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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、

什么是有刷电机?什么是无刷电机?

电机工作时,线圈和换向器旋转,磁钢和碳刷不转,线圈电流方向的交替变化是*随电机转动的换相器和电刷来完成的。在电动车行业有刷电机分高速有刷电机和低速有刷电机。有刷电机和无刷电机有很多区别,从名字上可以看出有刷电机有碳刷,无刷电机没有碳刷。

1、有刷电机电机工作时,线圈和换向器旋转,磁钢和碳刷不转,线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的。在电动车行业有刷电机分高速有刷电机和低速有刷电机。有刷电机和无刷电机有很多区别,从名字上可以看出有刷电机有碳刷,无刷电机没有碳刷

2、无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成,是一种典型的机电一体化产品。由于无刷直流电动机是以自控式运行的,所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组,也不会在负载突变时产生振荡和失步。

3、有刷电机是传统产品,性能比较稳定。

无刷电机是升级产品,其寿命性能比有刷电机好。但其控制电路比较复杂,对元件的老化筛选要求比较严格。虽然电机寿命长但控制电路容易出毛病。因此选用无刷电机要经过严格的可靠性试验以确保质量。,但是随着技术的不断升级几步,无刷电机技术已经相当成熟。

4、在实际生产过程中,由于有刷有齿直流电机是高速电机,齿轮的齿很小,易磨损,但力量大,爬坡能力强。而无刷直流电机,在使用过程中省去了二、三年换碳刷的麻烦。但由于在控制无刷电机的过程,要求精度极高。而且,无刷电机控制器的价钱也较高。相比之下有刷无齿的直流电机,虽然要更换碳刷,但更换碳刷是十分容易的,而且电机的控制较为简单,电机运转平稳,安全系数高。

5、有刷电机是指电机是直流电输入,控制它的控制器只给它提供大小电流就可以调速了;而无刷电机其实就是个三相交流电机,靠控制器把直流电转换成三相交流电,并根据电机里的传感器霍尔元件进行换相使电机正常运转。直接来说,无刷电机比有刷电机寿命长、起步有劲省电,但是控制器却比有刷控制器成本高。目前,现在的都是无刷控制器,有刷的已经基本淘汰了。电动车控制器是用来控制电动车电机的启动、运行、进退、速度、停止以及电动车的其它电子器件的核心控制器件,它就象是电动车的大脑,是电动车上重要的部件。



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节能改造相关节能电机相关问题相关回答信息


2、

电机能效提升的意义 节能推广分析及建议

中国中小型电机行业政策从国家层面主要就是推广节能高效电机。节能高效电机与普通电机相比,损耗平均下降20%、效率提高2%-7%;超高效电机则比节能高效电机效率平均再提高2%。电机系统节能对推行节能降耗战略的国策影响巨大。

为适应国民经济的发展要求,我国大力推广高效节能电机。高效节能电机是指通用标准型电动机具有高效率的电机。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。

电机能效提升意义

业内人士指出,长期以来,我国电机寿命平均比国外低3%到5%,运行系统效率比国外低10%到20%。而在2013年中国电机保有量大约17亿千瓦,总耗电量为3万亿千瓦时,占全社会用电总量的64%、工业用电的75%。“如果电机系统的效率提高5%到8%,每年节约的电相当于两到三个三峡大坝的发电量。”中国节能协会常务副理事长王秦平称,超高效电动机的研发和生产,是提高电机系统效能的重要基础,铜转子电动机这种代表世界最高水平的电动机组建,将有利促进中国电动机能效的提升。

但国内高效电机标准未强制实施之时,企业认可度不高。美国2011年就已经强制执行IE3(效率等级),中国目前在强制推IE2标准。据魏华钧介绍,原来计划2015年推IE3标准,但国内电机行业没作好准备,个别企业没做到,多数企业做不到,所以推迟到2016年,比美国落后5年。

高效电机节能分析

为准确测试高效电机与普通电机的节能效果,有机构做过试验。选择了某电机生产企业YE3-160M1-2型号电动机与该企业早期生产的同规格Y160M1-2型号电动机分别在50%及75%负载率下进行了对比试验。

——试验数据说明

电机处于50%负载率运行时,Y160M1-2输出功率为5522.3W,YE3-160M1-2输出功率为5524.1W,可以等同认为在同一负载率下运行,其输入功率分别为6715.0W、6392.0W,转速分别为2965.4rpm、2976.7rpm。

