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节能改造关注问答
1、

三相异步振动电机的工作原理

三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速,转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流,并与磁场相互作用产生电磁转矩,实现能量变换。与单相异步电动机相比,三相异步电动机运行性能好,并可节省各种材料。按转子结构的不同,三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜,喷雾机得到了广泛的应用,其主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。


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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、

水泥厂电动机节能分析

目前,水泥行业的竞争非常激烈,但关键还是制造成本的竞争,而电动机电耗占成本30%,因此做好电动机的降耗增效工作就显得极为重要。所以,我们要从调速方式、电动机的选型、启动装置等方面入手等每个环节开展细致的工作,同时要大力应用新技术新成果,促进企业的节能降耗。

一、变频调速节能

1、风机、水泵上的变频调速节能

大部分水泥厂的一些设备尤其是一些大功率设备在生产过程中绝大部分时间都是不满负荷,在生产过程中都是通过调节挡风板或阀门的开启角度的机械调节方法来满足不同的用风(水)量,这种操作方式的缺点是:(1)电机及风机或水泵的转速高,负荷强度重,电能浪费严重;(2)设备运行的自动化程度相当低,几乎完全靠人工调节,调节精度差,控制不精确;(3)电气控制采用直接或降压起动,启动时电流对电网冲击大,需要的电源(电网)容量大,功率因素较低。(4)起动时机械冲击大,设备使用寿命低;(5)噪声大,粉尘污染严重等。在水泥厂主要有生料磨排风机,窑尾废气处理风机,罗茨风机,水泥磨排风机,煤磨风机、蓖冷机风机、选粉机、循环水泵、给水泵等。由于变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系:n=60f(1-s)/p,(式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数);通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。通过流体力学的基本定律可知:风机、泵类设备均属平方转矩负载,其转速n与流量Q,压力H以及轴功率P具有如下关系:Q∝n,H∝n2,P∝n3;即,流量与转速成正比,压力与转速的平方成正比,轴功率与转速的立方成正比。如下图示为压力H-流量Q曲线特性图:

n1-代表电机在额定转速运行时的特性;

n2-代表电机降速运行在n2转速时的特性;

R1-代表风机、泵类管路阻力最小时的阻力特性;

R2-代表风机、泵类管路阻力增大到某一数组时的阻力特性。

风机、泵类在管路特性曲线R1工作时,工况点为A,其流量压力分别为Q1、H1,此时风机、泵类所需的功率正比于H1与Q1的乘积,即正比于AH1OQ1的面积。由于工艺要求需减小流量到Q2,实际上通过增加管网管阻,使风机、泵类的工作点移到R2上的B点,压力增大到H2,这时风机、泵类所需的功率正比于H2与Q2的乘积,即正比于BH2OQ2的面积。显然风机、泵类所需的功率增大了。这种调节方式控制虽然简单、但功率消耗大,不利于节能,是以高运行成本换取简单控制方式。若采用变频调速,风机转速由n1下降到n2,这时工作点由A点移到C点,流量仍是Q2,压力由H1降到H3,这时变频调速后风机所需的功率正比于H3与Q2的乘积,即正比于CH3OQ2的面积,由图可见功率的减少是明显的。

也就是当风机水泵的转速下降10%时,电机消耗功率下降27.1%.所以风机水泵采用变频调速节能效果非常明显。

2、用变频调速取代传统调速

传统调速所采用的晶闸管串级调速、直流调速、电磁滑差调速、液力耦合器调速和异步电动机的变级调速等存在传动效率低、难维护等缺点,而变频调速结构简单,稳定可靠,调速精度高,启动转矩大,调速范围广。所以采用变频调速在提高机械的传动效率就可节能20%左右。

3、变频在空气压缩机上应用

空压机恒压供气使用变频器与压力控制构成闭环控制系统,使压力波动减少1.5%,降低噪音、减少振动。保证设备长期稳定运行,从而减少了设备维护工作量,延长了设备使用寿命。用变频器后,空压机可在任何压力下随意起动,打破了以前不允许带压起动的规定,起动电流也较以前大大降低。通过使用变频器后的实例,多数压缩机节电率约在20%左右。

