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钢铁厂液压站节电改造方案

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节能改造关注问答
1、

电机过载能力

通常讲电机的过载能力其场合为:有变频器或伺服驱动器拖动的同步或异步电机。

记得有一个客户要求电机具有8倍的过载(同步伺服电机),竟然有一个厂家说他们能做。哎有些参数瞎说是会害死人的。

8倍过载能不能做,当然能,但是没有意义,只是文字上的游戏而已。

一个电机设计和制造的水平高低,有一个参数就是功率密度,就是电机的体积和质量与功率的比值(或者只说质量吧)这个值如果能做上去,那就是高水平的电机,通常来讲,这个值的范围对不同的电机厂家来讲,差异不会很大,如果真的能做点高的话,恭喜你,你发大财了,那就是电机行业的重大突破。

回过头来,我们再看看过载能力到底是什么,所谓的过载能力就是电机的最大扭矩与额定扭矩的比值。

当一个电机被制造出来以后,他的最大扭矩这个值就被确定了,基本上是不能有很大变化的,这个就是上边所讲的功率密度所决定的,当然,你要是和我较真的话,我还得把变频器的参数考虑进来,不同的变频器控制下,这个值也稍有变化。但是另一个参数额定扭矩就不是确定的了,它是与电机冷却方式密切相关的,自然冷却的额定扭矩《强制风冷的额定扭矩《水冷(或油冷)的额定扭矩。那么这三种方式那个过载能力高呢,当然是自然冷却的高了,但那个电机最贵的,水冷(或油冷)方式的了。

如果有人告诉你他的电机的过载系数很高,你要先问他一下电机的最大扭矩,然后问他一下电机的重量。拿这两个参数和别的电机比一下,呵呵,如果这两个参数相接近的两个电机,过载系数高的那个电机的冷却就是做的很差的那个。



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2、

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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3、

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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4、

基于MCF51EM256的智能电动机保护器的设计及应用

采用Freescale公司Coldfire-V0架构内核的32位处理器MCF51EM256芯片,设计了一款高性能的ARD2L智能电动机保护器,并对该保护器的硬件和软件设计方案进行详细介绍。该保护器集众多保护功能于一体,提高了电动机运行的可靠性,减少了因电动机运行故障带来的经济损失。

引言

现代工矿企业中,以电动机作为动力的比例占全部动力的90%以上,它们已是当今生产活动和日常生活中最主要的原动力和驱动装置[1,2],为此检测与保护电动机的正常运行有着非常重要的意义。保护器经历了热继电器、熔断器、电磁式电流继电器、模拟电子式电机保护器,最后发展到数字电子式电机保护器即当今的智能电机保护器。本文设计了一款针对电动机在运行过程中出现的起动超时、过载、欠载、短路、断相、不平衡、接地/漏电、堵转、阻塞、外部故障等情况进行保护的ARD2L智能电动机保护器(以下简称ARD2L),可有效提高电动机运行的安全性,降低生产损失,是传统热继电器的理想替代品[3]。

1硬件设计

ARD2L的硬件电路包括主控芯片MCU,频率信号、电流信号、零序电流信号采集电路,开关量输入模块,继电器输出模块,变送输出模块,RS-485通讯接口,人机交互单元(状态指示灯、数码管/液晶显示),硬件电路框图如图1所示。

1.1主控芯片

MCU芯片采用freescale公司的Coldfire-V0架构内核的32位处理器MCF51EM256,时钟频率最高可达50.33MHz,内置256K的Flash、16K的RAM、4个独立16位A/D通道、3路定时器、3路SCI通讯接口以及内置RTC时钟、I2C、SPI、KBI接口等多种资源,具有极高的性价比。

