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1、

电机拖动


电机拖动装置由电动机及其自动控制装置组成。自动控制装置通过对电动机起动、制动的控制,对电动机转速调节的控制,对电动机转矩的控制以及对某些物理参量按一定规律变化的控制等,可实现对机械设备的自动化控制及减少能耗。电机拖动包括卷扬机、行车、机床等。


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2、

直流无刷电机中输入脉冲的分析

有限转角直流无刷电机的输入为脉冲宽度调制(PWM),凭借改变PWM的占空比来改变流经电机电流的方向,以此来改变电机的转速与转向,由于加在电机电枢上的是PWM波形,即一系列方波形式的电压波形,所以建模首要的一步就是如何将PWM波与电机正常运转时电枢两端的电压、电机电流、电机旋转角速度以及电机旋转角度等建立联系。

模型主要由3个主要的处理模块组成,即PWM解析模块,电流计算模块以及角度计算模块。

电机的输入激励信号都是标准直流或交流电压信号,而在这里有限转角直流无刷电机的输入激励信号是PWM方波,因此建模的首要任务是如何建立PWM方波信号与电机电枢两端电压的关系,这也是整个建模的难点。

由于PWM是靠改变自身高低电平的占空比来控制电流的正负以及电机的正反转,所以经过综合考虑,决定采用对输入PWM提出了进行采样并计数的方法建立PWM与电机电枢两端电压关系的建模新思路,定时进行计数值的存储与计数值的清零。一般来说,采样时钟频率大约为PWM时钟的6-10倍,即每个PWM周期要采样6-10次,以保证采样精度。




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3、

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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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、

三相异步电动机调速方式

三相异步电动机转速公式为:n=60f/p(1-s)

从上式可见,改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。从调速的本质来看,不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。

在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机,改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。

从调速时的能耗观点来看,有高效调速方法与低效调速方法两种:高效调速指时转差率不变,因此无转差损耗,如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法(如串级调速等)。有转差损耗的调速方法属低效调速,如转子串电阻调速方法,能量就损耗在转子回路中;电磁离合器的调速方法,能量损耗在离合器线圈中;液力偶合器调速,能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加,如果调速范围不大,能量损耗是很小的。

一、变极对数调速方法

这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的,特点如下:具有较硬的机械特性,稳定性良好;无转差损耗,效率高;接线简单、控制方便、价格低;有级调速,级差较大,不能获得平滑调速;可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用,获得较高效率的平滑调速特性。

本方法适用于不需要无级调速的生产机械,如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。

二、变频调速方法

变频调速是改变电动机定子电源的频率,从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器,变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类,目前国内大都使用交-直-交变频器。其特点:效率高,调速过程中没有附加损耗;应用范围广,可用于笼型异步电动机;调速范围大,特性硬,精度高;技术复杂,造价高,维护检修困难。

本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。

三、串级调速方法

串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差,达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收,再利用产生附加的装置,把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。

根据转差功率吸收利用方式,串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式,多采用晶闸管串级调速,其特点为:可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上,效率较高;装置容量与调速范围成正比,投资省,适用于调速范围在额定转速70%-90%的生产机械上;调速装置故障时可以切换至全速运行,避免停产;晶闸管串级调速功率因数偏低,谐波影响较大。

本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。



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6、

变频调速技术在电机拖动中的有效运用

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。本文简要分析了变频调速技术在电机拖动中的有效运用,希望能给大家提供一些有价值的参考意见。

一、变频调速技术概述

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。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术,电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。

变频调速技术已深入我们生活的每个角落,变频调速系统的控制方式包括V/F、矢量控制(VC)、直接转矩控制(DTC)等。V/F控制主要应用在低成本、性能要求较低的场合;而矢量控制的引入,则开始了变频调速系统在高性能场合的应用。近年来随着半导体技术的发展及数字控制的普及,矢量控制的应用已经从高性能领域扩展至通用驱动及专用驱动场合,乃至变频空调、冰箱、洗衣机等家用电器。交流驱动器已在工业机器人、自动化出版设备、加工工具、传输设备、电梯、压缩机、轧钢、风机泵类、电动汽车、起重设备及其它领域中得到广泛应用。

