接线盒绝缘板;如卸下端盖后接地现象即消失,可在绕组端部加绝缘后再装端盖;按接地要求将电动机外壳进行可靠接地。(八)电动机运行时声音不正常。可能原因:定子绕组连接错误,局部短路或接地,造成三相电流不平衡而引起噪音;轴承内部有异物或严重缺润滑油。处理方法:分别检查,对症下药;清洗轴承后更换新润滑油为轴承室的1/2―1/3。(九)电动机使用时发生振动。可能原因:电动机安装基础不平;电动机转子不平衡;皮带轮或联轴器不平衡;转轴轴头弯曲或皮带轮偏心;电动机风扇不平衡。处理方法:将电动机底座垫平,时机找水平后固牢;转子静平衡或动平衡;进行皮带轮或联轴器校平衡;校直转轴,将皮带轮找正后镶套重车;对风扇校静。

二、电动机机械常见故障的分析和处理

(一)定、转子铁芯故障检修。定、转子都是由相互绝缘的硅钢片叠成,是电动机的磁路部分。定、转子铁芯的损坏和变形主要由以下几个方面原因造成。1、轴承过度磨损或装配不良,造成定、转子相擦,使铁芯表面损伤,进而造成硅钢片间短路,电动机铁损增加,使电动机温升过高。2、拆除旧绕组时用力过大,使倒槽歪斜向外张开。3、因受潮等原因造成铁芯表面锈蚀,此时需用砂纸打磨干净,清理后涂上绝缘漆。4、因绕组接地产生高热烧毁铁芯或齿部。可用凿子或刮刀等工具将熔积物剔除干净,涂上绝缘溱烘干。5、铁芯与机座间结合松动,可拧紧原有定位螺钉。若定位螺钉失效,可在机座上重钻定位孔并攻丝,旋紧定位螺钉。(二)轴承故障检修。转轴通过轴承支撑转动,是负载最重的部分,又是容易磨损的部件。1、故障检查。运行中检查:滚动轴承缺油时,会听到骨碌骨碌的声音,若听到不连续的梗梗声,可能是轴承钢圈破裂。轴承内混有沙土等杂物或轴承零件有轻度磨损时,会产生轻微的杂音。拆卸后检查:先察看轴承滚动体、内外钢圈是否有破损、锈蚀、疤痕、是否磨损等。2、故障修理。轴承外表面上的锈斑可用砂纸擦除,然后放入汽油中清洗;或轴承有裂纹、内外圈碎裂或轴承过度磨损时,应更换新轴承。更换新轴承时,要选用与原来型号相同的轴承。

总之,电动机具有结构简单,运行可靠,使用方便,价格低廉等特点。它在我们的生活中用途及其广泛,对于日常检修,及故障的排除尤为重要。



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3、

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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4、

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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5、

电动机直接启动严重影响电动机的绝缘性能和使用寿命


风机运行中实际风量仅为额定风量的一部分,风机远离额定工作点运行,其实际运行效率很低,能耗浪费问题严重。由于挡板的存在,挡板前后存在压差,消耗了很大一部分能量,同时加大了对管道和风机的磨损。采用人工方式来调节挡板,操作麻烦,实时性差。电动机直接启动,启动电流为额定电流的6~8倍,严重影响电动机的绝缘性能和使用寿命,并会对电网造成较大冲击。电动机运行功率因数最高为0.8,功率因数低,无功损耗大。

技术改造节能原理项目通过技术改造,新增高、低压变频器系统,以调节电动机运行频率(转速)的方式替代了原有的调节风门的运行方式,从而起到节省电能、提高功率因数、改善运行工艺的作用。从风机的运行曲线图来分析采用变频调速后的节能效果。

项目技术改造方案通过新增的高压变频器系统与低压变频器系统,使风机可以在变频运行状态和工频运行状态间进行切换,即使在变频器发生故障时也不会影响风机的运行,保证不因增加高压变频器系统与低压变频器系统而降低原有系统的整体可靠性,同时在变频运行时,调节电动机转速,达到节能效果。