1.2电源

电源是设备能否正常、稳定、可靠工作的关键部分,ARD2L采用安科瑞的通用开关电源模块。该模块输入电压为AC85V~265V,输入频率45Hz~60Hz,具有多路隔离电压输出,满足多种功能对不同供电电压的要求。其输出电压稳定、故障率小,输出纹波<1%;电源输入部分设计加入压热敏电阻、TVS管、防反接二极管等器件,对过压、过流等有一定的保护作用,同时能使产品通过严酷的EMC测试。该模块经现场实际使用,具有很高的稳定性、可靠性和抗干扰能力[4]。

1.3信号采集电路

信号采集电路负责采集电流信号、频率信号和零序电流信号。其中,电流信号采用互感器隔离输入,将交流信号抬高后送入CPU进行软件差分运算,电流采样电路如图2所示。以A相6.3A规格为例,采用的电流互感器变比为100A:20mA,5P10保护型。该方案电流测量在1.2倍范围内达到0.5S精度,在8倍范围内满足5S精度,而其过载能力按8倍计算,即给互感器加上50.4A电流,通过取样电阻R1的电流为10.08mA,两端电压为0.886V。同时,给采样信号抬高电压UREF=1.2V,使交流信号的幅值大于零,便于A/D采样;在电路的输出端加入限压二极管,使输入电压限制在3.3V以下,能对A/D采样通道起到很好的保护作用。

频率采样电路如图3所示。该电路采用MCP6002双运放进行两级放大,初级放大倍数较小,且在初级与次级之间进行滤波处理,次级运放将交流信号整形为方波信号,通过边沿触发方式捕捉,然后在CPU内部计算测量频率。

1.4人机交互界面

人机交互界面的显示采用数码管或液晶两,用户可以根据实际需要选择显示方式,输入采用按键方式。其中,数码管显示采用动态扫描方式,其驱动电路采用74HC595和三极管构成;液晶显示采用拓普威公司LM12832BCW的128点阵中文液晶,其数据传输采用SPI串口,可极大地节省CPU资源。同时,LED和LCD显示采用同一个SPI接口控制,使得两种显示方式可以通用。

1.5控制模块

控制模块主要由开关量输入、输出组成,如图4所示。其中,开关量输入用于监测断路器、接触器的开关状态和采集现场的工业联锁状态,也可根据客户要求用于电动机的起停控制;开关量输出主要用于输出脱扣信号、报警信号和远程起/停信号。

1.6通讯/变送模块

通讯模块采用RS-485模块ModbusRTU通讯规约,能实现遥测、遥控、遥信等功能。而变送是将我们需要的电流信号转换为DC4~20mA模拟量输出,方便与PLC、PC等控制机组成网络系统,实现电动机运行的远程监控。



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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、

异步电动机软启动的特点

电动机作为重要的动力装置,已被广泛用于工业、农业、交通运输、国防军事设施以及日常生活中。直流电动机其调速在过去一直占统治地位,但由于本身结构原因,例如换向器的机械强度不高,电刷易于磨损等,远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。而交流电动机,特别是三相鼠笼式异步电动机,由于其结构简单、制造方便、价格低廉,而且坚固耐用,惯量小,运行可靠等优势,在工业生产中得到了极广泛的应用,也正在发挥着越来越重要的作用。


交流电动机和直流电动机相比存在许多优点,但当异步电机在起动过程中又有许多弊病。所谓起动过程是在交流传动系统中,当异步电动机投入电网时,其转速由零开始上升,转速升到稳定转速的全过程。如不采用任何起动装置的情况下,直接加额定电压到定子绕组起动电动机时,电机的起动电流可达额定电流的4~8倍,其转速也在很短时间内由零上升到额定转速。同时三相感应电动机起动时的转矩冲击较大,一般可达额定转矩的两倍以上。

起动时过高的电流一方面会造成严重的电网冲击,给电网造成过大的电压降落,降低电网电能质量并影响其他设备的正常运行。而过大的转矩冲击又将造成机械应力冲击,影响电动机本身及其拖动设备的使用寿命。因此,通常总是力求在较小的起动起动电流下得到足够大的起动转矩,为此就要选择合适的起动方法。在选择起动方法时可以根据具体情况具体要求来选择。