二、变频调速技术在电机拖动中的应用

电机拖动包括诸多方面的内容,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、动态特定以及变压器等等。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出,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证明,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。

三、变频调速技术的合理应用

1、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损耗进行补偿,在供电系统中,无功补偿装置是一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,次啊可以对电网功率因数进行有效的提高,对网络损耗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,促使电网质量得到更加好的提高,促使电网更加可靠的运行。

2、变频器符合标准:

相较于变压器和发动机的发热时间,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;第二级也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,来对变压器进行合理选择。

四、变频器运行的可靠性

有专业人员曾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502摄氏度以下,但是对于南方的夏季,往往计较炎热,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,一次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。

通过上文的叙述我们可以得知,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。而且,通过大量的实践研究表面,将变频调速技术应用到电机拖动中,具有一系列的优质和价值,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。



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7、

同步电动机的电力拖动原理

由于同步电动机在稳定运行时,其转速等于同步转速,虽然同步电动机的机械特性较为简单,但由于同步电动机仅在同步转速下才能产生恒定的同步电磁转矩,不能采取直接起动的方法,而必须采取专门的方法来起动。

1、同步电动机的起动

同步电动机在正常运行时,转子恒以同步转速旋转,使旋转的转子磁场与定子因电磁作用而产生的旋转磁场保持相对静止,使得同步电动机产生稳定的电磁转矩,故同步电动机能够带动负载稳定地并恒以同步速度运行。但是要利用这两个定、转子磁场之间的作用使电动机在50Hz的交流电源下从静止状态起动起来却是非常困难的。

如果三相定子绕组接人三相对称电源时,所建立的定子磁场N极正好擦过巳励磁的转子磁极的S极面,由于异性磁极的吸引作用,定子磁场力图将静止的转子吸着与它一同旋转。但由于转子有着相当大的机械惯性,当转子尚未来得及向前转动时,定子磁场的N极已转到了转子D极的后面。它又力图将转子拉向倒退。在转子仍未反应过来时,定子磁场的"极又转到了转子S极的前方,苒度要将转子向前拉……如此反复,致使转子只能在原处摆动而旋转不起来。因此不能在额定电源下直接起动是同步电动机的主要缺点之一。为了使同步电动机得以起动,目前可采用的方法主要有三种。

1.1辅助电动机起动

选用一台和同步电动机极数相同的异步电动机作为辅助电动机来牵引同步电动机。起动时在同步电动机转子尚未加入励磁的情况下,先用辅助电动机将转子牵引到接近同步转速,然后采用自整步法,在同步电动机转子励磁绕组中通入直流励磁电流,再利用整步转矩将同步电动机接入电网,这时在定、转子磁场的共同作用下将转子拉入同步运行。此时辅助电动机巳失去作用,为减小不必要的损耗,可切断辅助电动机电源使它与主机脱离并停止运行。该方法只适用于空载起动或同步调相机的起动,其所需设备多、操作复杂。

1.2异步起动

现代大多数同步电动机,在其转子上都装有类似异步电动机的笼型绕组(称为起动绕组或阻尼绕组)。在定子接通电源后,起动绕组中便能产生异步电磁转矩起动电动机,等转速接近同步转速时,再通入励磁电流,利用同步电磁转矩将电动机牵入同步转速。这种起动方法是目前同步电动机最常用的起动方法。

异步起动时,励磁绕组不能开路,否则由于励磁绕组匝数很多,定子旋转磁场将在励磁绕组内感应很高的电压,可能会击穿励磁绕组的匝间绝缘,甚至造成人身事故。异步起动时,励磁绕组也不能直接短路。如果直接短路,励磁绕组中将感生一个很大单相电流,此单相电流与旋转气隙磁场相互作用,将产生一个较大附加转矩(单轴转矩〉。因为异步起动时实际的起动转矩是起动绕组产生的异步转矩和单轴转矩之和(两者合成〉。通常选用一个阻值为励磁绕组本身阻值10倍左右的起动电阻与转子励磁绕组串接,以减小励磁绕组中的感应电流,削弱单轴转矩对起动的影响。

