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为什么注塑机伺服节能改造要比其他节能方式节电率要高?

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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、

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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3、

浅析永磁电机的五大节能原理

一异步电机(感应电机)的工作原理是通过定子的旋转磁场在转子中产生感应电流,产生电磁转矩,转子中并不直接产生磁场。因此,转子的转速一定是小于同步速的(没有这个差值,即转差率,就没有转子感应电流),也因此叫做异步电机。而智能工业电机转子本身产生固定方向的磁场(用永磁铁或直流电流),定子旋转磁场“拖着”转子磁场(转子)转动,因此转子的转速一定等于同步速,也因此叫做同步电机。智能工业电机的转速n始终为n=60f/p不变,式中f为设定频率,p为电机极对数。

由于不需要从电网吸收无功电流,转子上既无铜耗又无铁耗,所以同步电机在很宽的负载范围内能保持接近于1的功率因数,机器效率比同容量的异步电动机提高8%左右,力能指标(ηXcosΦ)提高18%左右。

二智能工业电机的功率密度比同容量的异步电动机提高25%左右。同样功率的电动机,智能工业电机要比异步电动机小2个机座号,体积小意味着铁损小,以及机械损耗小。

三智能工业电机比同功率的异步电动机效率高,同时高效区宽,智能工业电机的转速范围在25%-990%额定转速时,效率达到95%-97%,而异步电动机的转速范围在70%-99%额定转速时,效率只有88%,当转速低于70%额定转速时,效率会急剧下降。

四智能工业电机和异步电机在不同转速情况下的转矩比较

五异步电机起动时,电流是额定电流的6-7倍,对电动机寿命不利,为了达到需要的扭矩,甚至还有加大电机型号,而电机运行时处于低负荷工作,效率降低。而智能工业电机启动时,电流是逐渐增加的,不会超过额定电流,扭矩也能达到额定扭矩,没有电流冲击,延长了使用寿命,电机处于合理的负荷工作。节能原理说明六永磁同步电动机转速控制精准。在转速要求高的场合有更大的优势。



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4、

我国多种高效节能电机的发展状况

“十二五”国家战略性新兴产业发展规划已明确将节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料、新能源汽车作为战略性新兴产业。电机系统与战略性新兴产业的发展密切相关,发展高效节能电机及拖动设备是节能环保产业的重要内容之一。伺服电机及其控制系统在数控机床、工业机器人中的应用是高端装备制造产业的基础。大型风电机组、核电电机的研发与制造是新能源产业的重点。高性能电池、驱动电机与控制技术是电动汽车产业发展的关键。

YE4系列超超高效三相异步电动机

2010年4月IEC启动了对IEC60034-30标准的修订工作,决定将IEC60034-30标准分为2个标准,IEC60034-30-1《在线运行交流电机能效分级(IE代码)》和IEC60034-30-2《变速交流电机能效分级(IE代码)》。IEC60034-30-1已经于2014年3月发布,与IEC60034-30相比,主要变化如下:

(1)电机的效率分为IE1、IE2、IE3、IE4、IE5级,IE5效率最高,IE1效率最低;

(2)延伸了功率范围,从0.75~375kW延伸为0.12~1000kW;

(3)扩大了极数范围,从2P、4P、6P扩大到2P~8P;

(4)扩大了电机种类,从单速三相笼型感应电动机扩大到所有在线运行的交流电机;

(5)环境运行温度为-20℃~+60℃。高效率电机的开发仍然是今后电机技术发展的方向之一,为了填补我国GB18613—2012标准中1级能效电机产品的空白,同时也为了配合国家实施能效“领跑者”计划,有必要开展IE4效率电机的研发,以满足今后国内及出口高效电机市场的需要。

总体目标是完成IE4超超高效系列产品设计,并制订产品技术条件。系列产品机座号:H80~H355;功率范围为0.75~355kW;极数为2,4,6,8极;效率平均值为95%,比普通产品高6%。