对三相鼠笼式异步电动机的起动电流的限制,通常有定子串接电抗器起动、Y-△起动、自藕变压器将压起动、延边三角形起动。而对绕线式交流电动机,常采用转子串接频敏变阻器起动、转子串电阻分级起动。但这些传统的起动方法都存在一些问题。

1.定子串接电阻起动:由于外串了电阻,在电阻上有较大的有功损耗,特别对中型、大型异步电动机更不经济,因此在降低了起动电流的同时、却付出了较大的代价—起动转矩降低得更多,一般只能用于空载和轻载。

2.Y--△起动:丫一△起动方法虽然简单,只需一个Y一△转换开关。但是Y--△起动的电动机定子绕组六个出线端都要引出来,对于高电压的电动机有一定的困难,一般只用于△接法380v电动机。

3.自祸变压器将压起动:自祸变压器将压起动,比起定子串接电抗器起动,当限定的起动电流相同时,起动转矩损失的较少;比起卜△起动,有几种抽头供选用比较灵活,并且巩/峨较大时,可以拖动较大些的负载起动。但是自祸变压器体积大,价格高,也不能拖动重负载起动。

4.延边三角形起动:采用延边三角形起动鼠笼式异步电动机,除了简单的绕组接线切换装置之外,不需要其他专用起动设备。但是,电动机的定子绕组不但为△接,有抽头,而且需要专门设计,制成后抽头又不能随意变动。

随着电力技术(尤其是集成电路、微处理器以及新一代电力电子器件)的不断发展,异步电动机起动过程中的起动电流过高,起动转矩过小等问题得到了很好的解决。

电子软起动器相对于传统的起动方式,其突出的优点体现在:

1.电力半导体开关是无电弧开关和电流连续的调节,所以电子软起动器是无级调节的,能够连续稳定调节电机的起动,而传统起动的调节是分档的,即属于有级调节范围。

2.冲击转矩和冲击电流小。软起动器在起动电机时,是通过逐渐增大晶闸管的导通角,使电机起动电流限制在设定值以内,因而冲击电流小,也可控制转矩平滑上升,保护传动机械、设备和人员。

3.软起动器可以引入电流闭环控制,使电机在起动过程中保持恒流,确保电机平稳起动。

4.根据负载情况及电网继电保护特性选择,可自由地无级调整至最佳的起动电流,节省电能。

5.由于采用微机控制,可在起动前对主回路进行故障诊断,且数字化的控制具有较稳定的静态特性,不易受温度、电源电压及时间变化等因素的影响,因此提高了系统的可靠性,有助于系统维护.

同时,软起动器还能实现直接计算机通讯控制,为自动化控制打下良好的基础。



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电机拖动中变频调速系统的常见故障及排除措施

电机是一种实现电能量转换的电磁装置,包括电动机和发电机。电机拖动是指由原动机带动生产机械运动,以电动机作为原动机并且按照人们通常给定的规律带动生产机械的运转,就称为电机拖动。电机拖动系统是用电动机来拖动机械运行的系统。

随着计算机和电子技术的发展,PLC、变频器等自动化产品在电机拖动领域得到了广泛应用。电机拖动中采用PLC-变频器调速在近几年得到了推广和普及。随着变频器使用的普及,在日常工作中会经常遇到变频器报警跳闸等故障情况,为了更好地使用变频器,减少设备停机时间,本文总结了一些变频器常见故障及排除措施。

1.变频调速系统的优点

调速范围宽,可实现有精确控制;软启动、软停止的功能降低了机械传动冲击;组件高度集成以及采用可靠性高的低压电器,有效解降低设备故障率,而且容易维护。提高了系统的功率因数和工作效率而且有明显的节能效果。