总之:采用变频器控制将有以下诸多优点:

(1)、采用变频器控制电机的转速,取消挡板调节,降低了设备的故障率,节电效果显着;

(2)、采用变频器控制电机,实现了电机的软启动,延长了设备的使用寿命,避免了对电网的冲击;

(3)、电机在低于额定转速的状态下运行,减少了噪声对环境的影响;

(4)、具有过载、过压、过流、欠压、电源缺相等自动保护功能;

(5)、提高产品质量及产量。

实践证明,变频改造具有显着的节电效果,是一种理想的调速控制方式。既提高了设备效率,又满足了生产工艺要求,并且还大大减少了设备维护、维修费用,另外当采用变频调速时,由于变频装置内的直流电抗器能很好的改善功率因数,也可以为电网节约容量。直接和间接经济效益十分明显。[page]

二、电动机的功率因数补偿

笼型电动机通常采用并联电容器就地补偿的方法。绕线式电动机可采用进相机补偿的方式。进相机补偿分旋转式和静止式2种,由于旋转式进相机结构上的缺陷,目前逐步被静止式进相机所代替。

合理选用电动机类型

Y系列电动机是全国统一设计的新系列产品,是国内目前较先进的三相异步电动机。20世纪80年代中期即在全国推广应用。其优点是效率高、节能、启动性能好。而目前国内许多老水泥企业仍大量采用JO2系列电动机,相比来说Y系列比JO2系列电动机效率提高了0.413%。因此用Y系列电动机取代旧式电动机势在必行。

选择电动机类型除了满足拖动功能外,还应考虑经济运行性能。对于年运行时间大于3000h,负载率大于50%的场合,应选择YX系列高效率的三相异步电动机。与Y系列相比,其效率平均高3%,损耗降低20%~30%,虽然价格高于Y系列电动机,但从长期运行考虑,经济性还是明显的。

同步电动机能提高企业电网的功率因数,降低供电线路损耗,但控制系统繁杂,价格较高。

合理选用电动机的额定容量

国家对三相异步电动机3个运行区域作了如下规定:负载率在70%~100%之问为经济运行区;负载率在40%~70%之间为一般运行区;负载率在40%以下为非经济运行区。若电动机容量选得过大,虽然能保证设备的正常运行,但不仅增加了投资,而且它的效率和功率因数也都很低,造成电力的浪费。因此考虑到既能满足水泥厂设备运行需要,又能使其尽可能地提高效率,水泥企业一般负载率保持在60%~l00%较为理想。对于负载率小于40%的三角形接法电动机可改为星型接法,以提高其效率。

同步电动机能提高企业电网的功率因数,降低供电线路损耗,但控制系统繁杂,价格较高。随着异步电动机制造水平的提高,新设备已很少采用。

三、电动机启动和运行形式

低压笼型大中型电动机

若采用全压直接启动方式,这要求电力系统有足够大的容量,而实际运行时,电力系统负载率很低,影响供电效率,并且用直接启动方式易烧毁开关、电动机,影响电网其他设备的运行,往往为了尽量减少电动机启动次数而宁愿让电动机空转而不停车,造成大量浪费。此类电动机可以用电动机软启动器启动。电动机软启动器是采用大功率晶闸管模块作为主回路的开关元件,通过控制它的导通角以实现软特性的电压爬升。它具有对电网无过大冲击,对机械传动系统(齿轮及轴连接器)震动小,启动转矩平滑稳定等诸多优点。启动电流在2.5~3.5倍额定电流之间可调,启动时间可调。

高压笼型电动机

传统的启动方式多选用电抗器、自耦变压器等,但这些启动设备都不能很好地满足启动要求,很难获得理想的启动参数。目前出品的热变电阻软启动装置能较好地满足启动要求。热变电阻器由具有负温度系数的电阻材料制成,电阻器串于电动机定子回路,当电动机启动、电阻体通过启动电流时,其温度升高,而阻值随之减小,从而使电动机端电压逐步升高,启动转矩逐步增加,以实现电动机的平稳启动。根据电动机参数和负载要求的启动转矩,能方便地配置适当的启动电阻值获得最佳的启动参数,即在较小的启动电流下,获得足够大的启动转矩。

