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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、

直流电机的调速方法

直流电机的基本原理,由感应电势、电磁转矩以及机械特性方程式可知,直流电动机的调速方法有三种:

(1)调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压,从电动机额定转速向下变速,属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,这种方法最好。变化遇到的时间常数较小,能快速响应,但是需要大容量可调直流电源。

(2)改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速,但只能减弱磁通进行调速(简称弱磁调速),从电机额定转速向上调速,属恒功率调速方法。变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多,响应速度较慢,但所需电源容量小。

(3)改变电枢回路电阻日。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法,设备简单,操作方便。但是只能进行有级调速,调速平滑性差,机械特性较软;空载时几乎没什么调速作用;还会在调速电阻上消耗大量电能。

改变电阻调速缺点很多,目前很少采用,仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大,往往是和调压调速配合使用,在额定转速以上作小范围的升速。因此,自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主,必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。

直流电动机电枢绕组中的电流与定子主磁通相互作用,产生电磁力和电磁转矩,电枢因而转动。直流电动机电磁转矩中的两个可控参量和是互相独立的,可以非常方便地分别调节,这种机理使直流电动机具有良好的转矩控制特性,从而有优良的转速调节性能。调节主磁通一般还是通过调节励磁电压来实现,所以,不管是调压调速,还是调磁调速,都需要可调的直流电源。



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2、

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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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、

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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5、

鼠笼式交流异步电动机起动技术

1引言

三相鼠笼式交流异步电动机因其结构简单,性能稳定及无需维护等特点,在各个行业中得到了广泛的应用,但由于其在起动过程中会产生过大的起动电流,会对电网和其他用电设备造成冲击,受电网容量限制和保护其他用电设备正常工作的需要,要在电机起动过程中采取必要的措施。总的来说,在不需要调速的场合,考虑经济的因素,异步电动机的起动可以有两种方法:直接起动和降压起动。

2直接起动

直接起动也就是全压起动,起动方法简单,但交流异步电动机的起动电流大,可达到额定电流的4~7倍,对于国产电动机的实际测量,某些笼形异步电动机甚至可达到8~12倍。过大的起动电流会造成电动机发热,影响电动机寿命;电动机绕组(特别是端部)在电动力作用下,会发生变形造成短路而烧坏电动机;过大电流会使线路压降增大,造成电网电压下降而影响到同一电网的其他用电设备的工作。所以,一般情况下规定,异步电动机的功率低于7.5kw时允许直接起动,如果功率大于7.5kw,在条件不允许的情况下,就需要采用其他方法进行起动。

3降压起动

3.1电阻降压起动

起动原理图如图1所示。q1和q2为接触器;r为起动电阻。

(1)简介

电阻降压起动就是通常所说的定子串电阻起动。在定子电路串联电阻,起动时电流会在电阻上产生压降,降低了电动机定子绕组上的电压,起动电流也从而得到减小。起动时,q1闭合,q2断开,起动完成后,闭合q2。

(2)优点

起动平稳,运行可靠,结构简单,如果采用电阻降压起动,在起动阶段功率因数较高。

(3)缺点

由于起动转矩和定子电压的平方成正比,所以起动时电压降低将造成起动转矩减小,适用于轻载和不频繁起动的场合;起动时电能损耗大,起动成本高。

3.2自耦变压器降压起动

起动原理图如图2所示,q1和q2为接触器。

(1)简介

自耦变压器降压起动利用自耦变压器降低加到电动机定子绕组的电压,以减小起动电流。自耦降压起动的起动电流参照式(1),起动电压参照式(2),起动转矩参照式(3)。

式中,i1为自耦变压器原边电流,即使用自耦变压器时的电机起动电流;

ist为电机直起时的起动电流;ux为自耦变压器起动时的起动电压;t为自耦变压器起动时的起动转矩;tst为电机直起时的起动转矩;w2、w1分别为自耦变压器副边和原边匝数。

为满足不同负载要求,自耦变压器的二次绕组一般有三个抽头分别为电源电压的40%、60%、80%(55%、64%、73%)。

(2)优点

三个电压抽头适合不同负载起动时选择;可以适用于较大容量电动机;

(3)缺点

体积大,质量大,价格高,需要维护检修。

3.3星-三角起动

起动原理图如图3所示,q1和q2为接触器。

(1)简介

星-三角起动要求电机每个绕组有两个出线端,共6个出线端。起动时接成星形,起动完成后必须为三角形。起动时连接成星形的定子绕组电压与电流只有三角形连接时的1/1.732。连接成星形起动时的线电流只有连接成三角形直接起动线电流的1/3;起动转矩和电压平方成正比,因此也是直接起动转矩的1/3。