2.变频器对工作环境的要求

变频器的工作电源电压应相对稳定,环境温度为-10℃~45℃,湿度应在95%RH以下、无腐蚀性气体和导电尘埃等清洁干净的场所。当变频器在电源电压波动幅度大和潮湿高温多尘的恶劣环境下工作时,容易出现过压、欠压、过流、短路等故障。

3.常见故障及排除措施

3.1过电流、过载

一般是由于变频器的输出电流超过过电流检测值(约为额定电流的200%)、变频器的输出电流超过电机或变频器的额定负载能力(约为额定值的160%)。应检查输入三相电源是否出现缺相或不平衡、电机接线端子(U、V、W)电路之间有无相间短路或对地短路;检查电机和编码器电缆及相序是否正确;检查电机功率是否匹配、在电机电缆上是否含有功率因数校正电容或浪涌吸收装置、变频器输出侧安装的电磁开关是否误动作;检查变频器的加速时间以及变频器的参数设定是否正确。

3.2过电压

一般是由于变频器的中间电路直流电压高于过电压的极限值。应检查电源电压是否在规定范围内、变频器的减速时间是否设置过短,如过短,延长减速时间;是否正确使用制动单元、降低负载惯量或放大变频器容量。

3.3欠电压

一般是由于变频器的中间电路直流电压低于欠电压的极限值。检查电源电压是否在规定范围内、电源是否存在停电、瞬间停电、主电路器件故障、接触不良等情况、供电变压器容量是否合适、系统中是否存在大启动电流的负载。

3.4接地故障

一般是由于变频器输出侧的接地电流,超出变频器的整定值。检查电机和电机电缆的对地绝缘是否正常。

3.5输入电源缺相

一般是由于变频器直流环节电压波动太大输入电源缺相。检查变频器的供电电压是否缺相、输入三相电源电压不平衡度是否超过4%、负载波动是否过大、变频器的三相输入电流是否平衡。

3.6输出缺相

一般是由于变频器检测输出某相无输出电流,而另两相有电流。检查电机、变频器和电机之间的接线;检查变频器三相输出电压是否平衡。

3.7过热故障

一般是由于变频器的散热器温度,超出变频器的整定值。检查环境温度是否超过标准;检查变频器的散热风机工作是否正常,散热风道有无堵塞;检查变频器散热器的温度显示值。

3.8整流模块损坏

一般是由于电网电压或内部短路引起的,在排除内部短路情况下,更换整流桥。在现场处理故障时,应重点检查用户电网情况,如电网电压,有无电焊机等对电网有影响的设备等。

3.9逆变模块损坏

一般是由于电缆或电机损坏及驱动电路故障引起。在修复驱动电路之后,测驱动波形良好状态下,更换模块。在现场服务中更换驱动板之后,还必须注意检查马达及连接电缆。在确定无任何故障下,运行变频器。

3.10上电无显示

一般是由于开关电源损坏或软充电电路损坏使直流电路无直流电引起,如启动电阻损坏,也有可能是面板损坏。

4.日常维护检查应注意事项

变频器上电之前应先检测周围环境的温度及湿度,温度过高会导致变频器过热报警,严重时会直接导致电路短路、变频器功率器件损坏;空气湿度过大会导致变频器内部直接短路。在变频器运行时要注意其冷却系统工作是否正常:风道排风是否流畅,风机是否有异常噪音。IP20以上的变频器可直接敞开安装,IP20以下的变频器一般应采用柜式安装,变频柜散热效果好坏将直接影响变频器的正常运行。保护柜尽可能安装在周围温度不易上升的地方;保护柜应通风、防尘、防雨性能良好;频器在柜内应该纵向安装,而且上下、左右方向应留有足够的空间,方便变频器通风散热;柜内应安装温湿度传感器、散热风扇、加热除湿装置;经常检查进风口是否有灰尘及阻塞物,变频器的排风系统如风扇旋转是否流畅都是我们日常检查不可忽略的地方。电动机变压器、电抗器等是否过热以及有异味;变频器和马达是否有异常响声;变频器面板电流显示是否偏大或电流变化幅度太大,输出UVW三相电压与电流是否平衡等。