大型绕线型电动机

以前大多采用频敏变阻器启动,但其故障率太高。目前较为成熟的方式是采用液体变阻启动器。它是利用两极问的液体电阻,通过机械传动装置使极板的距离逐步接近,直至接触,达到串人转子回路中的电阻无级变小最后为零,实现电动机无冲击的平滑启动。其特点是启动电流小,对电网无冲击,热容量大,可连续启动5~10次,维护方便,使用可靠。目前我厂该类型电动机已全部采用液体变阻启动器。

中、小型绕线电动机

以前主要采用频敏电阻器和油浸电阻器启动,由于有滑环、碳刷、短路环等零件与继电器、交流接触器、频敏或油浸变阻器等电器元件组成的启动系统都安装在粉尘较大的生产现场,因此它具有故障率高、维修量大的缺点,经常影响设备的正常运行,而无刷无环启动器较好地解决了上述问题,它是一种启动平滑,不改变运行特性且不受粉尘干扰的启动设备。其一次启动电流限制在3.0~4.0Ⅰe之间,适合于11~600kW的高低压绕线型电动机。该启动器是利用频敏变阻器的原理,利用铁磁性材料的频感特性研制而成,安装在电动机转轴原来装集电环的位置,与转子同步旋转,省去了电动机的辅助启动装置。

成球供水系统

生料成球工序是影响水泥熟料烧结质量的关键工序之一,其中水、料比例直接影响成球好坏。应用变频器后能通过跟踪生料供给量对成球预加水泵的转速进行无级调速,从而实现全自动化的闭环控制,料水配合稳定,成球效果良好,大大提高水泥烧结质量。此系统改造主要为提高自动化程度和制造工艺水平考虑,由于功率较小省电效果还在其次。

生料均化给料系统

此系统用变频改造后,将所有送料口处的送料电机用变频器进行同步无机调速,等比例送料,提高均化效果,此点也是从制造工艺角度考虑。[page]

四、水泥选粉系统

水泥选粉系统的工作原理是根据所生产的水泥的标号的不同,调节选粉机和选粉风机的转速,从而选出不同细度的水泥制品。老式选粉机要调整风机轴上的扇叶的数量和角度,经过对比试验达到所要求的选粉细度;新式选粉系统分选粉机和选粉风机两部分,选粉机由滑差电机调速,选粉风机靠调节挡风板角度调节用风量。这两种系统都存在操作工艺复杂、调节精度差、浪费电能严重的缺点,特别是滑差点机不但费电,由于水泥制造环境粉尘严重,因此滑差头骨胀率特别高,维修困难。变频改造后,不管是老式系统还是新式系统,只要将电机调节到一个特定的转速就能选出所需要的细度的颗粒,在节约电能的同时还做到了连续化、自动化生产,既提高了劳动效率,又降低了劳动强度,综合效益明显。

五、立窑卸料系统

为使水泥烧结过程中加料、供风、卸料三平衡,立窑普遍采用滑差电机(电磁调速电机)做为盘塔式卸料装置的动力,该电机不但防护等级满足不了水泥生产现场环境的需要,而且在相同输出转速的条件下消耗的功率也比系列电机高出百分之二十左右,在降低转速时相差更多,因此采用变频调速系统代替滑差调速后,解决以上所诉的缺点,且调速性能远远高于滑差调速电机,在节电的同时维修费用也大大降低,在各行业得到普遍应用。

应用变频器对可以调速的电机进行控制,在节约大量电能的同时,还具有软起功能,同时降低了电机的起动电流和运行电流,降低整个电力系统和机械系统启动和工作时的负荷强度,延长了机械部件的使用寿命。另外对滑差电机的变频改造提高了电机的防护等级,减少了因环境恶劣而造成的电机故障率。

