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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、

电机常用的调速方法有哪些?

因为拖动负载的功率使用角速度与转矩的乘积标识的,所以改变电动机的角速度自然能够改变功率。所有调节电动机的转速可以收到很好的节能效果。调速方法有很多,常用的调速方法有以下几种:

1.变机调速:变极调速是通过改变定子绕组接线方式来改变电动机极数,从而实现顶动机转速的变化。变极调速时,应同时对调定子两相接线,这样才能保证调速后电动机的转向不变。变极调速的控制结构简单、价廉、可靠性高,效率良好。其最大缺点是有级调速。

2.变频调速。变频调速就是用变频器同时控制电动机的定子电压和频率来改变同步转速的一种调速方法。总的说来,变频调速范围大,课实现武技调速,效果好,但变频装置比较复杂,投资大。变频调速是现代交流调速极数的主要方向,它课实现无级调速,适用于恒转矩和恒功率负载。

3.定子调压调速:定子调压调速是通过改变定子端电压,从而使异步电动机的机械特性发生变化,在一定负载转矩下,电动机转速将随着端电压的变化而变化。这种接线方式各相电流平衡且对称,作为驱动电动机来说是最接近于正弦波的驱动。调压调速属于低效调速方式,但对风机、水泵类负荷,特别是当流量小时,节能效率和功率因数均有所提高。调压调速的特点是线路简单、可靠、价格低、维护方便。

4.转子串电阻调速。

5.串级调速分为机械串级调速和晶闸管串级调速。



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3、

推进电机节能的意义是什么

电机是一种应用量大、使用范围广的高耗能动力设备。据统计,我国电机耗电约占工业用电总量的60%~70%。实际应用中,我国电机的整体运行状况,同国外相比差距很大,机组效率约为75%,比国外低10%左右;系统运行效率为30~40%,比国际先进水平低20~30%。因此,我国的电机应用具有极大的节能潜力,推行电机节能势在必行。

一、目前电机能耗状况

改革开放20多年来,我国在能源利用上取得“GDP翻两番,而能源消费仅翻一番”的成就。但是,与发达国家相比,我国电力能源利用效率仍然较低,尤其是工业用电设备电能消耗高,浪费情况较为严重。大量的工业设备如风机、泵类设备以及传统的工业缝纫机、机械加工设备等,多采用交流电动机恒速传动的方案运行,导致交流电动机效率普遍较低。

风机、泵类设备也多采用调节风门和阀门的办法来调节流量,这种调节方法虽然简单易行,但它是以耗费大量能源为代价;在工业缝纫机、机械加工设备中,往往采用离合器、摩擦片调节速度,造成大量的待机损耗和制动能耗。

1.风机、泵类设备

在工业生产、产品加工制造业中,风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合,根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样,不论生产的需求大小,风机都要全速运转,不能随运行工况的变化进行相应的调节,白白浪费了大量的能量。在生产过程中,不仅控制精度受到限制,而且容易造成设备损耗,从而导致生产成本增加,设备使用寿命缩短,设备维护、维修费用居高不下。

泵类设备在生产领域同样有着广阔的应用空间,提水泵站、水池储罐给排系统、工业水(油)循环系统、热交换系统均使用离心泵、轴流泵、齿轮泵、柱塞泵等设备。根据不同的生产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的控制。这样,不仅造成大量的能源浪费,管路、阀门等密封性能的破坏;还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀,严重时损坏设备、影响生产、危及产品质量。

2.工业缝纫机、机械加工设备

传统的工业缝纫机电机是一款交流离合器电机,效率仅为40~50%;电机在工作时,不论缝制布料厚薄,始终全功率输出;在缝纫机待料待机时,电机通过离合器脱开负载,继续空载运行,造成极大的待机损耗。

在中低档机械加工设备中往往采用摩擦片调节速度,利用摩擦片的摩擦作用降低电机转速,从而达到调节速度的目的,不仅造成大量的制动能耗,还加快了电机轴的磨损,降低电机使用寿命。

目前,我国在家电行业已逐步采用变频调速控制技术以降低能耗,而工业控制领域中的许多速度调节方法还停留在传统技术层面上。根据美国能源部的一项数据显示,如果采用最新的高效率电机设备和一定的变频调速装置来替代旧的电机设备,工业用户至少能在现有基础上节省电能18%以上。

目前,许多国家均已指定流量压力控制必须采用变频调速装置取代传统方式,我国也在积极鼓励工业企业采用高效、节能的电动机、锅炉、窑炉、风机、泵类等设备。

二、以电子信息技术改造传统产业,达到节能降耗目的

随着电子技术、信息技术的发展,电子信息技术在产品中的应用日趋成熟,传统的电机技术与电子信息技术相结合,产生了“机电一体化”产品。“机电一体化”又称“机械电子学”,是在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进了电子技术,并将机械装置、电子设备以及软件等有机地结合起来构成的系统的总称。“机电一体化”电机与传统电机有着质的区别,“机电一体化”电机包含了控制部分既控制器及嵌入式软件和驱动部分既电机,它是利用嵌入式软件实现对系统的智能化模糊控制。这种智能化模糊控制不仅能有效提高系统的运行精度,而且可以根据系统负载变化实时调整电机输出转速、输出功率,充分达到节能降耗的目的。下面举两个例子来说明“机电一体化”电机的使用效果:

1.高效节能伺服控制电机在工业缝纫机领域的应用

前面提到传统的工业缝纫机电机是一款交流离合器电机,效率仅为40~50%;电机在工作时,不论缝制布料厚薄,始终全功率输出;在缝纫机待料待机时,电机通过离合器脱开负载,继续空载运行,造成极大的待机损耗。而高效节能伺服控制电机采用直流无刷电机作为驱动元件,效率达到70~80%;伺服控制系统内含嵌入式软件,系统随时检测缝制布料的厚薄,将信息实时传递给嵌入式软件,通过软件调节电机的输出转速和输出功率,始终使电机工作在最合理、最节能状态;在缝纫机待料待机时,系统停止工作,没有待机损耗。通过高效节能伺服控制电机替代交流离合器电机在工业缝纫机领域推广应用,可在该领域节能50~60%,每台缝纫机可节电576千瓦时/年,据缝纫机行业协会估算,全国现在生产使用的工业缝纫机至少200万台,那么随着高效节能伺服控制电机的替代使用,可为社会节电11.52亿千瓦时/年。

高效节能伺服控制电机不仅可以在缝纫机行业推广应用,也可以在工业集尘设备、机械加工设备中替代传统的交流电机,其节电效果普遍达到30%以上。

2.变频调速电机在风机、泵类设备中的应用

风机、泵类设备年耗电量占全国电力消耗的1/4,大量的电能由于交流电动机只能恒速输出、无法根据工况变化自行调节而浪费。变频调速技术是20世纪80年代末兴起的一种新型电力传动调速技术,它以体积小、重量轻、转矩大、精度高、功能强,可靠性高,操作简便,便于通信等功能优于以往的传统调速方式(如变极调速、调压调速、滑差调速等)。变频调速运行,是根据负载转速的变化要求,改变供电电流的频率,并配合电压的调节,以获得合理的电机运行工况。在不同的转速情况下,均保持较高的运行效率。变频控制技术的应用,不仅降低了电能消耗,同时能改善启动性能,保护电动机及负载设备免受瞬时启动的冲击,延长其工作寿命,还提高电动机及负载设备的工作精确度。

风机、泵类等设备采用变频调速技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术,受到国家政府的普遍重视,《中华人民共和国节约能源法》把它列为通用技术加以推广。实践证明,变频电机用于风机、泵类设备驱动控制场合取得了显着的节电效果,普遍节电达到30%~50%。

三、电机节能的远景目标和发展方向

随着电子信息技术的发展,电机节能的前景十分看好。据国家能源部的初步估算:如果全面启动电机节能工程,推广变频调速、永磁调速等先进电机调速技术,改善风机、泵类电机系统调节方式,逐步淘汰闸板、阀门等机械节流调节方式,全国的用电量将下降15~20%而GDP保持不变。

通过研发高效节能的变频调速技术,在工业、交通、办公自动化等领域推广使用,将电机的平均能耗下降20~30%,这是电机行业“十一五”期间的节能目标。



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4、

电机节能的方式有哪些?

选择合适的电动机容量

能够满足负载的需要,实现合理匹配。轻载和空载运行都会造成损耗相对高,运行效率低。同一台电动机拖动的负载,运行效率也是在变化的,不是固定不变的,随着负载大小的波动而在变化。

空载运行时间长的电动机安装自控装置为了减少空载时间内的电能损失,对于经常性空载的电动机,应安装空载自控装置。在空载运行一段时间后,能够自动切断电源,退出空载运行,恢复正常运行状态。

低负载率的电动机降压运行

三相异步电动机的铁损和铜损,与输入电压的大小直接有关。一般负载不变的情况下,降低输入电压可使铁损减少,铜损增加。但是这时轻载运行电动机的总损耗中,铁损要比铜损的作用大。因此,适当降低绕组电压运行的办法能使总的损耗下降,具有一定的现实意义。而实现这一措施,可以通过特别的电压自控装置来完成。

采用磁性槽泥实施电动机改造

采用磁性槽泥对电动机进行技术改造,是一种降低槽口磁阻的有效办法。也就是在竹制槽楔上,用磁性槽泥将槽口抹平。这对电动机及其所带负载均有利,系统具有节电作用。

三相异步电动机采用变频调速

三相异步电动机采用变频调速,可在低频起动时大大减少电动机的起动电流,从而实现节电目的。



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5、

发电机转子的交流阻抗试验方法

一、发电机转子交流阻抗试验的目的

如果转子绕组出现匝间短路,则转子绕组有效匝数就会减小,其交流阻抗就会减小,损耗会有所增大,因此,通过测量转子绕组交流阻抗和功率损耗,与历次试验数据相比,就可以有效地判断转子绕组是否有匝间短路。