变频器由多种部件组成,有些部件在长期工作后其性能会逐渐降低、老化,这也是变频器发生故障的主要原因,为了保证设备长期的正常运转,冷却风扇以及滤波电容应定期进行更换。

4.1冷却风扇的更换

变频器的功率模块是发热最严重的器件,其连续工作所产生的热量必须要及时排出,一般风扇的寿命大约为10kh~40kh。按变频器连续运行折算为2~3年就要更换一次风扇,直接冷却风扇有二线和三线之分,二线风扇其中一线为正极,另一线为负线,更换时应注意不要接错;三线风扇除了正、负极外还有一根检测线,安装错误的话会引起变频器过热报警。

4.2滤波电容的更换

中间直流回路滤波电容:又称电解电容,其主要作用就是平滑直流电压,吸收直流中的低频谐波,它的连续工作产生的热量加上变频器本身产生的热量都会加快其电解液的干涸,直接影响其容量的大小。正常情况下电容的使用寿命为5年。建议每年定期检查电容容量一次,一般其容量减少20%以上应更换。

5.定期保养应注意事项

应至少一年进行一次定期检查。检查螺丝钉、螺栓和即插件等是否松动。定期清扫空气过滤器冷却风道及内部灰尘。相间电阻以及输入输出电抗器的对地是否有短路现象,必要时应用绝缘电阻测试仪进行测量,正常应大于几十兆欧。在条件允许的情况下,要用示波器测量开关电源输出各电路电压的平稳性,如:5V、12V、15V、24V等电压。U、V、W相间波形是否为正弦波。导体和绝缘体是否有腐蚀现象,如果有的话要及时用酒精擦拭干净。测量驱动器电路各路波形的方法是否有畸变。接触器的触点是否有打火痕迹,严重的要更换同型号或大于原容量的新品。确认保护显示回路无异常;确认控制电压的正确性,进行顺序保护动作试验;确认变频器在单独运行时输出电压的平衡度。

6.结束语

在电机拖动中选择适合的变频器,合理运用变频调速技术总结并且对容易出现问题的地方定期进行维修和保养工作,及时更换易损件可以保证变频器正常运行减少故障。



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电力拖动的虚拟实验技术探讨

随着社会经济的发展,以及人们素质的普遍提高,社会对人们的要求也日益提高。但是由于种种方面的限制,诸如资金的不足,实践活动的缺乏等种种因素,导致实际操作能力与创新能力缺乏。而虚拟实验技术的引用能够大大缓解以上种种因素的限制。具体到电力拖动的虚拟实验技术当中,MATLAB等软件的运用,成为了虚拟实验开发与创新技术培养的全新方式。

1虚拟实验

1.1概述

虚拟实验是在计算机仿真基础上发展起来的一项应用技术。利用计算机的强大功能可虚拟仿真实际的物理系统。众多计算机仿真软件的不断被研发出来,并应用于科研技术设计之中,做出了极为巨大的贡献。PISPCE和MATLAB是当今较为常见的计算机仿真软件,其中MATLAB是虚拟实验的主要开发软件。

1.2优势

在如今大多电机课程实验设备条件下,运用直流电机作为调速对象,仅仅只能开出直流调速系统实验。传统实验虽然拥有众多优势,但是劣势也显而易见,诸如体积巨大,维护繁琐,故障频出,购置需要大量资金等。同时在培养方面也具有巨大局限,如容纳人数的数量方面受到限制,对实验计划和方案制定会提出很高的要求,容错率很低,难以满足人才培养的需求。因此,由于传统实验存在的种种不足,衬托出了虚拟实验多种优势。基于计算机平台上的虚拟实验技术将以上劣势化为优势,对仪器和设备几乎没有需求,同时节省资金和空间。