(2)优点

体积小,重量轻,运行可靠,检修方便。

(3)缺点

只适用于正常运行时接成三角形的电动机;只适用于轻载或空载起动;起动电压是定值,不能根据负载调整。



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6、

电力拖动控制线路的布线方法

下面以接触器联锁正反转控制线路的安装为例介绍其布线方法。

主电路的布线方法:顺序法,即根据线号从小到大依次安装。安装顺序为:L1、L2、L3―U11、V11、W11―U12、V12、W12―U13、V13、W13―U、V、W。

控制电路的布线方法可归纳为三种。

第一种:线号法。按照控制电路的线号0,1,2…从小到大或从大到小依次进行安装。图1中,安装顺序为:0号线(2根)―1号线(1根)―2号线(2根:盘上1根,盘内与盘外按钮连接1根)―3号线(5根:按钮内部连线2根,盘上2根,盘内与盘外按钮连接1根)―4号线(3根:盘上2根,盘内与盘外按钮连接1根)―5号线(1根)―6号线(3根:盘上2根,盘内与盘外按钮连接1根)―7号线(1根),共18根。

所需连接导线根数的计算方法:

导线根数=接触点数-1+x

式中,接触点数指某一线号导线与元器件连接的数量;-1指一根导线有两端(中间不允许有接头),计算根数时需减1。+x指根据安装位置的不同:有盘外线与盘内线连接时,+1;无盘外线与盘内线连接时,+0。

根据此公式可计算出控制电路各线号所需导线根数。0号线2根(3-1+0=2),1号线1根(2-1+0=1),2号线2根(2-1+1=2),3号线5根(5-1+1=5),4号线3根(3-1+1=3),5号线1根(2-1+0=1),6号线3根(3-1+1=3),7号线1根(2-1+0=1),共18根。

第二种:单元电路法,又称回路法。布线顺序为:1―2―3―4―5―0支路8根(FU2至KH1根,KH至接线端子1根,接线端子至SB1进线1根,SB1出线至SB2进线1根,SB2出线至接线端子1根,接线端子至KM2联锁触头进线1根,KM2联锁触头出线至KM1线圈进线1根,KM1线圈出线至FU2熔断器1根);3―4支路3根(SB1出线至接线端子1根,接线端子至KM1自锁进线1根,KM1自锁出线至KM2联锁触头进线1根);3―6―7―0支路5根(SB2进线至SB3进线1根,SB3出线至接线端子1根,接线端子至KM1联锁触头进线1根,KM1联锁触头出线至KM2线圈进线1根,KM2线圈出线至KM1线圈出线1根);3―6支路2根(KM2自锁进线至KM1自锁进线1根,KM2自锁出线至KM1联锁触头进线1根)共18根。

第三种方法是综合法。具有上述两种方法的优点,线号法、回路法并用,遇到盘外的导线先不接,待盘上布线完成后再与盘外相连。此法实用性较强,但学生易出现故障,必须经过大量的实践学习才能掌握,适应于熟练工。安装顺序为:先接盘内线:0号线2根(KM1线圈出线至FU2熔断器1根,KM2线圈出线至KM1线圈出线1根);1号线1根(FU2至KH);2号线1根(KH至接线端子),3号线2根(KM2自锁进线至KM1自锁进线1根,KM1自锁进线至接线端子1根);4号线2根(KM1自锁出线至KM2联锁触头进线1根,KM2联锁触头进线至接线端子1根);5号线1根(KM2联锁触头出线至KM1线圈进线);6号线2根(KM2自锁出线至KM1联锁触头进线1根,KM1联锁触头进线至接线端子1根);7号线1根(KM1联锁触头出线至KM2线圈进线),再接盘外按钮内部连线2根(SB1出线至SB2进线1根,SB2进线至SB3进线1根);最后接盘内与盘外按钮的连接线4根(SB1进线接接线端子2号线、SB1出线接接线端子3号线、SB2出线接接线端子4号线、SB3出线接接线端子6号线)。共18根。



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7、

电力拖动系统中电动机的选择

电动机是电力拖动系统中的动力能源,正确选择电动机是系统安全、经济、可靠和合理运行的质量保证。电动机的选择主要考虑电动机的额定功率、额定电压、额定转速、种类、结构形式等。