超高速三相永磁同步电动机

(1)开发超高速三相永磁同步电动机的必要性:填补国内空白,引领电机行业技术进步;促进高端装备制造的国产化,提升我国高端装备制造业水平;促进电机配套材料(硅钢片、电磁线、绝缘)、电力电子(磁悬浮轴承、变频控制器)等行业的发展;大容量、超高速电机的推广应用具有显着的节能减排效益。(2)产品开发阶段目标:先针对离心压缩机在制冷、气体输送等领域的应用,开发配套用超高速三相永磁同步电动机,功率范围10~300kW,转速范围1000~50000r/min。将超高速电机设计、制造与测试技术向机床主轴电机、微燃发电、高速储能等领域扩展。

低速大转矩永磁同步电动机

低速大转矩一般是指转速<500r/min,额定输出转矩>500N˙m的传动系统。这样的传动系统在许多工业传动领域中常见(如球磨机驱动系统属于典型的低速大转矩传动系统),此外还包括油田机械、矿山机械及塑料机械等。

目前,此类设备仍然采用传统的电机加减速机的驱动模式,由于减速机齿轮等机械原因降低了系统的整体传动效率。永磁电机可以实现低速大转矩直驱运行,该特性使得永磁电机在低速大转矩的传动系统中的应用前景非常广阔。低速大转矩永磁电机应用于球磨机,可去除减速机、直驱小齿轮与传动部的大齿轮啮合,实现球磨机可靠运转,系统节能10%以上。

产品开发的阶段目标如下:(1)完成球磨机配套专用电机的开发,电机功率范围为2.2~400kW,转速范围为10~60r/min。(2)开发提升机、皮带机、螺杆泵、抽油机等设备专用的低速大转矩永磁同步电动机。(3)制订球磨机等设备专用的低速大转矩永磁同步电动机产品标准。

高性能永磁伺服电机系统

2005年以来,我国交流伺服电机市场进入高速发展期,年增长率超过25%;2011年市场容量60多亿元,预计2015年可达150亿元。但目前国内伺服电机系统总体技术水平比较落后,日、欧、美伺服产品完全占据国内高端伺服市场,国内伺服产品只能在中低端领域竞争。国内交流伺服电机市场份额的前四名均被外资品牌占据,2011年外资品牌市场份额近80%,国内品牌市场份额只有近20%,特别是大功率交流永磁伺服系统,基本上被国外产品垄断。目前,交流伺服电机系统应用最多的领域是机床,约占25%,纺织机械占20%、包装机械占10%、印刷机械占7%;国家政策支持中高档数控机床产业化发展,高档数控机床已列入国家科技发展重大专项;进行机床用高性能永磁伺服电机系统的技术研究及产业化,带动伺服电机系统朝着高精度、高性能、快响应的方向发展,对提高我国装备制造的整体水平有重要意义。

产品开发阶段目标如下:(1)完成数控机床进给伺服系统的研究与产品开发,电机功率范围为3~15kW,性能水平与国外同类产品相当;完成永磁伺服驱动系统在数控机床上的应用示范。(2)完成永磁伺服驱动系统在纺织机械、包装机械、印刷机械等设备上的应用研究与典型规格产品开发。(3)制订部分设备专用的永磁伺服电机产品标准。

永磁同步磁阻电动机

永磁同步磁阻电动机综合了永磁同步电动机和开关磁阻电动机的特点,具有效率高、功率因数高、功率密度高、调速范围宽等优点。目前在汽车驱动电机上应用较多,需要进一步拓展永磁同步磁阻电动机在工业领域中的应用,开发永磁同步磁阻电动机系列产品。产品开发阶段目标为开发无稀土同步磁阻永磁电机系列产品,效率达到IE3(超高效)能效水平,同时成本与YE3系列三相异步电动机相当,能够替代风机、水泵和压缩机配套的变频调速三相异步电动机。系列产品功率范围为0.55~315kW;机座号为H80~H355;极数为4极;标称转速为3000r/min;调速范围100~5000r/min。