六、意外收获

由于变频器工作和启动时电流的下降,为其他设备的启动提供了必要的保证,无形中增加了工厂的电力容量,这对电网电压不稳和电力容量偏小的场合尤为有利。象天马水泥有限公司这样整体改造后,可省下200KVA的变压器容量,新上设备时变电所可暂不增容,可节省大量投资。

当然,经过变频改造后还应加强生产工艺方面的管理,再生产允许的条件下合理的调节电机的转速,以达到理想的节能结果。这有待于在以后的工作中加以不断的完善。

1在立窑罗茨风机上的应用

立窑煅烧熟料所耗的电能中,罗茨鼓风机的电耗一般占60%左右,随着电价的调整,电费在水泥生产成本中说占的比例越来越高。因此,降低鼓风机的能耗成为提高企业经济效益的重要一环。

对罗茨风机可由变频器改变风机的供电电源频率进行无级调速来调节风量,重庆地维水泥有限公司在1号窑132KW罗茨风机上安装变频器,节电率高达62.2%。吨熟料电耗由安装变频器前的15.22度下降到安装后的5.55度;河南焦作水泥厂在10000/吨水泥熟料旋窑生产线生料流态化系统55KW罗茨风机上安装了变频器后节电率高达73.2%,平均每日用电量由安装前的606度下降到安装后的162度,每日节电444度。

2在离心风机上的应用

有某些水泥厂是采用高压离心式风机进行供风,该种水泥窑的风量调节是通过风门开启度对风量进行调节。对离心风机的变频调速改造同样有巨大的节能潜力。这是因为离心式风机设备的流量与转速的成正比,压力与转速的平方成正比,功率与转速的立方成正比。因此在调节风量或流量时,如降低20%的风量或流量,功耗则会下降50%,但是必须注意,转速与压力是成平方关系,当转速下降20%时,压力则会下降60%,因此必须注意工艺要求的压力范围不能象罗茨风机那样,不用考虑转速与风压的关系。

3在立窑卸料机上的应用

立窑卸料机若采用滑差调速电机,其转速通常控制在300~1000rpm(工艺上根据窑的情况,对卸料速度进行控制的)。采用变频调速的方法取代滑差电机,经过多个厂家应用结果表明,平均节能达40%左右,这是因为滑差调速是一种耗能的低效调速方法。

由下列公式可知:

滑差电机主电机轴的输出功率:P0=KM0N0(P0表示输出功率,M0表示负载转速,N0表示电机转速,K为常数)

滑差头输出功率P1=KM0N1(P1表示输出功率,N1表示滑差头转速)

滑差头损耗功率:P=P0-P1=KM0(N0—N1)

由此可见,滑差电机的转速越低,浪费能源越大,而卸料机的转速通常在400rpm左右运行,因此改用变频调速的方法会有50~60%的节能效果。

5在预加水成球系统中的应用

目前,预加水成球技术在立窑水泥厂中应用已相当普遍。它在提高成球质量,改善煅烧操作条件,提高立窑熟料产量和质量方面取得了比较明显的效果。其结合微机双回路调节器,就能实现水料比例自动跟踪,自动调节,做到恒压供水。调节及时,极大地减轻了工人的劳动强度,同时也改善了成球质量,使预加水系统真正起到预湿成球的作用,为立窑生产出优质高产的熟料创造了条件。

针对上述问题,结合生料车间选粉机负荷转速不超过600r/min的特点,对选粉机电气部分进行变频调速技术改造。经实际测量,选粉机改造前,运行速度在594r/min时,输入电压385V,输入电流72A,功率因数0.82,故输入功率为40KW;改造后,运行速度在594r/min时,输入电压387V,输入电流18A,(热继电器也做了相应调整),功率因数0.92(变频器加装了直接电抗器)则输入功率为11KW。改造后一年中,没发生过任何故障,保证了系统的安全运行,大大减少了维护工作量和维修费用,而且节能效果十分显着。

变频器在水泥厂的应用还不止这些,比如说回转窑球磨机、卸料圆、盘给料机、双管绞刀裙、板喂料机调速皮带称喂、煤绞刀、蓖冷机等一切需交流调速的设备都可以采用变频调速器。