2、同步电动机的变频调速

同步电动机是以其转速"与供电电源频率力之间保持严格同步关系而命名的,即只要电源频率保持不变,同步电动机的转速就恒定不变而与负载大小无关。因此要改变同步电动机的转速,只有通过改变其供电电源的频率来达到,即采用变频调速的方法。

2.1他控式同步电动机变频调速系统

他控式同步电动机变频调速系统中的变频装置可以采用交-直-交变频器,也可采用交-交变频器。该系统结构简单,控制方便,只需一台变频器供电,成本低廉。可作为变频起动装置,实现同步电动机的软起动;也可用于多台同步电动机的群调速系统。但由于没有转速反馈,他控式变频调速方法虽然可以实现同步电动机的转速调节,但就像同步电动机接在工频电网上一样,存在转子振荡和失步的隐患,这是他控式同步电动机

2.2自控式同步电动机变频调速系统

与他控式同步电动机变频调速相比,自控式同步电动机变频调速的最大特点就是从根本上消除了同步电动机转子振荡和失步的隐患。因为自控式同步电动机变频调速系统在电动机轴端装有一台转子位置检测器,由它发出的信号控制给定子供电的变频装置电力电子器件的导通顺序和频率,使定子旋转磁场的转速和转子旋转的转速相等,始终保持同步,因此不会因负载冲击等造成失步现象。这种调速方式适用于快速可逆运行和负载变化剧烈的场合。

自控式同步电动机变频调速系统中的变频装置,可采用交-直-交型,也可采用交-交型。自控式同步电动机变频调速系统中的同步电动机,从电机结构上看,它是交流的,但从其工作原理上看,就像是一台直流电动机。它采用电力电子逆变器和转子位置检测器,代替了容易产生火花的旋转接触式换向器,即用电子换向取代机械换向。因此自控式同步电动机变频调速系统又称为无换向器电动机的调速系统。自控式变频同步电动机也称为无换向器电动机。根据调速系统所采用的变频装置不同,无换向器电动机可分为交流和直流两类。采用交-直-交变频装置时,其逆变器由直流电源供电,故称为直流无换向器电动机;采用交-交变频装置时,其逆变器由交流电源供电,故称为交流无换向器电动机。

3、同步电动机的功率因数补偿应用

随着电力系统日益扩大,运行在系统上的主要负载是异步电动机与变压器。因此,电网就要担负很大一部分电感性的无功功率,导致整个电网的功率因数降低,使得线路损耗和压降增大,输电质量变坏,电力系统运行也很不经济。为此,就提出了提高电网功率因数的要求。而同步电动机在额定电压和额定频率下,在输出功率不变的条件下,改变励磁电流的大小,就可以改变流入同步电动机定子电流的性质。即正常励磁时,同步电动机的定子电流与定子电压同相位,相当于纯电阻性负载;当励磁电流比正常励磁电流大时(处于过励状态),同步电动机定子电流在相位上超前定子电压,相当于电阻电容性负载;当励磁电流小于正常励磁电流时(处于欠励状态),同步电动机定子电流在相位上滞后定子电压,相当于电阻电感性负载。因此,同步电动机接人电网,通过调节其励磁电流,能够起到改善电网总功率因数的作用。一些大生产企业为了提高电网的功率因数,常使用同步电动机来补偿电网的功率因数。



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8、

浅析电力拖动系统稳定运行的充要条件

电力的拖动系统可实现机械生产各方面的不同需求,且价格不昂贵、电路设计简单、对自身系统有保护作用,所以当前工业生产对电力拖动应用已非常广泛。本篇文章简单分析了电力拖动系统稳定运行的充要条件,并且对他励直流电动机、异步电动机三种典型负载时系统的稳定性进行判断。