2具体运用

通过在计算机外接设备上的点击与拖动,将虚拟的各种仪器,按实验的目标与步骤整合成一个完整实验系统的过程,就是虚拟实验。而实验条件的变动,数据的收集汇总,实验结果的分析归纳三个方面全部完成,才意味着整个实验的达成。本文以带有RLC滤波器的交流电机变频调速实验作为实例,实验中包括电机、电力电子、驱动控制三个方面,分析虚拟实验的强大作用,并与传统实验进行比较。

2.1模型的建立

将电压源型逆变器、电动机主回路以及RLC滤波器通过使用MATLAB中PSB库中的元件模型完成建立。一般出现超过功率变换电路的情况,并产生多环节控制,多信号反馈,多非线性环节的特征,说明控制电路规模较大,需要大量运用集成电路。但是,基于对电路的控制,其输入输出特性是我们研究所要了解的主要目标,而其内部的电压与电流则是可有可无的旁枝末节,导致无法使用虚拟实验来进行电路的控制。所以想要实现仿真的方式,可以通过SIMULINK数学函数进行SPWM的调制电路模型的驱动控制。而右图即为所示。

2.2模型参数的构建

通过鼠标对元件图标的点击,在出现的参数设置对话框输入诸如电机的额定电压、功率、频率、转动惯量和定转子数据等各种必要参数。通过滤波效果进行滤波器的RLC参数的设计与运算。在接收变频调速的恒压频比所产生的调制信号之后,通过SPWM调制和驱动模块内部函数的计算,再与设计的三角载波进行比较。

2.3设置仿真模型

设置仿真参数是在仿真模型开始之前必须完成的步骤。包括对开始与终止的时间、步长以及解电路运算方式等仿真类型和相对与绝对的误差等方面进行设置。较快模拟速度的得出需要使用如ode23tb、ode15s这样的刚性系统的参数运算方式。同时,MATLAB软件参数锁设定的虚拟时间与现实的时间并不一致,只是一种对于时间流逝的表现手段。若是缩小步长,则会造成采样点数的增加,使得现实中的执行时间变长。

2.4实验成果观测验证参数设计以及电路结构是否合理,是虚拟实验的主要目标。而上述实验能够经过观测器观测电机速度的变化方式与电压的波形,并依靠给定频率的大小,在进行理论的分析之后,对结果的正确性进行判断。而下面两图中的前者是电机转速的变化图,后者则是在固定的载波频率与固定的调制频率之下的逆变器输出线电压幅度频谱。两张图示将谐波各次的大小、总谐波的有效值和基波有效值三个方面十分明了的展示出来。由于电机的运行效率和机器寿命受到谐波的影响,因此,为了减少电机受高次谐波损害,将RLC滤波器安装于电机与逆变器的中间成为了有效的解决方法。总谐波畸变率在经过RLC参数的设计与电机端电压频谱的观测之后可以保持在10%之下。

2.5实验结果总结

由上面的实验可以得知,作为旋转机械的电机设备,作为是大功率电力开关的逆变器设备等传统实验设备,存在损耗高、构建繁琐、危险性强、价格昂贵等种种弊端。因而既可以对已有系统展开研究又能对处于构想中的设备进行探索,虚拟实验展现了极为显着的优越性。比如上述实验中,在模型库中虽然并不存在满足观测要求的频谱分析仪,但是在运用MATLAB函数展开构建之后,使不可能成为了可能。而虚拟实验的自定义、自主性强的特点,成为了其另一个巨大的优势。同时,虚拟实验具有良好的通用性、与其他系统开展数据交换的便利性以及升级与扩展的成长性,使其在实验数据的分析处理方面显得极为高效迅速。