电机处于75%负载率运行时,Y160M1-2输出功率为8284.6W,YE3-160M1-2输出功率为8265.0W,可以等同认为在同一负载率下运行,其输入功率分别为9679.0W、9270.0W,转速分别为2949.3rpm、2964.1rpm。

——节能效果分析

电动机处于50%负载率运行时,Y160M1-2电机效率为82.24%,YE3-160M1-2电机效率为86.42%,效率提高4.18个百分点;电动机处于75%负载率运行时,Y160M1-2电机效率为85.59%,YE3-160M1-2电机效率为89.16%,效率提高3.57个百分点。从现场测试效果来看,节能效果明显。

高效电机推广难题

1.对高效节能电机替代普通电机的认识不到位

电机作为拖动设备的动力装置,在大多数运行环境下,对其运行参数的要求不高,也不属于易损设备,很多上世纪六十年代生产的J系列电动机仍然在很多企业中正常运转。在市场经济下,有些企业目光短视,缩减成本进行采购,这与高效电机价格较高成了一对矛盾。只要能电机保证生产正常运行,大部分企业一般不会拿出额外的投资来更换电机,当然也更不会拿出超出普通电机很多的投资来更换高效电机,这是高效电机推广困难的主要因素。另外,信息不对称、观念错位、市场不规范、节能意识不强等也成为高效电机在我国推广的障碍。

2.对高效节能电机节能效果认知度不够

部分用能企业更换高效节能电机后反映,其用电量与原低效电机节能相比,节能效果并不明显,对高效电机节能率3-5%存在质疑。笔者以为,同等输出功率的更高一级能效电机的转差会减少20%-30%,转速比普通电机高10转以上,其拖动设备运行状态发生了一定改变,而对于大多数的用电设备,其电力消耗与转速的三次方成比例关系,例如,增加2%的运行速度将会造成增加8%的电力消耗,这就很容易抵消更换高效电机所预期的节能量。节能效果只考虑耗能,不考虑出力增加,是统计节能量偏小的重要因素。

3.高效电机价格偏高

高效电机从设计、材料和工艺上都采用了先进的技术措施,例如采用新型材料、合理的定转子槽数、风扇参数和正弦绕组等,来降低损耗,因此高效电机生产成本比普通电机高10-20%左右,有的甚至高50%,导致许多用户产生“节能不节钱”的观念。

4.电机销售模式决定高效电机推广困难重重

据有关资料显示,电机销售面向的三类客户其产品用量所占比分别为:终端用户占5%,代理商约占15%,下游产业的机械设备配套商占80%。由于由此可见,高效电机能否最终被市场接受,机械设备配套商的态度最为关键。由于大多数机械设备配套商并不是最终使用者,他们更多的是考虑如何节省一次性投入,提高自己终端产品在竞标中的价格优势,关注价格多于关注效率,缺乏主动采购高效电机的动力,而终端用户又没有决定采用高效电机的权力,这是高效电机推广的重要瓶颈。

5.电机系统节能技术改造合同能源管理项目推行困难

合同能源管理作为近几年兴起的一种市场化节能机制,对于促进企业提升能源利用效率发挥了积极作用。由于电机系统节能改造项目投资较大、节能量统计计量困难、回收期长等因素,有些节能服务公司仅仅以高效电机与普通电机的节电率来核算其回收期,不愿意开展电机系统技术改造的项目。

高效电机推广建议

据了解,未来工信部将充分利用财政补贴政策拉动高效电机市场。一方面,落实好节能产品惠民工程高效电机推广财政补贴政策;另一方面,逐步把选用高效电机作为高效风机、泵、压缩机等通用设备入围节能产品惠民工程的必要条件,延伸财政补助推广高效电机的产业链"。

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,已经有比较成熟的技术,也就是说企业基本都能生产。然而,电机能效提升计划并未能如期完成。其中原因是长远利益和眼前利益的矛盾、短期投入和产出的矛盾、改革创新和因循守旧的对立,以及企业改革导致短期经济利益失衡的现实。但是中国改革开放的收获和经验告诉我们,革新一定是正确的。