伴随自动化水平提升及科技的发展,在工业生产中对电力拖动系统的控制性、安全性得到了极大重视,再加上电力拖动系统的众多优点,因此电力拖动系统已得到了很广泛的运用。

1电力拖动系统

1.1稳定运行概念

(1)转速改变:假设原本是在工业生产中的运动,以相同的速度进行。当通过一些条件,如负载转矩变化,电源电压变化时,系统切换原来的转速(速度可能是变大或是变小),将原有平稳状态所打破。而在这一种情况下电力拖动系统会生产新的转速并且可以持续一段时间,然后通过新的转速带来新的稳定状态,并产生新的工业生产运行。这表明该系统的运行状态是非常稳定的。

(2)转速变回:可能是因为电源电压及负载转矩变化所带来的副作用消失,新的转速转变回原有的转速,电力拖动系统后又进行正常运行。这点也可说明电力推动系统是很稳定的。

(3)转速超限上升、下降:电源电压及负载转矩变化所带来的副作用消失之后,电力拖动系统的转速却超越正常限量的上升或是下降,则可证明该系统的运行存在不稳定的情况。

1.2工作原理

(1)方向的判断正方向判断:电动机在未有干扰和障碍的环境下,假设可以正常地旋转,即可认为方向为正方向。电磁转矩、转速所形成方向和电动机旋转一致为正向;反方向判断:电磁转矩、转速所形成方向和电动机旋转不一致为反向。

(2)控制情况:一般情况下是用电气设备控制。计算机对电力拖动系统控制运用的方法主要是靠逻辑运算、编写程序进行。

1.3负载机械性、过渡

(1)负载机械性分为:恒转矩、恒功率、风机泵类负载三种。在电动机上运用负载非常广泛的,为了可完善电力拖动系统,对负载了解就非常必要。第一,要知道恒转矩、恒功载、风机泵类负载以及负载方程式;第二,要了解负载曲线图,与所学过的动力学有机结合,对负载分析,分析其特性。

(2)过渡:过渡受外来因素影响(包括外部环境、人为等原因)负载转矩参数会发生变化,电力拖动系统稳定性会被打破。为了确保电力拖动系统稳定,要明确根据电动机机械性产生变化来确定过渡的运行情况。

1.4电动机

(1)电动机种类:a.安装方式:包括卧式、立式两种类型;b.防护方式:包括开放式、防护式、封闭式、防爆式四种类型。

(2)电动机工作:可用连续工作制进行表达,多数情况电动机工作形式与生产机械一致,从三方面选择(连续工作制、周期继续工作制、短期工作制)。

(3)电动机的选择:电动机好坏决定电力拖动系统的成功与否,因此对与电动机的选择要细心,既要考虑电动机自身性能和所工作的环境,还要考虑到价格等客观因素。电动机构造、机械能力、形式要完完全全根据生产要求进行,做到机械类别、负载条件、形式完全是吻合的,也只有满足了这些条件才可保证电动机质量合格及正常运行,才能让电力拖动系统发挥出最佳的效果及作用。在生产运行中会发现电动机容量同样也是重要的环节,在选择电动机时要非常重视。电动机工作时所要求的环境同样重要,环境温度要是渐渐升高并接近或达到规定温度值,就会造成电动机在运行时的机械散热作用及拖动负载作用不能发挥最大效果。

在选择电动机容量的时候需要正确判断额定功率值,但在现实环境的影响下,额定功率地计算并不容易,它要求我们要了解并掌握好电动机相关依据、理论,并且通过合理分析及试验。电动机额定转速是按照经济、技术、使用数据决定,例如:在一个电动机运行过程中制动、启动次数变少就可用技术、经济两方面对电动机进行选择,而一个电动机运行过程中启动、制动次数多时即可用储蓄量来对电动机进行选择。

