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节能改造关注问答
1、

电机的过载能力

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。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、

用单片机产生矩形波经放大电路放大后驱动电机

采煤机再制造工艺实践工作为今后采煤机的再制造以及煤机装备的循环利用打下了坚实的基础。控制模块设计与分析,硬件控制模块设计采用N沟道MOS管IRF540驱动,该电路功耗小,驱动能力较好,成本较低,在PWM输出端与驱动端之间加入了光电耦合器,使控制电路与驱动电路隔离,有效保护了控制装置。

PWM输出模块PWM相对线性控制具有节能、易控制、提高电机运行效率的特点,采用PWM电路控制电机。用单片机产生矩形波,经放大电路放大后驱动电机。该方案优点是不需要另搭外围电路,通过编程即可改变输出矩形波占空比,从而控制电机。PWM产生及占空比控制,使用单片机产生PWM时,本文先后采用了两种方法,一种是编写延时由直接输出,另一种是使用定时器,通过周期延拓的方式输出PWM波。但是IO口直接输出的方式在控制占空比时不够精确,因此而采用键盘控制时,使用了外部中断来控制占空比。

使用了三个独立键盘,分别控制占空比增加、占空比减小以及特定占空比(45°时的占空比)。使用单片机、步进电机验证了单片机控制模式方案设计,采用的测试仪器有示波器、数字万用表、秒表等测试设备。测试结果表明当加占空比键按下后,转动角度值变大;减占空比键按下后,转动角度值值变小。实验证明占空比控制非常重要,也证明了PWM波的频率对响应速度有很大影响,同时验证了方案的可行性,为微量注射泵控制系统设计具有一定的参考价值。




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3、

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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4、

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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5、

电子式感应电机软启动研究

为抑制电动机的启动电流,本文对软起动作了研究,主要论述了软启动设备的系统结构及其仿真。

电机起动分为直接起动和软起动。直接起动为全压起动,所用设备简单,投资少,但启动电流大,在配电系统产生较大压降,影响同母线连接设备运行,尤其是起动转矩过大对电机及传动机械产生巨大的冲击,加速电机的老化及机械的损坏。软启动能抑制电动机起动电流,在限定时间内将它驱动到额定转速,并在必要情况下多次连续起动。该过程兼有若干保护功能,当短路、过载、起动超时、欠电压、系统异常等故障时,软启动装置能做出相应防护并发出警示信号。

软启动过程以计算机为工具,利用软件,通过建立输入电动机、电网和负载数学模型,根据选定控制策略作出离线模拟。其中电子式感应电机软启动,选用微处理器和晶闸管电子元件组成启动器控制。

启动器开启时,微处理器发出脉冲加到晶闸管触发极上,控制晶闸管导通角,使晶闸管输出电流电压大小受触发脉冲宽度来决定。缓慢调节微处理器,控制晶闸管输出电压由零缓慢升至全压,此时电动机转速也由零升至额定转速。在发出停机指令后,微处理器监测电压电流和电动机反馈信号,晶闸管可使输出电压按一定要求下降,使电动机由全压逐渐降为零而实现软停止。

实际应用中,软启动具有如下优点:①起动电流小,通过调节起动转矩实现低速起动,频繁起动和软停止。②在起停时过渡自然,不易伤害设备,节电效果良好。③当多台同容量水泵工作,可采用一台电子式软启动器,操作方便。④软启动离线仿真研究可以预知在硬起动过程中电机转速、电流、线电压和其它机械特性,对产品设计和用户使用有重要指导作用。

1电路结构

1.1系统框图

电子式感应电机软启动框图如图1所示。信号采集及对应的处理电路采集同步信号作为相角移动控制基础参考,确保信号正确触发;信号感应电路对信号发生反应,如电流和功率因数角等,为起动控制和保护控制提供必要信息;启动控制电路为软启动选择合适控制策略;保护控制电路对过压、过流等进行监控,确保电机安全运行;相角移动控制电路产生脉冲,控制触发角时刻和大小。

1.2感应电机软启动主电路

软启动器是从速度控制装置得到的,其主电路见图2,三对可控晶闸管形成固态三相电压调节器,通过均匀控制可控晶闸管触发角,灵活的控制电机在额定电压下运行。

1.3控制电路模型

控制电路模型是由4个控制子系统构成。

每个子系统直接由仿真模块建立。在交流电路模块控制角开始时,每相电压为零,同步信号应从电源相电压信号获得。

根据同步脉冲产生原理,可由普通仿真模块组成脉冲发生器模型。笔者采用6同步脉冲发生器,电机起动电流值可以应用RMS模块获得。软启动过程关键要限制启动电流,当电压逐步升高,直到接近给定限制电流时,保持电压不变。