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4、

受转速影响导致器具受的总扭矩M不能保持恒定

由于切割元件的存在,方式三与方式一存在相似的问题。在U额定时工具上的额定扭矩M其实有两部分:切割元件的转矩M1和测功机的扭矩M2,仪表显示的即M2。电压变化时M2保持不变,而M1的大小受转速影响导致器具受的总扭矩M不能保持恒定。导致了测试到的效率比实际效率偏低。对于额定扭矩本身就很小的器具,扭矩的微小变化便会引起测量结果的较大差别。所以方式三仍不符合标准要求。正常工作时的运动部件,如砂轮片等具有散热功能,如果试验过程中不安装会导致温升增加,故试验时应安装类似部件,以模拟实际工况。

砂轮片部件被认为是没有旋转不平衡量的,否则一方面加载扭矩不恒定,另一方面由于不平衡引起的转矩变化对温升的影响会抵消甚至远大于其散热对温升的影响。对手持式割草机温升测试结果有影响的,不仅是器具本身,试验过程中的各种不当因素也会造成试验结果的不准确,其中以加载方式的影响尤为明显。

在温升测试中,根据实际情况决定是否安装正常工作需带的旋转部件时,应首先保证部件的不平衡量不会影响到加载扭矩的恒定保持。对手持式割草机温升测试,切割元件和带切割元件同时连测功机的加载方式均不宜采用。仅连测功机的加载方式是符合标准要求的,当对试验结果有疑义时,应以此为准。



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5、

管道切割机中电机启动方式的介绍

管道切割机的控制系统中,人机界面选用MCGS嵌入式触摸屏作为组态控制画面显示器。制作组态时将每个组件设置内部属性与PLC信息采集通道建立联系。可实现的功能主要有:

1)动态显示托辊电机的转速,切割焊枪的位移。

2)通过手动触摸界面按钮控制托辊电机的转速,设置管道切割的长度,切割气体电磁阀的启闭状态。

3)PLC非正常工作时,报警灯将发出报警指示。

4)切管时间的设置。

切管机开始工作时,选择手动控制方式启动托辊电机,打开焊枪出气阀,按下点火控制按钮,此时PLC的内置定时器开始计时。切割完成后按下关阀控制按钮,同时PLC停止计时。添加好多段切管长度后,选择自动按键,进入自动加工过程。每次焊枪定位后,电磁阀自动开启,之后开始点火。切割时间由第一次手动操作界面时,PLC的计时长度决定。




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6、

印刷机调整中电机的工作状态

丝网印刷间距调整系统电气包括间距调整电机、固态继电器、浪涌吸收器、终端继电器、交流电源等。与固态继电器接通的直流电源的电压为24V,与间距调整电机接通的交流电源的电压为110V。其中上、下限位传感器的开关量输出端与PLC输入模块连接,按钮开关接在PLC工作电源与PLC输入模块之间,PLC输出模块与固态继电器的线圈相连,PLC输出模块根据输入到PLC输入模块的开关量信号而输出控制信号来控制固态继电器的直流工作电源,固态继电器的触点接入间距调整电机的工作电源回路上,通过PLC程序控制间距调整电机的运转来调整丝网印刷间距,在上、下限位置之间具体的间距值由百分表直接读取。由上、下限位传感器限定丝网印刷间距的调整范围。

浪涌吸收器与固态继电器并联相接后串联接至间距调整电机,用来吸收固态继电器高频通断时产生的浪涌电压。终端继电器与PLC输出模块相连,其触点接入间距调整电机的工作电源回路。

PLC程序利用间隙刹车信号来控制间距调整电机刹车装置,消除传动结构的惯性影响。

当丝网印刷间距为下限时,PLC程序控制仅上升按钮开关能起作用,继而只可以上调丝网印刷间距;反之,当丝网印刷间距为上限时,PLC程序控制仅下降按钮开关能起作用,继而只可以下调丝网印刷间距;当丝网印刷间距处于间距下限和上限之间,则既可上调也可上调丝网印刷间距。



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7、

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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8、

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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9、

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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