1、电动机额定功率的选择

正确合理地选择电动机的功率是很重要的。功率的选择是否适当可能会影响电动机的寿命或者造成电能的浪费。

电动机的工作方式有连续工作制、短期工作制和周期性断续工作制三种。

(1)连续工作制电动机额定功率的选择在这种工作方式下,电动机连续工作时间很长,可使其温升达到规定的稳定值,如通风机、泵等机械的拖动运转。

在工业生产中,相当多的生产机械是在长期恒定的或变化很小的负载下运行,对与这类负载只要电动机的额定功率等于或略大于生产机械所需要的功率即可。若负载功率为PL,电动机的额定功率为PN,则应满足下式:PN≥PL。电机制造厂生产的电动机,一般都是按照恒定负载连续运转设计,并进行形式试验和出厂试验的,完全可以保证电动机在额定功率工作时,电动机的温升不会超过允许值。

通常电动机的容量是按周期环境温度为40?C而确定的。绝缘材料最高允许温度与40?C的温差称为允许温升,各级绝缘材料的最高允许温度和允许温升见下表:

表各级绝缘材料的最高允许温度和允许温升

(2)短期工作制电动机额定功率的选择在这种工作方式下,电动机的工作时间较短,在运行期间温度未升到规定的稳定值,而在停止运转期间,温度则可能降到周围环境的温度值,如吊桥、水闸、车床的夹紧装置的拖动运转。

为了满足某些生产机械短期工作的需要,电机生产厂家专门制造了一些具有较大过载能力的短期工作制电动机,其标准工作时间有15min、30min、60min、90min四种。因此,当电动机的实际工作时间符合标准工作时间时,选择电动机的额定功率PN只要不小于负载功率PL即可,即满足PN≥PL。

(3)周期性断续工作制电动机额定功率的选择这种工作方式的电动机的工作与停止交替进行。在工作期间内,温度未升到稳定值,而在停止期间,温度也来不及降到周围温度值,而如很多起重设备以及某些金属切削机床的拖动运转。

电机制造厂专门设计生产的周期性断续工作制的交流电动机有YZR和YZ系列。标准负载持续率FC有15%、25%、40%、60%四种,一个周期的时间规定不大于10min。

2.电动机额定电压的选择

电动机额定电压要与现场供电电网电压等级相符。否则,若选择的额定电压低于供电电源电压,电动机将由于电流过大而被烧毁;若选择的额定电压高于供电电源电压,电动机有可能因电压过低不能启动,或虽能启动但因电流过大而减少其使用寿命甚至烧毁。

中小型交流电动机的额定电压一般为380V,大型交流电动机的额定电压一般为3kV、6kV等。直流电动机的额定电压一般为110V、220V、440V等,最常用的直流电压等级为220V,直流电动机一般是有车间交流供电电压经整流器整流后的直流电压供电。选择电动机的额定电压时,要与供电电网的交流电压及不同形式的整流电路相配合。当交流电压为380V时,若采用晶闸管整流装置直接供电,电动机的额定电压应选用440V(配合三相桥式整流电路)或160V(配合单相整流电路),电动机采用改进的Z3型。

3.电动机额定转速的选择

电动机额定转速选择是否合理,将直接影响电动机的价格、能量损耗及生产机械的生产率等各项技术指标和经济指标。额定功率相同的电动机,转速高的电动机尺寸小,所用材料少,因而体积小,质量轻,价格低,所用选用高额定转速的电动机比较经济。但由于生产机械的工作速度一定且较低(30~900r/min),因此,电动机转速越高,传动机构的传动比越大,传动越复杂。所以,选择电动机的额定转速时,必须全面考虑,在电动机性能满足生产机械要求的前提下,力求电能损耗少,设备投资少,维护费用少。通常,电动机的额定转速选在750~1500r/min比较合适。

4.电动机种类的选择

选择电动机的种类时,在考虑电动机的性能必须满足生产机械的要求下,优先选用机构简单、价格便宜、运行可靠、维修方便的电动机。在这方面,交流电动机优于直流电动机,笼型电动机优于绕线转子电动机,异步电动机优于同步电动机。电动机种类的选择方法见表3:

表3电动机种类选择

5.电动机形式的选择

原则上,电动机与生产机械的工作方式应该一致,在连续工作制、短期工作制和周期性断续工作制三种方式中选取,但也可选用连续工作制的电动机来代替。

电动机按其安装方式不同可分为卧式和立式两种。由于立式电动机的价格较贵,所以一般情况下应选用卧式电动机。只有当需要简化传动装置时,如深井水泵和钻床等,才使用立式电动机。