1.5安全保护

电力拖动系统所无法忽视的问题:安全保护,可分为电器保护、计算机保护两个方面。电器保护是最为简单的也是最为基础的,又可成为短路保护、过流保护、热保护、欠电压保护等等。

(1)短路保护:为防止因电流短路造成一些绝缘电气设备受到机械上故障或损坏状况,或是制止电流所产生电动应力作用下,使电动机绕线、延伸电路绕线以及其他的零件、设备受到损坏和故障。

(2)热保护:防止因为电动机运行时间长、电动机运行超载时间过长所产生出来大量热量的问题,因为这一些热量让绕线温度超过所规定正常温度范围最后破坏电动机运行,或让电动机未能正常运行工作。

(3)过渡保护:防止电动机在运行前出现无法准确的启动,又或者是电动机在运行前负载过大所形成电流量会破坏传动机的零件,让电动机受到故障、损坏状况。

(4)欠电保护:防止电动机电源电压下降过低,让电动机运行过程中,转速也慢慢降低甚至是停止运行造成电气设备的损坏、电路受损、故障的情况。

2电力拖动系统稳定运行的充要条件

众多电力拖动、电机和拖动、电机学资料及参考书中均给出一结论:电力拖动系统稳定的充要条伯为在T=TL外,。可是对于这个条件几乎示有证明或解释。以下内容对此条件作一些简单的说明。

2.1必要性

T=TL此条件表明在同一Ton平面作出电力拖动系统中电动机的机械特点与生产机械负载转矩特点两条曲线一定要有交点,系统可会运行稳定。如果未有交点则系统不可能会稳定。

2.2充分性

微分可近似以微小增量进行表示,即电力拖动系统稳定运行的充分条件可以近似表示:T=TL处,。以下对此条件作出解释性的说明:

(1)当△n>0,即系统为加速,并且满足了的条件。同时在不等式两边乘上大于0的△n,不等号方向保持不变,有△T<△TL,即:T+△T

(2)当△n<0,即系统为减速,并且满足了的条件。同时在不等式两边乘上小于0的△n,不等号方向转变,有,即。也根据电力拖动系统运动方程式可知系统为加速,最后系统达到新平稳以及稳定运行。

2.3系统稳定性的分析

按照上面条件的进行判断他励立直流电动机拖动恒转矩负载情况,知道△n>0,△T<0,满足了的条件,系统那可以稳定的运行。通过此项内容可判定各类电力拖动系统是不是处于稳定的状态中。

3结束语

通过上述的分析,可得出以下结论:正常工作中的他励直流电动机带三种典型的系统都可稳定运行;异步电动机如果在机械特性的工作带三种典型负载中也可运行稳定,可是如果在机械特性的非工作段中只有泵类负载时系统才可稳定;如果是因为电枢反应去磁作用强,导致他励直流电动机机械特性上翘,三种典型负载系统都不能稳定运行。



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9、

《电力拖动控制线路与技能训练》实训中故障检测方法的分析

在《电力拖动控制线路与技能训练》的实习教学中,有相当多的学生在安装完控制线路后,对所接电路是否正确没有信心,不敢通电试车;当线路出现故障时又不知如何下手去处理。本文着重介绍电阻测量法、短接法这两种简单又安全的检测方法。

因电阻测量法断电操作,学生觉得安全;而短接法结果比较直观,所以这两种方法大受欢迎。下面就讨论这两种检测方法在《电力拖动控制线路与技能训练》实习教学中的应用。

一、电阻测量法

在实训中,不少学生在控制线路安装完后会立即想到通电试车,但又怕通电不成功而遭到同学的耻笑,心里很矛盾。此时如果能有合适的检测方法帮助他自检,不仅可以减少失败率,而且一旦成功,带给学生的会是更高的学习兴趣和自豪感,还能增强他们进一步学习的信心。因为此时电路没有通电,所以电阻测量法是最好的检测方法。