2软启动仿真

2.1感应电机软启动系统

软启动子系统的内部结构,它由两个双向晶闸管封装而成。系统仿真电路图中,三相电源由三个单相电源组成。系统采用鼠笼式感应电机,异步电机测量系统可以测出很多参数,如定子、转子电流,电压等。同步信号采集器将A、B、C三个相电压转化成A-C、B-A、C-B三个线电压输入脉冲发生器。脉冲发生器产生宽脉冲,触发三对双向晶闸管来控制机端电压。触发控制器根据定子电流反馈来控制脉冲发生器触发角。

2.2参数设置

①三相电源:每一相电源电压为380V,频率为50Hz,第一个单向电源的相角为0°,第二个单向电源的相角为120°,第三个单向电源的相角为-120。②电机:视在功率3×746VA,线间电压为380V,频率50Hz,其它参数为默认值。③触发系统:频率50Hz。④仿真时间:3s。

2.3结果分析

设置好参数后,单击运行可进行离线仿真,双击显示器可查看参数曲线。如直接启动时的定子电流和转矩曲线,可知系统启动瞬时,产生较大的冲击量(约为稳定时的10倍),过程变化突然,在0.1s后趋于平稳。并可查看电子式软启动下的情形,可看出定子电流和转矩在启动瞬时冲击明显减弱,变化趋于平缓,有利于系统稳定和保护设备。

3结束语

电子式软启动以计算机为工具,在已知并输入电动机,电网和负载数学模型基础上,根据选定控制策略做出离线模拟。本文通过设计系统框图和仿真模拟电路,得到软启动下电机定子电流和转矩的变化曲线,较好的改善了直接启动所带来的巨大冲击。该方法在小容量电机中得到广泛应用,收到较好的经济效益。



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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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7、

电机拖动中变频调速技术的实际应用分析

随着时代的进步和社会经济的发展,我国电力系统发展迅速,工业化程度的提高和城市化进程的加快,促使电力资源在国民经济发展中发挥着越来越大的作用。在对一个国家经济发展水平进行衡量时,电气化程度也被作为一个很重要的衡量指标。文章简要分析了电机拖动中变频调速技术的实际应用,希望可以提供一些有价值的参考意见。

电力系统的安全稳定运行,会对人们的日常工作生活以及社会经济的发展产生直接影响,因此,相关部门越来越重视电力系统的安全和可靠运行。随着科学技术的不断发展,变频调速技术得到了飞速发展和普遍应用,将其应用到电机拖动中,具有一系列的优势和价值。

1变频调速技术概述

具体来讲,变频调速技术指的是依据电机转速会直接受到工作电源输入频率的影响关系,通过对电动机工作电源频率进行改变,而对电机转速进行适当调整。随着科学技术的发展,如今在我国的日常生活和工作中,已经开始广泛的应用变频调速技术。目前,已经出现了诸多的变频调速控制方式,如直接转矩控制、矢量控制等等。数字控制技术的发展以及半导体技术的普遍应用,不仅在高性能范围内开始应用矢量控制,在驱动领域以及专用驱动领域内也开始广泛应用矢量控制,并且在人们日常生活的家用电器中也开始广泛应用,如变频空调、冰箱等等。此外,在一些其他的领域内也开始应用交流驱动器,如工业机器、电动汽车等等。

2变频调速技术在电机拖动中的应用

具体来讲,电机拖动包括诸多方面的内容,比如直流电机、电机系统的运动方程以及直流电机的静态特点、动态特点以及变压器等等。我们从控制类别方面来讲,转速开环是卸油泵电动机的变频调速系统,电源变频调速系统则是利用恒压频度比来控制的。在实际的使用过程中,要想控制输出直流电压,主要依据的是电压。

通过速度给定,可以获得整个电力系统中的控制信号,即使在是跳跃变化的情况下,进行速度给定,也可以对逆变器的输出电压以及电流的规律性变化进行协调和控制。因此,我们将给定积分器给设定下来,用斜坡输出信号来替代跳跃输入,这样就可以对电机的正转和反转进行有效的控制。通过实践得知,在整个电机拖动系统运行过程中,利用正负电压来有效划分速度给定以及给定的积分器输出。因为正值的信号电压是控制电流器的输出电压和逆变器的输出频率,那么设置的变换器在绝对值方面,没有较大的差异。通过大量的实践研究表明,变频器系统具有较为广泛的调速范围,并且有着较好的调速平滑性,可以对电机启动时性能进行有效的改善,因此可以有效适用于电机拖动中,此外,也可以广泛应用于船舶电力拖动中。采用的控制信号是一样的,只需要协调输出电压和输出频率,更加理性的认知变频调速技术,就可以在电机拖动中更好的应用变频调速技术。