3结束语

虚拟实验的优越性,通过上文的分析与具体的实验体现的淋漓尽致。但是,十全十美的系统终归是不存在的,虚拟实验尽管在各个方面上都具有显着的优势,然而也无法取代传统实验。建立极为准确的数学模型,始终是虚拟实验仿真技术中的一个难关,各种限制会使之与实际情况产生差异,这也是传统实验存在的必要性体现。因此,只有现实实验与虚拟实验相互配合,才会使电力拖动等电子电路设计技术得以真正的进步与发展。



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煤矿电机拖动系统变频节能系统研究

随着电力电子技术、计算机技术、电力通信技术等的进一步发展,变频调速节能技术得到迅速发展且在工程实际应用中发挥了良好的应用效果。高性能的变频调速节能装置设备已被大量地引入到煤矿、钢厂、电厂等工业领域。通过大量研究和实践工作可知,交流电机采用变频调速技术升级改造后其通常可以获得30%~65%的节电效益。在煤矿开采过程中,随着井下开采和掘进的不断延伸,矿井巷道也变得越来越长,为了满足井下通风需求,需要增加通风风机的功率容量,这样大功率的电机直接起动对煤矿配电网冲击非常大,加上井下作业面需求风量波动较大,采用常规继电器直接控制方式会导致大量电能资源浪费。目前,大功率交流电机采用变频调速技术进行升级改造,已成为当代电机节能调速控制的潮流,其节能节电效果十分明显,加上科学技术的进一步发展,大功率、高电压变频器的制造成本也在明显降低,变频器起动性能和调速平稳性能得到大大提高,减少了电机起动对煤矿配电网的冲击。因此,结合煤矿井下通风系统的实际情况,采取变频调速技术对原电机控制系统进行技术升级改造,就显得非常有意义。

1电机变频调速控制原理

煤矿井下通信系统中风机电机拖动系统,由于受当时建设技术水平和综合投资资金的制约,存在电源浪费严重等问题。采取基于PLC与变频器的变频调速技术升级改造,可以达到节能降耗的目的。电机拖动系统的节能通常有两种方法,一种是直接采用节能电机,如永磁同步电机;另一种是采用变频调速等控制系统来动态调节电机输入电源频率,达到风机拖动系统输入与输出间的实时动态平衡,进而达到电机调节运行节能降耗的目的。基于PLC与变频器的电机变频调速控制系统具有体积小、重量轻、起动转矩大、控制精度高、功能强、可靠性高、操作维护简单便捷、兼容性强等优点,要明显优于以往常规电机调控模式,使用它除了具备调速稳定可靠的优点外,还可以节约大量电能资源。

风机电机的输出转速(转矩)同电机输入电源频率、转差率以及电机磁极对数三个因素有直接关系。电机输出转速可以表示为:

(1)

式(1)中:为电机的磁极对数;为电机运行实时电源频率;为滑差。

从式(1)可知,对于交流电机拖动系统而言,要实现电机拖动系统在实际调节运行过程中,具有较高调控稳定精确性和节能经济性,可以采取三种方法,即改变电机的磁极对数p、通过内部转子串联电阻等改变电机的滑差率s、改变电机实时电源频率f。改变电机磁极对数p和滑差率s,均需要改变电机内部结构,这在很大程度上受到电机制造工艺、生产技术等因素的制约。而调节电机输入电源的频率f,不仅不需要改变电机的内部结构,而且只需要外加变频器作为电机输入电源的调控单元,就能完成对电机控制系统的动态调节。同时采用变频调速后,能够经过变频器和PLC的动态调控,使整个电机拖动系统长期处于最优工况,达到节能降耗的目的。从技术性、调节运行节能经济性等方面来看,变频调速控制较其他节能方案在可行性、可靠性、精确性等方面更加优越,是电机节能降耗工程中常采用的技术措施。

2电机拖动系统变频调速节能改造的技术要点和功能效果

煤矿通风系统中的风机电机拖动系统采用基于PLC与变频器的变频调速技术升级改造方案中,其节能改造实现的基本控制要求包括以下两个方面:

(1)节能控制系统应具备抑制电磁干扰的相应有效技术措施,能够防止非正弦波干扰风机电机拖动控制系统中的电脑主机、计时器、传感器等精密仪器设备的高效稳定工作,也就是采用变频调速控制系统进行技术升级改造过程中,不能改变风机电机控制系统的其他功能单元和元器件设备的正常稳定运行性能参数。

(2)在变频调速节能运行过程中,当风量检测系统出现故障时,变频调速控制系统将以电机拖动系统上限频率进行恒功率运行,以确保系统最大的风量。当变频调速控制系统出现故障时,能够发出声响及指示灯指示,提醒运行管理人员进行相关设备性能检查,同时起动原控制系统(如软起动、继电器直接起动等)。

风机电机拖动系统采用变频调速控制技术升级改造后,能够取得较好的节能经济效益、延长使用寿命等功能效果,具体表现为:

(1)速度调节范围较宽。基于PLC与变频器的变频调速控制系统,其控制可靠性和精确度较高,且其速度控制范围较宽,理论上能够实现在1%~100%范围内的连续动态平滑节能调节控制。

(2)实时调节误差较小,精度较高。可以达到±0.5%的误差范围。

(3)电能利用效率较高。电机转换效率可以达到96%以上,同时电机拖动系统功率因素可以达到95%,节省了大量无功功率,降低了配电网变压器的无功调节负担,提高了供电系统的供电可靠性。

(4)具备软起动功能。能够有效抑制电机起动冲击电流,确保电机起动具有较高安全可靠性,可以延长电机拖动系统的综合使用寿命。

(5)节能节电效果十分明显。采取变频调速控制系统进行技术升级改造后,比常规继电器直接起动控制系统,其节能节电效率通常可以达到30%以上。

3电机拖动系统变频调速节能改造效益分析

3.1电机变频调速节能改造方案

一大型煤矿井下通风系统中共采用3台通风机(按照两用一备控制模式设计),其进口温度为22℃,进口压力为99.12kPa,升压为68kPa,轴功率为207kW,配置异步电动机型号为Y355M1-2-220kW/380VF级IP55,功率为220kW。为了提高煤矿井下通风系统运行的可靠性、经济性、节能性,结合煤矿井下通风系统的实际运行工况,按照“最小改动、最大可靠性、最优经济性”等改造原则,对煤矿井下通风电机拖动系统进行技术升级改造。决定采用基于PLC与变频器的变频调速控制对煤矿井下通风电机拖动系统进行技术升级改造,为了分析改造经济效益,决定1#风机采用变频调速运行方式,2#风机采取工频运行方式。

3.2电机拖动系统变频调速升级改造节能效益分析

在各项运行技术指标和环境均相同的情况下,1#风机与2#风机相比,1#风机其调节运行工况性能要更加平滑稳定,平均运行电流降低到326A,比工频运行额定电流的408A要直接降低82A,理论节电效率为:,实际节电效率为43%,节能节电效果十分明显。

4结语

根据通风空调系统电机变频调速节能控制技术原理,对煤矿井下通风电机拖动控制系统进行技术升级改造,使井下通风系统运行更加安全可靠和节能经济,同时煤矿井下通风系统电机拖动设备的综合使用寿命也得到延长。结合一大型煤矿井下通风系统具体节能改造工程的节电经济效益分析计算,可以得出煤矿井下通风系统变频调速升级改造的节能优越性。对煤矿井下通风系统风机电机拖动系统的变频调速节能升级改造,这个通风系统运行的稳定性和可靠性得到了进一步提高,井下通风温湿度指标也能满足实际煤炭开采需求。在现代变频调速控制技术的进一步完善和成熟下,变频调速节能改造电机拖动系统将成为煤矿井下通风系统节能升级改造的重要方法之一。



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