产业前沿建议,综合工业先进国家和中国自己的实践经验,应该从这几个方面加大力度执行电机能效提升进程:第一,强制法规约束、奖惩分明、责任到位;第二,对经济(工业)发达地区提出更高的要求和执行目标;第三,加大财政补贴力度、重点企业重点补贴、超额企业额外补贴;第四、分类批量改造或建设全高效节能电机应用(试点)企业、变试点企业为标杆企业;第五,研究降低高效电机的生产成本;第六,尽量要求高标准甚至超标准,比如选择稀土永磁钕铁硼电机等。

2015年7月,工信部官员再度提出电机能效提升工作的重要性和紧迫性,要将这项工作作为当前乃至“十三五”工业节能减排领域的重要任务,并纳入工业绿色发展专项行动,下一步的重点方向是按照行业和领域用市场化的机制推进电机系统节能。



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3、

电机的能耗等级分为几级,能效划分标准

电机的能耗等级分为几级,能效划分标准

电机是各种设备的动力驱动设备,常常应用在化工厂,煤矿,冶金,公用设施等多个行业和领域,是用电量最大的耗电机械。为了响应国家十二五计划,和企业自身经济利益考虑,节约用电,减少成本,选择一款高效节能电机是十分重要的。

但是我们在购买电机是却不知道他们的能效是如何划分的。那个如何判断电机的能效等级对我们来说就显得困难起来,不过经过我们下面的讲解,我们就会明白防爆电机的能效是如何划分了。

电机能效标准的划分标准在不同的时期按照国家的标准是不一样的,依据不同国家的标准也是不同的。仅以我们国家来说,电机能效等级的划分也是随着时间的变化会变化的。2006年我国发布了GB_18613-2006_电动机能效限定值及能效等级评定的标准。


GB_18613-2006_电动机能效限定值及能效等级

但是到了2012年,随着我国发展与国际化的同步,我们国家又发不了GB_18613-2012_电动机能效限定值及能效等级判断的标准,如下表


GB_18613-2012_电动机能效限定值及能效等级

我们不难看出在某些型号上会有下表的情况


就拿现在节能防爆电机YBX3来说,在GB_18613-2006_电动机能效限定值及能效标准中是一级能效,但到了GB_18613-2012_电动机能效限定值及能效等级标准中是二级能效。而YB2系列带电机在GB_18613-2006_电动机能效限定值及能效等级评定的标准中是二级能效类电机,但是按照2012的电机能耗划分标准,就属于三级能耗防爆电机了,属于高耗能电机。当然随着科技的发展,对防爆电机节能的要求的提高,能效标准可能还会变化的,不同时期判断方法的能效等级因此会不一样的。

现在我们以我们国家最新能效标准来说,目前按照GB_18613-2012_电动机能效限定值及能效等级划分标准要求,防爆电机的能效等级划分三级。其中一级能效是最节能的,二级能效防爆电机也是节能防爆电机,当然三级能效就不属于节能防爆电机了。当然在二级和二级以上的防爆电机(暂时一级能效三相异步防爆电动机国内还没有产品,YBX3是最佳选择)都是现在国家提倡使用的,有的地方国家会给予一定的政策补助。对于企业来说在节能用电上每年也会节约一大笔资金。



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4、

电机扭矩试验台的结构组成

电机微扭矩检测试验台主要分硬件部分和软件部分,硬件部分由气缸、伺服电机、伺服卡、采集卡、工控机等来协调待测EPS电机的运转。软件部分主要是驱动伺服、气缸协同工作,控制设备的运行来完成检测,并从采集卡实时采集角度、扭矩传感器输出电压等数据参数,根据各项试验的数据绘制图表报告,计算产品损耗扭矩、波动扭矩,并标定产品是否合格。

测试台硬件本试验的硬件部分主要是来控制扭力传感器和电机、气缸的协调动作,实时进行数据采集,主要包含如下部分:

(1)气缸:测试过程开始前将伺服与待测EPS电机键槽推送到位。

(2)伺服电机:用来控制待测EPS电机的转动,并反馈角度。

(3)采集卡:用来采集各项实时参数,包括角度、扭矩。选用NIPCI6280采集卡。

(4)伺服卡:用来驱动伺服电机,精准控制电机运行动作。

选用研华PCI1240U(四轴)伺服卡。

硬件部分的工作原理主要是根据所确定的动作来完成。采用多功能采集卡进行模拟、数字信号的输入输出采集,伺服卡控制电机的各种运动状态(不同转速、方向)。



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5、

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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6、