3变频调速技术的合理应用

一是无功补偿原理的作用:无功补偿装置装设的目的是对供电效率进行提高,对供电环境进行改善,它将两种负荷之间能量交换的原理给充分利用了起来,来对供电变压器和输送线之间的耗损进行补偿,在供电系统中,无功补偿装置是不可获取的一个组成部分;只有合理选择了补偿装置,将其应用于电力系统中,才可以对电网功率因数进行有效的提高,对网络耗损进行最大限度的减少,促使电网质量得到有效提高。

在对无功补偿装置进行选择时,通常是将分组投切的电容器以及电抗器应用过来,在一些特殊情况下,调相机以及静止无功补偿装置也是不错的选择;满足了无功平衡的要求,为了促使电压质量标准的要求得以实现,还需要将调压装置应用过来。要将分层分区以及就地平衡的原则应用到电网的无功补偿中,同时,还需要将变电站的无功调节能力给充分纳入考虑范围,并且将电压优化以及功率因数给大力推广开来,积极的应用先进的技术,如电网无功管理系统软件等等,促使电网质量得到更加好的提高,促使电网更加安全可靠的运行。

二是变频器负载标准:相较于变压器和电动机的发热时间,半导体器件的发热时间往往较小,通常在计算时候都采用的是分钟,如果出现了过载超温问题,将会带来很大的问题。因此,就需要严格规定负载条件。需要对变流器的运行种类进行划分,第一级额定输出为电流完全输出,过载情况不会出现;第二级为可以连续输出基本负载电流,短时过载运行可以达到百分之五十;第三级到第六级过载则需要更长的时间。目前在市场上,一般只对第二级以及第一级进行销售。此外,还需要结合生产机械负载性能和调速范围等要求,来对变频器进行合理选择。

4变频器运行的可靠性

通过大量的调查研究发现,温度会在很大程度上影响到变频器运行的可靠性。如果变频器有着较大的功率,那么往往将空气冷却的方法应用过来,也就是将换气扇合理安装于顶部,这样就可以更好的进行换气,向室外排放柜内的热空气,对不断恶化的装置环境进行有效的改善;因为变频器是完全封闭的,需要控制其内部温度在50摄氏度以下;但是对于南方的夏季,往往比较的炎热,温度通常会在50摄氏度以上,要想保证变频器能够正常可靠的运行,就需要采取一系列的降温设备,如空调等等。但是这些外部设备的应用,虽然在较短的时间内对温度进行降低;却会对正常通风产生影响,并且室内噪声也会得到较大程度的增加,因此这种措施是不够合理和科学的。因此,我们就需要结合具体情况,合理安排空冷的位置,最好将管道式通风装置应用到柜顶,这样就可以向室外直接排放室内的热空气。在一些特殊的情况下,还需要结合具体情况对变频器进行科学选择,并且需要定期经常的维修和保护那些容易出现问题的部位,避免损坏到变频器。

5结束语

通过上文的叙述分析我们可以得知,随着时代的发展和社会经济的进步,社会的电力需求越来越大,电力系统运行的稳定性和安全性将会对人们的日常生活和工作以及国家的长治久安产生直接的影响;针对这种情况,就需要不断的改善和完善电力系统,更好的服务于人们生活和社会发展。通过大量的实践研究表明,将变频调速技术应用到电机拖动中,具有一系列的优势和价值,可以对电力系统的安全稳定运行起到保障作用。相关的工作人员需要不断努力,革新技术,总结经验,将变频调速技术更好的应用到电机拖动中。文章简要分析了电机拖动中变频调速技术的实际应用,希望可以提供一些有价值的参考意见。



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8、

单台变频器拖动多台电机的可行性分析及改造策略

石油石化企业的生产强度比较大,一组电机会设置成多台互为备用,以确保电气系统安全可靠运行。但通常情况下整组电机仅设一台变频器用于拖动主电机,主备电机切换后,变频器不再对备用电机实施控制,整组电机便脱离变频调速系统,造成能源呆滞。本文基于经济学角度,通过分析调速控制系统的组成及工作原理,探索变频器“一带多”系统的经济性,可行性。最后阐述改造工程中采用单台变频器拖动多台电机运行时需注意的问题。