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6、

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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7、

异步电动机转矩控制软起动仿真

软起动技术有利于改善异步电动机起动过程中产生过大电流问题,本文详细分析、比较了变频、液阻和晶闸管串联等软起动方法的特点,采用晶闸管串联技术和转矩控制策略,实现异步电动机固态软起动。利用MATLAB/SIMULINK对转矩控制闭环系统建立了仿真模型并进行了仿真实验,仿真结果表明采用转矩控制方式,软起动装置能够很大程度地降低起动转矩和起动电流,能够很好地控制异步电动机的启动过程。


1引言

鼠笼式异步电动机在全压直接起动时,起动电流可以达到额定电流的5-7倍,会造成电动机绕组因过流引起过温,从而加速绝缘老化。同时,硬起动造成的过电流也势必会造成电网电压急剧下降,影响其他电力设备的正常使用,且电网电压的急剧下降,使起动转矩减小,有造成起动失败的可能性。异步电动机降压起动目前应用比较普遍的有:串电阻或者串电抗起动、Y—△起动。自藕变压器降压起动等方法。这些传统降压起动方法很大程度上缓解了大容量电机在相对较小容量电网上起动时的矛盾,但是它们只是降低起动电流冲击,并没有从本质上解决问题,而且还造成起动转矩同时在减小,在切换瞬间还会产生二次冲击电流。近年来,随着电力电子技术的发展,使无电弧开关和连续调节电流成为可能。为电动机的起动提供了全新的思路,从而出现了电机软起动技术。晶闸管串联式的高压软起动器应运而生,如美国的BS公司。英国的CT公司。法国的TE公司、瑞典的ABB公司等软起动器系列产品已成为市场的主流。其中美国的BS公司采用晶闸管串联技术生产的重压6~13.8KV软启动器,最大功率可以达10MV。国内的中源ZY—FR1000系列软启动器性能达到国际先进水平,湖北省万洲电气有限公司WGQH系列高压固态软启动器也具有国内先进的水平。

2软起动方法

2.1变频启动

变频器用于交流电机起动,起动电流小、起动力矩大、调速曲线平滑调速范围大、运行平稳,起动速度快,是交流电机理想的起动方式。但是,高压变频器更适用于需要调速的电机系统,且价格高昂,单纯做软起动装置使用太浪费。

2.2液阻式降压软起动

2.2.1液阻软起动

液阻式一种由电解液形成的电阻,起到点本质是离子导电。电解液中有两个导电极板,即固定板和动级板,伺服系统控制动级板得距离来改变起动电阻值。

2.2.2热变电组软起动

与液阻的主要区别在于电机不动,热变电阻呈现明显的负温特性。

液阻式软起动装置的不足时电机起动时,液体电阻发热,要消耗一定的电能,且不适合频繁起动场合。但因其投资少,性能好(无级控制,热容量大),不会产生谐波影响电网,使用于高压发大功率和重载起动。

2.3磁饱和电抗软起动

磁饱和电抗器的等效电抗值是可控的,它利用铁心的饱和特性,通过改变直流励磁改变其电抗参数,可以实现电流闭环控制,且可实现软停车。与高压晶闸管软起动相比,其缺点是控制快速性比较差,噪声较大,也会产生一定的高次谐波。

2.4开关变压器软起动

用开关变压器隔离高压和低压,通过改变其低压绕组上电压来改变高压绕组上的电压,从而达到改变电机端电压的目的,以实现软起动。不必采用晶闸管串联技术,可靠性大大提高,且谐波很小。此外,电压电流可全范围调节。可构成闭环控制,时间常数小,反应迅速。

2.5晶闸管串联软起动调压电路,

在高压电网和电动机之间接入反并联晶闸管通过控制晶闸的触发角进行斩波,起到调压作用。由于单只晶闸管还不足以高压,所以采用串联技术,例如在设计6KV高压软起动装置的时候功率单元常采用3只晶闸管串联的方式提高耐压值。该系统对均压电路、触发电路的性能要求较高,对元器件参数的一致性要求比较高。可实现输出电压连续可调,能完全免除对电网和电动机及机械设备的冲击。