电动机按轴伸个数分为单轴伸和双轴伸两种。一般情况下,选用单轴伸电动机;特殊情况下才选用双轴伸电动机。如需要一边安装测速发电机,另一边需要拖动生产机械时,则必须选用双轴伸电动机。

电动机按防护方式分为开启式、防护式、封闭式和防爆式四种。为防止周围的媒介质对电动机的损坏以及因电动机本身故障而引起的危害,电动机必须根据不同环境选择适当的防护形式。

开启式电动机价格便宜,散热好,但灰尘、铁屑、水滴及油垢等容易进入其内部,影响电动机的正常工作和寿命,因此,只能在干燥、清洁的环境中使用。

防护式电动机的通风孔在机壳的下部,通风冷却条件较好,并能防止水滴、铁屑等杂物落入电动机内部,但不能防止潮气和灰尘侵入,因此只能用于比较干燥、灰尘不多、无腐蚀性气体和爆炸性气体的环境。

封闭式电动机分为自扇冷式、他扇冷式和密闭式三种。前两种用于潮湿、灰尘多、有腐蚀性气体、易引起火灾和易受风雨侵蚀的环境中,如纺织厂、水泥厂等。密闭式电动机则用于侵入水中的机械,如潜水泵电动机。

防爆式电动机主要用于有易燃、易爆气体的危险环境中,如煤气站、油库及矿井等场所。

总之,选择电动机时,应从额定功率、额定电压、额定转速、种类和形式几方面综合考虑,做到既经济又合理。



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8、

电力拖动控制线路的故障分析

近年来,随着电子技术和控制理论的不断发展,相续出现了顺序控制,可编程无触点断续控制,采样控制等多种控制方式。由于电力在生产,传输,分配,使用和控制方面的优越性,使得电力拖动具有方便,经济,效率高,调节性能好,易于实现生产过程自动化等优点,所以电力拖动控制线路系统获得了广泛的应用。电力拖动控制线路常发生的故障主要分为硬故障、软故障和间歇性故障。本文首先介绍了现阶段电力拖动控制线路的发展情况,从应用重点、方式方法和具体分类等方面进行了具体介绍,论文的重点以电力拖动设备的控制线路为主要研究对象,针对上述三种故障原理进行具体的故障测量分析方法,并重点就电阻测量分析法进行了具体分析,给出了在进行故障分析时所需要注意的事项,为电力拖动控制线路的实际控制提供了理论依据。

电力拖动控制线路是用来控制电动机的运转的部件,其由各种控制电动机,电器,自动化元件及工业控制计算机组成,电动机是生产机械的原动机,将电能转化成机械能,分为交流电动机和直流电动机。传动机构是在电动机和工作机构之间传送动力的机构,如速箱,联轴器,传动器等。按电动机拖动系统中电动机的组合数量分,电力拖动的发展过程经历了成组拖动,单电动机拖动和多电动机拖动三个阶段。从电力拖动的控制方式来分,可分为断续控制系统和连续控制系统两种,在电力拖动发展的不同阶段两种拖动方式占有不同的地位,且呈现交替发展的趋势。

随着电力拖动的出现,最早产生的是手动控制电器控制电动机运转的手动断续控制方式,随后逐步发展为有继电器,由接触器等组成的继电接触式有触点断续控制方式。这种控制系统结构简单,工作稳定成本低且维护方便,不仅可以方便地实现生产过程自动化,而且可实现集中控制和远距离控制,所以目前生产机械仍广泛使用。但这种控制仅有通和断,这两种状态,其控制是断续的,即只能控制信号的有无,而不能连续控制信号的变化。为了适应控制信号连续变化的场合,又出现了直流电动机连续控制。这种控制方式可充分利用直流电动机调逮性能好的优点,得到高精度,宽度范围的平滑调速系统。

本文首先介绍了现阶段电力拖动控制线路的发展情况,从应用重点、方式方法和具体分类等方面进行了具体介绍,论文的重点以电力拖动设备的控制线路为主要研究对象,针对上述三种故障原理进行具体的故障测量分析方法,并重点就电阻测量分析法进行了具体分析,给出了在进行故障分析时所需要注意的事项,为电力拖动控制线路的实际控制提供了理论依据。