1变频器“一带多”的控制系统组成

变频器“一带多”调速控制系统主要包括三部分:信号采集及处理系统,负反馈闭环调速系统和自动检测切换控制系统。

现场环境可采集的信号有很多,诸如压力信号、温度信号、流量信号或液位信号等等。信号采集及处理系统即完成对就地信号的采集与处理,再通过相应的变送器以电流或电压信号传出,必要时为保证到达后续环节的信号质量需要加入信号隔离器。负反馈闭环调速系统是将整形好的信号传送至PID调节器,与设定值比较运算,得出的控制信号对变频器输出进行实时调节,使电机实现变频运行,实现闭环调速控制,进而更好的控制电机执行力。自动检测切换控制系统由可编程序控制器(PLC)及外围输入输出器件组成。系统上电,“手/自动”、“工/变频/检修”等操作命令及变送信号录入系统,核心元件开始依照指令自动扫描,运算,做出判断,遵循程序指标对主备电机实施自动切换控制,同时控制变频器的起动与停止。

2“一带多”变频调速控制系统的工作原理

2.1变频调速控制系统

PLC与变频器联合控制电机的转速及互换。如图1所示,PLC接收变送信号,将反馈得到的速度与给定的速度作比较,再经过高速技术模板运算,得出速度控制量,通过通讯总线将控制量传给变频器,变频器结合自身闭环控制作输出调整,输出信号驱动电机同时反馈PLC,实现调速控制。变频运行状态下主电机需要变频器供电,其他电机做工频运转或备用。如果变频供电电机停机,其相应信号采集处理单元切出系统。此时某台备用电机接到优先级高的变频指令,直接切到变频控制系统,实现变频调速供电,相应信号采集处理单元切入调节回路,参与闭环调速控制。当“工/变频/检修”切换开关处于“工频”或“检修”位置,变频调速控制将不被切入,电机始终处于工频运行或检修状态;当“手/自动”切至手动位置,可将负载与PLC、变频器全部脱开,直接实现工频运作。

2.2PLC工作原理

一旦PLC运行,运行期间重复执行输入采样、用户程序执行、输出刷新这3个阶段,如图2。输入采样阶段,PLC会依次对状态、数据进行扫描,存入相应I/O单元;采样输入结束,进入用户程序执行阶段,然后输出刷新。在这个周期性的运行过程中,数据发生变化,但执行过的单元数据信息不会变化。

2.3PLC与变频器之间通讯

PLC和变频器的通讯方式可以有USS,profibus-dp,MODBUS或PROFINET等多重选择。在此过程中,PLC为“主站”,变频器为“从站”,主站通过串行总线将不断刷新的控制命令传送给从站,从站接收命令后会调整控制输出,并将数据信息以报表形式回传送至主站,如此循环。

3变频器“一带多”的经济性

3.1直接效益

变频调速系统较高的调速精度和较宽的调速范围及“一带多”的控制方式,可以将每组控制回路总投资极大的节约,降低无功能耗的同时缩短资源回收期,以至寿命期内创造零成本经济效益。

3.2间接效益

1)变频调速控制系统可以改善因实际负荷与设计负荷偏离较大而造成的阀体前后压差大、润滑油温轴温高等现象,通过调整转速维持恒压等办法延长轴承、轴瓦的使用寿命。

2)PLC可以对电机实时监控,系统运行状况一步掌握,一旦出现异常现象可极早发现尽早解决,缩短检修时间,亦可避免因事故延迟造成不必要损失。

3)变频调速控制系统可实现主备电机自动切换,备用电机软启动,即便电机控制的流体里杂质较多容易堵塞与泄露,也不会产生大电流冲击电机,增加了电机使用年限。

4)变频器的保护功能齐全,PLC控制快速精确。对于正反转等特殊要求及启停较频繁的情况,两者实施联合保护可以进一步提升系统稳定性和可靠性。

4改造工程

4.1注意事项

变频器的“一拖一”已是成型技术,但在已经投产的装置上改造成“一带多”并非简单易事。首先是电缆走线,控制方案。因为多台电机会有不同的工况,调节参数、范围及控制要求。其次是控制柜安放地点设置。变频器体积及PLC控制柜需要满足电气相关标准。再次是系统总的配电容量。加装了变频器和控制柜,配电系统的供电容量是否可以满足使用要求。第四是电机本身性能是否可以在变频情况下启动,如绝缘等级、变压启动等。