变频调速产生谐波对拖动电动机的影响分析

我国《节约能源法》第39条规定:“将变频调速列入通用节能技术加以推广”。在工矿企业众多的电力拖动系统是采用异步电动机拖动的,在电力拖动系统的节能技术改造中,除了优化托动系统装置的设计外,还要大力推广应用变频调速技术对拖动电动机进行节能技术改造,从而实现异步电动机的节能运行。

在变频调速的电力拖动系统中,变频器属非线性设备,其运行中必然会产生高次谐波。当变频器向拖动电动机供电时,必然会将含有颇丰的高次谐波电流输入电动机,从而对电动机造成不利的影响。为此,在对电力拖动系统实施变频调速技术改造中,还应采取相对应措施,消除谐波带给电动机的不利影响。

1变频调速的优越性

1.1变频器的调速特性好

实现异步电动机的变频调速,是发明异步电动机百年以来人们翘首以待的“世界之梦”。通过科技人员的不懈努力。提高和完善,其调速工作特性毫不逊色,即与直流调速系统相比,某些方面还超过直流调速。由于频率本身是数字量,即可实现在不需外部反馈的情况下,就能获得很硬的机械特性。同时还具有调速精度高、平滑、性能稳定、维护简单,易于实现生产过程的自动控制等特点。

1.2变频调速拖动系统故障率低

异步电动机拖动系统,可在不更换原电动机条件下,实施变频调速技术改造,即在电动机与电源之间接入相对应型号变频器,就能获得最佳调速效果。其拖动系统的故障率低,是得益于异步电动机的结构简单,转子回路内的电力不需从外部接入,故而出现故障几率极少。

1.3变频调速拖动系统可实现软起动

异步电动机若采用全压直接起动,其起动电流可达额定电流的5-7倍,必将对拖动系统或电网造成不良的影响。而采用变频调速起动,其起动电流一般不会超过额定电流的1.5倍。同时起动平稳,无冲击,实现异步电动机真正意义上的软起动。

1.4变频调速会延长设备使用寿命

变频调速技术在风机、泵类负载中使用,不仅能按负载运行要求实现转速调节,而且起动过程中振动和机械噪音很小。变频调速用于一般生产机械的电力拖动中,在起动、停止、减速、加速等工况下,均不会产生振动和冲击,故而可延长设备使用寿命。

1.5变频调速在加减速时转矩平滑

变频调速技术应用于输送机的节能改造中,在运行过程中若负载需加速、减速时,具有性能良好的软起动效果,并达到转矩平滑。尤是重载工况下起动时,可提升输出转矩,这是普通起动器所无法达到的效果。

2变频器产生谐波对拖动电动机影响

异步电动机由于结构简单、运行可靠、维护方便等优点,在工矿企业的电力拖动中得到广泛使用。对电力拖动系统的异步电动机实施变频调速技术改造,可在不更换原电动机条件下实现转速调节。但因变频器是非线性设备,运行中将会产生高次谐波,必将会对其拖动电动机造成不良影响,故而必须采取相应措施加以防范。

按常规设计的异步电动机,通常都是设计在额定频率和额定电压下工作的,只有在额定频率和电压下运行,才能保证电动机轴上的输出转矩,功率达到额定设计值。然而在变频调速工况下运行的异步电动机,因供电频率是个变量,故对电动机实际输出轴功率会有所影响。所以对不同工况下拖动电动机容量的选择,必须充分考虑这个影响因素。

通常使用的异步电动机,在额定功率和温升条件下运行,电动机的运行温度是不会超过设计值的。但在变频调速拖动系统中,由于输入电动机的电流含有颇丰的高次谐波,故而由谐波电流使电动机产生附加损耗。即使在额定频率下长期运行,由于谐波电流的影响也会造成输出转矩降低、效率下降、温升增高等异常等情况。异步电动机运行中,若是温升增高会导致线圈绝缘的挥发和降解加速,介电强度和体积电阻率下降,还可能造成线圈绝缘的炭化而丧失绝缘功能。

变频调速拖动系统中的异步电动机,因受高次谐波的影响,谐波电流所产生的磁场相对于转轴是高速旋转的,它所产生的轴电势比较高,可能会击穿轴承的油膜,使轴电流流过轴承而对轴承造成危害。