电力拖动控制线路常发生的故障主要分为硬故障、软故障和间歇性故障。其中硬故障又称突变故障,包括电动机、电器元件或导线显着的发热、冒烟、散发焦臭味、有火花等故障,多是过载、短路、接地、从而击穿绝缘层烧坏绕组或导线等原因造成的。而软故障又称渐变故障,除部分由于电源、电动机和制动器等出现问题外,多数是控制电器问题,如电器元件调整不当、机械动作失灵、触头及压接线头接触不良或脱落等。间歇性故障是由于元件的老化,容差不足、接触不良因素造成,仅在某些情况下才表现出来的故障。

判断故障范围的方法主要有排除法和逻辑分析法,但是这些方法的应用在高速发展的电机设备中已经不能完全满足。本文以电力拖动设备的控制线路为主要对象,针对不同的故障原理进行具体的故障分析,并重点就电阻测量分析法进行了具体分析。

在电动机控制线路工作中,同一个故障现象的出现可能是由不同的原因造成的,故障点的最终确定需要借助一定的工具,在熟悉原理图的基础上,采用合理法如下:

(1)用试验法观察故障现象,结合原理图初步判定故障范围

试验法是在不扩大故障范围,不损坏电气设备和机械设备的前提下,对线路进行通电试验,通过观察电气设备和电器元件的动作,检查各控制环节的动作程序是否符合要求,并结合故障现象作具体的分析,迅速地缩小故障范围,从而判断出故障所在。这种方法是一种以准为前提,以快为目的的检查方法,特别适用于对复杂线路的故障检查。

(2)用测量法确定故障点

测量法是利用电工工具和仪表(如测电笔、万用表、钳形电流表、兆欧表等)对线路进行断电或带电测量,是查找故障点的有效方法。下面介绍最常用的电阻分阶测量法和电压分阶测量法。

电阻分阶测量法如图1所示线路,若故障现象为按下启动按钮SBl时,接触器KM不吸合,说明控制电路有故障。

电阻分阶测量法是在看清故障现象后,断开电源的情况下,用万用表的欧姆档测量线路的直流电阻参数并最终找到故障点的方法。由于此方法是在断电的情况下操作,相对比较安全,是初学者最常用的检测方法。

测量检查时,在确保熔断器FU2良好后切断控制电路电源,把万用表的转换开关位置于适当倍率的电阻挡,然后按图1所示方法进行测量。

一人按下SBl不放,另一人用万用表依次测量O-1、0-2、0-3、0-4各两点之间的电阻值,根据测量结果可找出故障点,见表1。

这种测量方法如同下(或上)台阶一样依次测量电阻,所以叫电阻分阶测量法。

电压分阶测量法是在控制回路不断电的情况下,采用分阶测量电压的方式检修。若故障现象仍如电阻分阶测量法中一样。测量检查时,首先把万用表的转换开关置于交流电压500V的挡位上,断开主电路,接通控制电路的电源(这点与电阻分阶测量法不同),然后按图2所示方法进行测量。

检测时需要两人配合进行。一人先用万用表测量O和l两点之间的电压,若电压为380V,则说明控制电路的电源电压正常。然后由另一人按下SBl不放,一人把黑表棒接到O点上,红表棒依次接到2、3、4各点上,分别测量出0-2、0-3、0-4两点间的电压。根据其测量结果即可找出故障点,见表2。采用分阶测量电压的方式检修设备时,由于是带电检修,必须要有人监护,且操作时要格外小心,避免发生触电及短路事故。

在实际维修工作中,由于电动机控制线路种类很多,故障也不是千篇一律的,就是同一种故障现象,发生故障的部位也不一定相同。因此,采用以上故障检修方法时,不要生搬硬套,而应按不同的故障情况灵活运用,力求快速、准确地找出故障点,查明原因,及时正确地排除故障。

在进行上述方法进行故障检修时应注意的事项包括以下几点:

(a)在排除故障的过程中,故障分析、排除故障的思路和方法要正确。

(b)用测电笔检测故障时,必须检查测电笔是否符合使用要求。

(c)不能随意更改线路和带电触摸电器元件。

(d)仪表使用要正确,以防止引起错误判断。

(e)带电检修故障时,必须有另一名电工在现场监护,并要确保用电安全。

(f)排除故障应尽可能在较短时间内完成,以免给正常生产带来较大影响。



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9、

关于同步电动机的电力拖动问题分析

在同步电动机使用过程中,其稳定性的控制是关键。而电力拖动是影响其稳定性的主要因素,如何实现同步电动机的转速与同步转速相同是本文讨论的重点。

一、同步电动机的起动

正常运行状态下的同步电动机,其转子转速保持不变,确保定子与转子磁场因电磁作用所产生的旋转磁场处于相对静止状态,从而使其产生稳定的电磁转矩。因此同步电动机可以带动负载在同步速度下稳定运行。但由于能够处于稳定状态,直接起动将影响其机械性能。由于其使用电源为50Hz交流电源,加大了其起动难度。同时,三相定子绕组连接三相对称电源后,如定子磁场N极与转子磁极的S极接触,虽受到异性磁极的吸引,但由于转子自身的惯性较大,并不能使静止的转子发生转动。如此状态循环下,转子无法运转而只能在原处摆动。这使得因此同步电动机的起动问题成为难题,要确保其起动过程中稳定性不受到影响,可采取以下措施:

(一)辅助电动机起动

为了实现对同步电动机的牵引,可选一台异步电动机,并要求其极数与同步电动机一致。若同步电动机在起动时转子未加入励磁,需要将转子借助辅助电动机牵引以接近或达到同步转速,完成之后将直流励磁电流通入到同步电动机的转子励磁绕组中,将同步电动机利用整步转矩将接入电网。实际上,在完成定子的同步运行后,辅助电动机已失效。要降低不必要的电能损耗,应停止辅助电动机的运转。辅助电动机起动法主要应用于同步调相机起动和空载起动,但其需要较多的设备,且操作相对较为复杂。

(二)异步起动

异步起动主要靠安装在同步电动机上的异步电动机绕组实现。其操作原理为:将定子通电,靠起动绕组中所产生的异步电磁转矩实现电动机起动。在其转速接近同步转速时,通入励磁电流,通过同步电磁转矩实现电动机的同步运转。异步起动主要靠安装在电动机上的绕组实现,所需设备较少,操作方便。需要注意的是,要避免异步起动时励磁绕组的开路状态。这是由于开路状态下,过多的励磁绕组匝数将造成定子的感应电压升高,从而导致其绝缘性能下降甚至消失,容易造成安全事故,这是异步起动最大的缺点。同时,这种起动方式过程不能使磁绕组直接短路。否则将造成励磁绕组的单相电流过大,并且在旋转气隙磁场的共同作用下,附加转矩增大。根据异步起动的转矩特点,在其起动时,可选择实阻值约为励磁绕组10倍的起动电阻,并将其与转子励磁绕组连接。这样可以减小励磁绕组的感应电流,降低单轴转矩对电动机起动的影响。

二、同步电动机的变频调速

同步电动机的转速与供电电源频率之间始终保持同步并处于稳定运行状态,也就是说,电动机的转速只与电源频率有关,与负载之间无必要联系。也就是说,要实现其转速的改变,变频调速是唯一的方法。目前,变频调速系统主要为自控式调控系统和他控式调试系统。

(一)自控式同步电动机变频调速系统

自控式同步电动机的变频调速的优势在于消除了其转子振荡和失步而出现的安全问题,自控式同步电动机的变频调速系统由安装在电动机轴端的检测器为主,该检测器的主要作用就是通过信号的发出电力电子器件的频率和导通顺序,实现定子转速与转子转速保持同步,消除了负载对设备运转的冲击。目前,该变频装置可采用交-交型或交-直-交型。自控式同步电动机变频调速系统不再使用旋转接触式换向器,而是采用了电力电子逆变器与转子位置检测器。自控式变频同步电动机的变频装置具有差异,这要影响无换向器电动机的电流使用交流还是直流。

(二)他控式同步电动机变频调速

交-直-交变频器是他控式同步电动机变频调速系统的主要应用装置,其变频系统的结构与自控式变频系统相比较为简单,通常只有一台中变频器供电,因此操作较为简单,但相对来说,变频效率不高。但能够作为变频起动装置,确保同步电动机的软起动,或将其应用于多台同步电动机的同时调速。但他控式同步电动机变频调速性能较差,结构简单,存在转子振荡和失步等安全问题,因此应用并不多。

三、总结

同步电动机只有在转速等于同步速度时才能产生恒定不变的同步电磁转矩。该电动机的结构较为简单,主要问题在于其起动。如何保持转子与定子速度的一致是保证其稳定运行的关键。目前,同步电动机所用电源多为50Hz的交流电源,这使得其从静止状态到运转状态的转变较为困难。随着电力系统的快速发展,运行在系统上的主要负载为异步电动机和变压器。这使电网必须要担负电感性的无功功率,从而造成线路损耗,因此同步电动机的起动是其运行中最重要的问题。



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