要想测量时思路清晰,学生首先要多识读电路图,会分析电路的控制原理,同时掌握基本的测量方法。下面以接触器联锁正反转控制线路为例来讲解,电路图如图1,接触器选择CJ10-20。

测量时通过按下按钮、接触器等元件来模拟控制元件的工作,根据各支路的通断,从万电表所指示的阻值变化来判断安装的线路是否正确。

1.安装前先测量各元件是否完好,坏的要修理好,修不好的要更换,同时要测量并记下所用交流接触器KM1、KM2线圈的直流电阻值,因为不同型号的接触器具体的阻值有较大差别,如常用的CJ10-20交流接触器线圈直流电阻约1800Ω。

2.万用表选用合适的档位,档位过大使示数太小、容易误判是短路,档位过小使示数很大、误判为开路,严重会影响到测量的准确性;一般选择×10Ω档或者×100Ω档。

3.用万用表电阻档测量熔断器FU1、FU2、FU3,应该是电阻为0Ω,若不导通,则更换熔体或重新拧紧熔断器的瓷帽直到导通良好。

4.在自检测量时把万用表的两根表笔分别接在控制电路的起点即FU2的U11、V11两点(或是FU2的出线点0、1两点),万用表的读数指示为∞(如果电阻为0Ω,则电路存在短路;如果电阻为1800Ω或900Ω,则有可能是自锁触头或启动按钮接错)。

(一)控制电路的检查(电路正常的万用表示数)

1.按钮功能检查

(1)正转控制检查

①按下启动按钮SB1→万用表指针读数指示约1800Ω(正转控制接触器KM1线圈回路接通)。

②同时按下停止按钮SB3→万用表指针读数指示∞(正转控制接触器KM1线圈回路被切断)。

③松开SB3,同时按下SB2→万用表指针读数指示约900Ω(KM1、KM2两个控制回路并联)。

④SB1、SB2、SB3同时按下→万用表指针读数指示∞(正、反转控制回路同时被切断)。

(2)反转控制检查

①按下启动按钮SB2→万用表指针读数指示约1800Ω(反转控制接触器KM2线圈回路接通)。

②同时按下停止按钮SB3→万用表指针读数指示∞(反转控制接触器KM2线圈回路被切断)。

③松开SB3,同时按下SB1→万用表指针读数指示约1000Ω(KM1、KM2两个控制回路并联)。

④SB1、SB2、SB3同时按下→万用表指针读数指示∞(正、反转控制回路同时被切断)。

2.自锁和互锁检查

(1)正转控制

①按下KM1触头支架→万用表指针读数指示约1800Ω(接触器KM1常开辅助触头3、4两点接通KM1线圈控制回路)。

②同时按下SB3→万用表指针读数指示约∞(接触器KM1线圈控制回路被切断),则自锁正常。

③松开SB3,同时按下KM2触头支架→万用表指针读数指示约∞(KM1线圈回路被KM2常闭辅助触头4、5两点切断,KM2线圈回路被KM1常闭辅助触头6、7两点切断),则互锁正常。

(2)反转控制

①按下KM2触头支架→万用表指针读数指示约1800Ω(接触器KM2常开辅助触头3、6两点接通KM2线圈控制回路)。

②同时按下SB3→万用表指针读数指示约∞(接触器KM2线圈控制回路被切断),则自锁正常。

③松开SB3,同时按下KM1触头支架→万用表指针读数指示约∞(KM2线圈回路被KM1常闭辅助触头6、7两点切断,KM1线圈回路被KM2常闭辅助触头4、5两点切断),则互锁正常。

(二)主电路的检查

主电路的检查一般是在控制电路检查完后进行,主要目的是为了检查主电路是否存在短路。在检查主电路时由于电动机每相绕组的直流电阻较小,一般在10Ω以下,电阻档应该选择×1Ω档。接上电动机后按各接触器的工作顺序按下接触器触头支架模拟接触器工作,同时用万用表测量总开关出线点U11、V11、W11两两间的电阻,电阻大小应该相等且为电动机任意两相间电阻。若电阻为零,说明主电路出现短路;如果电阻较大或∞,说明主电路存在接触不良或开路。