异步电动机的线圈间存在着分布电容,高次谐波电压输入时,各线圈之间的电压分担是不均匀的,往往会导致承担高电压线圈的绝缘老化加速,从而使首匝线圈成为绝缘损伤点。在变频调速拖动系统中,变频器输出电压的幅值为标准电压的3倍多,再加上变频器电压变化率(du/dt)很高,它所引起的振荡会使电动机应力变得更大,势必对线圈造成危害。

在开关频率很高的工况下,变频器和电动机之间连接电缆,若是长度过长时会产生驻波,将导致电动机端电压升高,致使电动机线圈承受端电压比电网电压高,这必然会加速线圈绝缘的老化,影响电动机使用寿命。

3变频器产生谐波的防范措施

3.1运用滤波技术消除谐波影响

为提高变频调速拖动系统中异步电动机的运行效率,必须运用谐波技术消除谐波影响。谐波器接在电动机输入端的,称为电动机端滤波;接在变频器输出端的,称为变频器输出滤波。电动机端滤波分为一阶RC串联型和一阶RC并联型两种滤波方式。变频器输出端滤波有四种结构:3.1.1LR并联型;3.1.2二阶RLC低通变频器输出端滤波;3.1.3改进型二阶RLC低通滤波,即把星型联接的阻容电路中性点与变频器直流母线中性点接在一起。该滤波器尺寸小、损耗少、成本较低、值得推广;3.1.4LC与RLC两级串联变频器输出滤波器。

3.2尽量缩短连接电缆长度

缩短变频器与电动机之间联接电缆的长度,为的是避免驻波产生而造成的影响。切勿将连接电缆过长部分盘成圈状放在变频器框内,这种处理方法欠佳,仍会造成谐波干扰。

其次,可在变频器进线电缆端套上约1.5~2m的金属蛇皮管,管皮外壳良好接地,这也是抑制谐波干扰的措施。此外,还可将变频器控制线屏蔽,并做好屏蔽层的良好接地,这也能防止谐波干扰。

3.3变频器和电动机的选用

在实施变频调速技术改造时,为提高电力拖动系统的运行效率,应选用不易输出高反射电压的变频器。若有更换拖动电动机,应选用专用变频器驱动的电动机。



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7、

浅谈IDirve矢量控制四象限高压变频器


2.3.2、矢量控制算法

其矢量系统的控制系统框图为:

在基于转子磁场定向的矢量控制系统中,首先把电机三相电流等同于两相静止的α-β轴坐标系,然后再转换成旋转的D-Q轴坐标系,此时:

注:

并使D轴与转子磁通方向重合,此时转子磁通的Q轴分量为零,可以得到:

把此式带入上式,经过化简可以得到:

矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能,而最终实施仍然是对定子电流的控制。借助于坐标变换,使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系,站在同步旋转的坐标系上观察,电动机的各空间矢量都变成了静止矢量,在同步坐标系上的各空间矢量就都变成了直流量,可以根据上述转矩公式的几种形式,找到转矩和被控矢量的各分量之间的关系,实时地计算出转矩控制所需的被控矢量的各分量值——直流给定量。按这些给定量实时控制,就能达到直流电动机的控制性能。由于这些直流给定量在物理上是不存在的,是虚构的,因此,还必须再经过坐标的逆变换过程,从旋转坐标系回到静止坐标系,把上述的直流给定量变换成实际的交流给定量,在三相定子坐标系上对交流量进行控制,使其实际值等于给定值。在矢量变换的控制方法中,需用到静止和旋转的坐标系,以及矢量在各坐标系之间的变换,交流电机的矢量控制,需要把电机的ABC三相定子静止坐标系的电流Ia、Ib、Ic、变换成α和β两相静止坐标系(Clarke变换),也叫三相-二相变换,再从两相静止坐标系变换成同步旋转磁场定向坐标系(Park变换),等效成同步旋转坐标系下的直流电流Iq、Id(Id相当于直流电动机的励磁电流);Iq相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标逆变换(Park逆变换)(Clarke逆变换),实现对电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交解耦控制,实现低频大转矩能力。

IDrive矢量控制四象限变频器,可广泛应用于提升类负载、对转速控制精度及速度要求苛刻、要求低频大转矩等复杂工况,帮助用户进一步提高工艺自动化水平,节能减排,增加更多的经济收益。



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8、

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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9、

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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