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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、

节能电机与普通电机的区别在哪里

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。与普通电机相比,使用高效电机的节能效果非常明显,通常情况下效率可平均提高4%。重量基本相同。

高效节能电机是指通用普通型电动机具有高效率的电机。

高效节能电机特点:

1、节约能源、降低长期运行成本,非常适合纺织、风机、水泵、压缩机使用,靠节电一年可收回电机购置成本。

2、直接启动、或用变频器调速,可全面更换异步电机。

3、稀土永磁高效节能电机本身可比普通电机节约电能15℅以上。

4、电机功率因数接近1,提高电网品质因数,无需加功率因数补偿器。

5、电机电流小,节约输配电容量、延长系统整体运行寿命。



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3、

电机拖动


电机拖动装置由电动机及其自动控制装置组成。自动控制装置通过对电动机起动、制动的控制,对电动机转速调节的控制,对电动机转矩的控制以及对某些物理参量按一定规律变化的控制等,可实现对机械设备的自动化控制及减少能耗。电机拖动包括卷扬机、行车、机床等。


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4、

电机与电力拖动在经济中的作用与发展趋势

在工农业中,国防事业和人们的日常生活中,电能是最重要的能源之一。电机在日常生活中起着重要作用,在电机中,电机碳刷,电机滑环是不可缺少的。与其他能源相比,电能具有转换经济、传输和分配容易、使用和控制方便等优点外。

自然界中不存在可以直接使用的电源,电能通常是由其他形式的能量转换而来的。其中将机械能转换为电能的装置就是发电机。

我们碳刷、滑环厂家以为电能的传输和分配离不开变压器。发电厂的碳刷质量十分重要,发电厂发出的电能通过电力网应能够实现远距离传输,一般碳刷发电机传输的电压为10-20KV,为了实现远距离传输、减少传输损耗,常用变压器将发电机发出的电压升高至110KV/220KV/330KV/500KV,甚至更高。

输送到用电地区后,要经过变压器将至用户能承受的数值,才能供用户使用。

电能的利用就是将电能转换为其他形式的能量。利用电动机将电能转换为机械能,拖动生产机械工作是电能利用的一个重要方面。用电动机拖动生产机械所组成的系统称为电力拖动系统。电力拖动系统具有以下几个优点:传动效率高、运行经济;电动机种类和规格繁多,具有良好的特性,能满足不同机械的需要;电力拖动系统操作和控制方便,能实现自动控制和远距离控制。

在现代工业企业中,几乎所有生产机械都是由电动机拖动的,如各种机床、生产线、风机、水泵等。可以毫不夸张的说,没有电动机、没有电力拖动技术,就没有现代化工业。

迄今为止,世界上几乎所有的电能是有同步发电机发出来的,发电机生产的大部分电能是通过电动机消耗的。因此,电机和电力拖动技术在国民经济中具有极其重要的作用。



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5、

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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6、

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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7、

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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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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