4.2改造策略

本着改造工程量小,运行性能好,节能显着,投资回收期短等原则制定方案。

与电机匹配的变频器功率一定要选定稍高于或等于电机最大使用功率,且选型时等级也要选择高一些的,能满足装置与仪表配套,另外能够实行闭环控制的变频器。同时电机应用变频器时,由于电压变化率dv/dt增高,电机的绕组电压分布变得很不均匀,电机故障率增加,所以从长远经济效益上来讲,在采用变频器“一带多”的同时也要将较低的绝缘等级电机更换为绝缘等级高一些的电机,保证变频器的使用寿命同时保证电机的使用寿命。再者对电机实施必要的保护时,最好不要在变频器输出端应用熔断器,一旦一台电机出现故障,变频器会检测到输出缺相,然后报警停机,这样会将事故进一步扩大。当电机台数过多、线路太长的情况下,可增加输入输出电抗器等措施。另外需做好日常的维护工作。

5总结

采用变频器“一带多”调速控制系统可以将设备的使用寿命延长,将供配电系统的耗能降低,将电力系统安全经济性提升,但需要注意的事项也很多。夯实的理论基础,丰富的现场经验,严谨的工作态度可使变频调速控制系统运行出最完美的经济效益。



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9、

试论交流变频拖动系统

交流调速技术的基本控制原理很早就已经确立,转子电阻控制、串级调速等方式早已经实用化,但是长期以来,异步电机交流调速技术在稳定性、可靠性、控制性能和维修等方面的不足,使其使用范围受到限制;尤其是在像电梯等对控制性能、可靠性等要求非常高的系统中,一直都是直流电动机调速技术的天下。1965年以后,由于晶闸管及控制晶体管的进步,控制线绕式异步电动机的转子电压进行调速运转的静止串级调速、采用晶闸管逆变器控制鼠笼式异步电动机进行调速运转等方式逐渐实用化,逐渐奠定了以逆变器为主流的技术基础。而且直接采用电动机调速的技术逐渐取代了其它各种调速技术(如采用皮带的机械式传动、采用液压联轴节的液力传动等),成为调速技术的主流。

1.变频调速技术的基本原理

异步电机,特别是三相鼠笼式电机,由于结构简单牢固、价格便宜、运行可靠和无需维护等特点,在交流传动中得到了及为广泛的应用;异步电机的调速可分为两大类,一类是在电机旋转磁场同步转速,恒定的情况下调节电机的电机转差率;另一类是调节电机的同步转速。异步电动机的调压调速、转子串电阻调速、滑差离合器调速、斩波调速等,都是在电机旋转磁场同步转速恒定的情况下调节电机的转差率来实现电机调速,这类调速方法简单,易于实现,但效率较低。变极调速和变频调速则是在保持邃本不变的情况下,调节电机的同步转速,来实现电机调速,这类调速方法属于高效率的调速方法,特别是变频调速是异步电动机高效调速方法的典型,它既能实现异步电动机的无级调速,又能根据负载的特性不同,通过适当调节电压与频率之间的关系,可使电机始终运行在高效率区,并保证良好的运行特性。另外异步电动机采用变频调速技术还能显着改善起动性能,大幅度降低电机的起动电流,增加起动转矩,同时还能加宽调速范围、提高力力矩性能指标等。可以说,变频调速是目前为止异步电动机最为理想的调速方法。

2.变频器的结构

综合考虑液压电梯控制系统的特点,主要考虑的是低频力矩指标和四象限工作能力;在变频调速液压电梯速度控制中,采用电压源型交-直-交变频器。变频器主要由五部分组成:整流回路、逆变器、控制电路、制动组件和保护回路。

2.1整流回路

整流器由二极管或晶闸管组成,它负责将工频电源变成直流。在整流器整流后的直流电压中,含有电源6倍频率的脉动电压,此外逆变器部分产生的脉动电流也使直流电压变动;为了抑制电压波动,可采用直流电抗和电容吸收脉动电压(电流)。

2.2逆变器

现在的交-直-交变频器在采用脉宽调制(PWM)技术后,把调压和调频的任务统一由变频器来完成,最常用的调节方案采用SPWM方式,采用参考正弦电压波与载频三角波来互相比较,决定主开关的导通时间来实现调压,利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。脉宽调制型变频器不仅可以把调压和调频的功能集于一身,而且还因采用不可控整流,简化了整流装置,降低了整流器的造价,同时还改善了系统的功率因数,加快了系统的动态响应,特别是通过采用适当的调制方法可以使变频器输出电压中谐波分量,尤其是低次谐波显着减少,从而使异步电动机的技术性能指标得到了大幅度地改善。