在电路图中,假设电动机M的绕组是Y形连接,每相绕组电阻为8Ω,测量步骤如下。

1.按下KM1触头支架,用万用表的两根表笔分别测量U11-V11、U11-W11、V11-W11间的电阻,读数应为16Ω。

2.按下KM2触头支架,用万用表的两根表笔分别测量U11-V11、U11-W11、V11-W11间的电阻,读数应为16Ω。

在此图中为了检查反转时KM2进、出线的U相W相是否换相,要同时按下KM1、KM2触头支架进行检查。U11-V11、V11-W11间的电阻,读数应为12Ω(此时U相绕组与W相绕组并联后跟V相绕组串联);U11-W11间电阻为零(由于反转时KM2出线端U相与W相要换相)。

经过测量后若电阻值符合以上规律,电路接线基本正确没有存在严重的故障(短路),通电成功率很高,同时学生在测量过程中也提高了分析判断电路的水平。最后要提醒,在接通电源后通电试车前应该用电压测量法测量各熔断器间的输出电压是否正常,若不正常要找出原因;当控制电路能正常控制后,一定要测量连接电动机的电源输出端子的电压是否正常,以免电动机通电时缺相。

二、短接检测法

所谓短接法,就是用一根绝缘良好的导线,把所怀疑的断路部位短接,如短接过程中电路被接通,就说明该处断路。这种方法需通电检测,是检查控制线路断路故障的一种简便、可靠的方法,实际操作中有局部短接法和长短接法两种方法。下面还以接触器联锁正反转控制线路为例来分析。

(一)检测方法

1.局部短接法

此法是一次只短接一个触头来检查控制线路断路故障的方法。

(1)正转控制电路的检测

合上电源开关,按下启动按钮SB1,若KM1不吸合,说明电路有故障。检查前,先用万用表测量1―0两点间的电压,若电压正常,可按下SB1不放,然后用一根绝缘良好的导线分别短接1―2,2―3,3―4,4―5各点间(注意绝对不能短接5―0两点,否则会造成电源短路),当短接到某两点时,接触器KM1动作吸合,即说明故障点在该两点之间。

(2)反转控制电路的检测

合上电源开关,按下启动按钮SB2,若KM2不吸合,说明电路有故障。可按下SB2不放,然后用一根绝缘良好的导线分别短接1―2,2―3,3―6,6―7(注意绝对不能短接7―0两点,否则会造成电源短路),当短接到某两点时,接触器KM2动作吸合,即说明故障点在该两点之间。

2.长短接法

此法是一次短接两个或两个以上触头来检查控制线路断路故障的方法。

以正转控制电路为例,当KH的常闭触头和SB3的常闭触头同时接触不良时,若用局部短接法短接1―2点,按下SB1,KM1仍不能吸合,则可能造成判断错误。而用长短接法将1―5两点短接,如果KM1吸合,则说明1―5这段电路上有断路故障,然后再用局部短接法逐段找出故障点。长短接法的另一个作用是可把故障范围缩小到一个较小的范围。例如,第一次先短接3―5两点,如果KM1不吸合,再短接1―3两点,KM1吸合,说明故障在1―3范围内。可见,长短接法和局部短接法结合使用,很快就能找出故障点。

(二)注意事项

因为短接法是带电检测,所以使用时必须注意以下几点。

1.一定要注意用电安全。

2.只适用于检查控制线路,不能在主电路中使用,且绝对不能短接负载,或压降较大的电器,如电阻、线圈、绕组等的断路故障,否则将发生短路现象。

3.对于生产机械的某些要害部位,必须在保证电气设备或机械部件不会出现事故的情况下,才能使用短接法。

在实际安装检修中,机床电气故障是多样的,各种检测方法可交叉使用,力求及时、熟练、迅速、准确、安全地找出故障点,并加以排除。



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