结语

“十二五”国家战略性新兴产业发展规划已明确将节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料、新能源汽车作为战略性新兴产业。电机系统与战略性新兴产业的发展密切相关,发展高效节能电机及拖动设备是节能环保产业的重要内容之一。伺服电机及其控制系统在数控机床、工业机器人中的应用是高端装备制造产业的基础。大型风电机组、核电电机的研发与制造是新能源产业的重点。高性能电池、驱动电机与控制技术是电动汽车产业发展的关键。电机及系统技术的研究和产品开发要与我国战略性新兴产业的发展需求相结合,通过节能环保、高端装备制造、新能源、新能源汽车等重点领域的新产品开发,解决电机在设计、制造、测试、应用等方面的关键技术难题,从而推动电机技术的进步和电机行业的发展。



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5、

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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6、

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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7、

电动机轴电流的分析

轴电流的危害

在电动机运行过程中,如果在两轴承端或电机转轴与轴承间有轴电流的存在,那么对于电机轴承的使用寿命将会大大缩短。轻微的可运行上千小时,严重的甚至只能运行几小时,给现场安全生产带来极大的影响。同时由于轴承损坏及更换带来的直接和间接经济损失也不可小计。

轴电压和轴电流的产生

轴电压是电动机两轴承端或电机转轴与轴承间所产生的电压,其产生原因一般有以下几种:

(1)磁不平衡产生轴电压

电动机由于扇形冲片、硅钢片等叠装因素,再加上铁芯槽、通风孔等的存在,造成在磁路中存在不平衡的磁阻,并且在转轴的周围有交变磁通切割转轴,在轴的两端感应出轴电压。

(2)逆变供电产生轴电压

电动机采用逆变供电运行时,由于电源电压含有较高次的谐波分量,在电压脉冲分量的作用下,定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生电磁感应,使转轴的电位发生变化,从而产生轴电压。

(3)静电感应产生轴电压

在电动机运行的现场周围有较多的高压设备,在强电场的作用下,在转轴的两端感应出轴电压。

(4)外部电源的介入产生轴电压由于运行现场接线比较繁杂,尤其大电机保

护、测量元件接线较多,哪一根带电线头搭接在转轴上,便会产生轴电压。

(5)其他原因

如静电荷的积累、测温元件绝缘破损等因素都有可能导致轴电压的产生。轴电压建立起来后,一旦在转轴及机座、壳体间形成通路,就产生轴电流。

轴电流对轴承的破坏

正常情况下,转轴与轴承间有润滑油膜的存在,起到绝缘的作用。对于较低的轴电压,这层润滑油膜仍能保护其绝缘性能,不会产生轴电流。但是当轴电压增加到一定数值时,尤其在电动机启动时,轴承内的润滑油膜还未稳定形成,轴电压将击穿油膜而放电,构成回路,轴电流将从轴承和转轴的金属接触点通过,由于该金属接触点很小,所以这些点的电流密度大,在瞬间产生高温,使轴承局部烧熔,被烧熔的轴承合金在碾压力的作用下飞溅,于是在轴承内表面上烧出小凹坑。一般由于转轴硬度及机械强度比轴承烧熔合金的高,通常表现出来的症状是轴承内表面被压出条状电弧伤痕。

轴电流的防范

针对轴电流形成的根本原因,一般在现场采用如下防范措施:

(1)在轴端安装接地碳刷,以降低轴电位,使接地碳刷可靠接地,并且与转轴可靠接触,保证转轴电位为零电位,以此消除轴电流。

(2)为防止磁不平衡等原因产生轴电流,往往在非轴伸端的轴承座和轴承支架处加绝缘隔板,以切断轴电流的回路。

(3)为了避免其他电动机附件导线绝缘破损造成的轴电流,往往要求检修运行人员细致检查并加强导线或垫片绝缘,以消除不必要的轴电流隐患。

一般通过以上处理,大多电动机的轴电流微乎其微,已对电动机构不成实质上危害。现场实践证明,经上述方式处理后实际使用寿命可由原几十个小时提高到上万小时,效果比较明显,尤其对高压电动机轴电流的防范效果好,对安全生产具有积极作用。



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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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