综上所述,晶闸管具有体积小、实现软启动停容易能量损耗小、启动方式多样化等特点。同时,多个晶闸管串联,需要解决同步触发、均压、均流等技术关键。




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8、

鼠笼式交流异步电动机起动技术

1引言

三相鼠笼式交流异步电动机因其结构简单,性能稳定及无需维护等特点,在各个行业中得到了广泛的应用,但由于其在起动过程中会产生过大的起动电流,会对电网和其他用电设备造成冲击,受电网容量限制和保护其他用电设备正常工作的需要,要在电机起动过程中采取必要的措施。总的来说,在不需要调速的场合,考虑经济的因素,异步电动机的起动可以有两种方法:直接起动和降压起动。

2直接起动

直接起动也就是全压起动,起动方法简单,但交流异步电动机的起动电流大,可达到额定电流的4~7倍,对于国产电动机的实际测量,某些笼形异步电动机甚至可达到8~12倍。过大的起动电流会造成电动机发热,影响电动机寿命;电动机绕组(特别是端部)在电动力作用下,会发生变形造成短路而烧坏电动机;过大电流会使线路压降增大,造成电网电压下降而影响到同一电网的其他用电设备的工作。所以,一般情况下规定,异步电动机的功率低于7.5kw时允许直接起动,如果功率大于7.5kw,在条件不允许的情况下,就需要采用其他方法进行起动。

3降压起动

3.1电阻降压起动

起动原理图如图1所示。q1和q2为接触器;r为起动电阻。

(1)简介

电阻降压起动就是通常所说的定子串电阻起动。在定子电路串联电阻,起动时电流会在电阻上产生压降,降低了电动机定子绕组上的电压,起动电流也从而得到减小。起动时,q1闭合,q2断开,起动完成后,闭合q2。

(2)优点

起动平稳,运行可靠,结构简单,如果采用电阻降压起动,在起动阶段功率因数较高。

(3)缺点

由于起动转矩和定子电压的平方成正比,所以起动时电压降低将造成起动转矩减小,适用于轻载和不频繁起动的场合;起动时电能损耗大,起动成本高。

3.2自耦变压器降压起动

起动原理图如图2所示,q1和q2为接触器。

(1)简介

自耦变压器降压起动利用自耦变压器降低加到电动机定子绕组的电压,以减小起动电流。自耦降压起动的起动电流参照式(1),起动电压参照式(2),起动转矩参照式(3)。

式中,i1为自耦变压器原边电流,即使用自耦变压器时的电机起动电流;

ist为电机直起时的起动电流;ux为自耦变压器起动时的起动电压;t为自耦变压器起动时的起动转矩;tst为电机直起时的起动转矩;w2、w1分别为自耦变压器副边和原边匝数。

为满足不同负载要求,自耦变压器的二次绕组一般有三个抽头分别为电源电压的40%、60%、80%(55%、64%、73%)。

(2)优点

三个电压抽头适合不同负载起动时选择;可以适用于较大容量电动机;

(3)缺点

体积大,质量大,价格高,需要维护检修。

3.3星-三角起动

起动原理图如图3所示,q1和q2为接触器。

(1)简介

星-三角起动要求电机每个绕组有两个出线端,共6个出线端。起动时接成星形,起动完成后必须为三角形。起动时连接成星形的定子绕组电压与电流只有三角形连接时的1/1.732。连接成星形起动时的线电流只有连接成三角形直接起动线电流的1/3;起动转矩和电压平方成正比,因此也是直接起动转矩的1/3。

(2)优点

体积小,重量轻,运行可靠,检修方便。

(3)缺点

只适用于正常运行时接成三角形的电动机;只适用于轻载或空载起动;起动电压是定值,不能根据负载调整。



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9、

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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