2.3制动组件

一般的电压源型交-直-交变频器为不可逆变频器,即变频器正常运行为两象限运转,电源只向异步电动机输出功率。对于减速时需要制动力的负载,功率会从异步电动机向逆变器回流,此时变频器需附加一套制动组件,以实现电机Ⅱ、Ⅳ象限制动;制动组件采用制动电阻的形式,当异步电动机工作于制动发电状态时(转差率为负),将产生再生能量,再生能量存于变频器平滑回路电容器中,使平滑回路中直流电压升高,当电压升高到一定值时,控制电路使制动部分的晶体管道通,再生能源流入电阻器被消耗掉。再生能量较大时,控制单元和电阻单元将分别设置。对于需要急加减速度,并且加减速度频繁的场合(电梯),或对于制动为主要目的场合(液压电梯下行),需采用可逆变频器,实现电动机的四象限运行,即双向电动和能量回馈制动运行。可逆型逆变器可以将电机的再生能源反馈回电网。

2.4控制回路

向异步电机供电的主回路提供控制信号的回路,称为控制回路。控制回路由由运算回路、电流电源检测回路、驱动回路、测速回路等组成。其中运算回路将外部的速度、转矩指令同检测回路的电流、电压信号进行比较运算,决定变频器的输出电源和频率。电压/电流检测回路采用霍耳CT、电阻等元件,并与主回路隔离进行电压、电流的检测。驱动回路驱动主回路元件的导通、关断,它与控制回路隔离。速度检测回路通过异步电机轴上的速度检测器(TG、PLG)或其他途径,将速度信号送回运算回路,对系统构成速度闭环控制。

2.5保护回路

变频器控制回路中的保护可分为变频器保护和异步电动机保护。变频器的保护功能有:瞬时过电流保护、过载保护、再生过电压保护、瞬时停电保护、接地过电流保护、冷风机异常保护等。对异步电动机的保护有:过载保护和超速(超频)保护。

3.变频调速的控制方式

3.1V/F控制

异步电动机的转速由电源频率和级数决定,所以改变频率可以控制电动机调速运行。但是频率的改变导致电动机内部阻抗也改变,因此单独改变频率将产生由弱励磁引起的转矩不足和由过励磁引起的磁饱和等现象,使电动机的功率因数和效率下降:V/F是一种开环控制方式,变频器在改变输出频率的同时,必须控制变频器的输出电压,即使V/F为常值。V/F控制系统结构简单,但是静、动态性能均不理想,尤其在低频时的特性较差,需要函数发生器适当提高定子电压来补偿磁通的减少;这种控制方式基本上不适合在液压电梯中应用。

3.2转差频率控制

转差频率控制方式是在V/F控制方式的基础上发展起来的,需要检测出电动机的转速,然后以电动机速度与转差频率的和来给定变频器输出频率。由于能够任意控制与转矩、电流有直接关系的转差频率,与V/F控制相比,其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外,它具有速度控制器,利用速度反馈进行速度闭环控制可适用于自动控制系统。在V/F控制中,如果保持电动机气隙磁通一定,则电动机的转矩及电流由转差频率决定。如果增加控制电动机转差频率的功能,那么异步电动机产生的转矩就可以控制。转差频率是施加于电动机的交流电压频率与电动机速度(电气角频率)的差频率,在电动机上安装测速发电机(PG)等速度检测元件,就可以知道电动机的速度,此速度加上转差频率(与产生所要求的转矩相对应)就是变频器的输出频率。根据电动机产生的转矩大体与转差频率成比例的事实来控制电动机产生的转矩,就是转差频率控制的原理,这种控制方式具有较高的静动态性能。

3.3矢量控制

矢量控制的特点:

(1)矢量控制特性比其他控制特性优越,可实现与直流电机相同的控制特性;

(2)矢量控制变频调速响应速度快,调速范围广,特别是低速段的调速性能优越,可满足频繁急加、减速度运转和连续四象限运转等场合;

(3)可以进行转矩控制。在电机静止状态时,能控制产生静止转矩;

(4)控制运算中一般需要使用电动机的参数,需要电动机的速度反馈,一般要求电动机为专用电动机。由于矢量控制方式完美的控制特性,可以很好地满足液压电梯的低频力矩指标、静动态性能。



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