二、试验方法及注意事项

1.试验方法

向转子绕组施加交流电压,读取电压、电流及功率损耗值。

施加电压的大小通过调压器调节。

2.试验用仪器

(1)转子交流阻抗测试仪、调压器。

(2)在现场没有转子交流阻抗测试仪时,可使用调压器、标准CT、交流电压表、交流电流表、有功功率表。

3.用交流阻抗测试仪测量

4.无功补偿装置的作用

无功补偿装置是通过感性电流和容性电流之间的关系,可补偿试验电流30A到100A,对于大型发电机组,本试验使用的调压器如果有条件并接无功补偿装置,则调压器容量可以大大减小,可使用6KVA、250V的调压器。如果没有无功补偿箱,调压器容量将达到10KVA,比较笨重。

5.注意事项

(1)阻抗和功率损耗值自行规定。在相同试验条件下与历年数值比较,不应有显着变化。

(2)隐极式转子在膛外或膛内以及不同转速下测量。

(3)每次试验应在相同条件、相同电压下进行,试验电压峰值不超过额定励磁电压。

(4)转子到现场后,未穿入发电机前,应做膛外转子交流阻抗试验,穿入发电机后,可做膛内测试。此项目属于单体试验,应由安装单位进行。

(5)机组整套启动前,提前准备试验仪器及接线。测试工作负责单位由调试单位和安装单位协商进行。

(6)在机组升速过程中,选取不同的转速点测试,直到机组定速3000转。

(7)机组超速试验后,应再次进行本试验。

(8)试验时,应注意与励磁回路断开。以避免对励磁回路造成损害;受励磁设备的影响,不能加压。

(9)试验时,应选取足够容量的外接临时电源,并不使用带漏电保护的电源开关。

(10)试验前,应确认碳刷研磨符合工艺要求,以避免影响试验数据的准确性。

6.碳刷研磨的必要性

碳刷的弧度应研磨至和滑环的弧度一样,不然升速时转子打火很厉害,况且电弧产生熄灭间会有过电压,另外也直接影响到试验接线各环节接触的良好性,从而影响试验数据的准确性。

另外,所有的测量线好用粗短线,因为有功功率损耗大部分消耗在转子线圈上,还有一部分会消耗在测量导线上,应尽量减少测量导线的有功损耗。

7.试验危险点及危险源

(1)连接工作电源时可能造成电对人体的危害。

(2)测试过程中人体接触到被试回路中设备,造成电对人体的危害。

(3)测试过程中因励磁回路电源未断开,带电拔碳刷,会产成电弧导致对设备的损害。

(4)向滑环上施加电压时,在旋转的转子旁工作时容易产生对人的危害。

8.试验安全措施

(1)在试验现场应用能迅速断开电源的开关。

(2)试验电源容量必须满足要求。

(3)必须在现场试验人员知晓的情况下,才能送上试验电源。试验结束后,必须断开试验电源才能撤离现场。

(4)在向转子夹接试验线时,应避免对人身的伤害,以及对转子滑环、碳刷架的损坏。

三、试验接线

使用仪器仪表:调压器、标准CT、交流电流表、交流电压表、有功功率功率表。

仪器仪表选用:要求提供交流阻抗测试仪膛外试验的数据,根据其施加电压选取交流电压表,根据试验结果选取标准CT、交流电流表、有功功率表。

四、试验结果判断及报告

1.试验结果判断

在相同试验条件下与历年数值比较,不应有显着变化。

2.试验报告应反映的数据

报告内容包括:项目名称、试验依据、仪表型号、编号、环境温度和湿度、测试时间、测试地点、被试设备名称、试验人员、试验结果及分析、结论。



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6、

实现土层受扰动信号的远程采集以及盾构机刀盘的多电机同步驱动

综合试验台的设备组成掘进机试验台主要分为两部分:土箱加载部分及盾构机本体部分。土箱加载部分对实际掘进土质状况进行模拟,盾构机本体部分用来完成掘进施工。综合试验台的底层信号掘进机试验台土箱加载部分的信号主要是由压力传感器与位移传感器组成。而且这两类信号都不是标准信号,需要进行前期信号处理,再进行远程传输。盾构机本体部分的信号,大多是标准信号,较容易采集。

监控系统的组成由于盾构机的控制都是由PLC来完成,为了保证系统的统一性,基于全集成控制的理念,系统组成如下:土箱加载部分和盾构机本体部分,各用一套PLC、各用两套上位监控软件;后台数据分析用服务器一台。本设计用Profinet与Profibus实现土层受扰动信号的远程采集,以及盾构机刀盘的多电机同步驱动。使用交换机可以把网络分成盾构机本体、土箱加载部分和数据库管理三个网段,将负荷分隔开来,使整个网络性能增强。

盾构机本体部分的开关量与模拟量信号,通过ET200S采集到现场总线Profibus;土箱加载部分的土层压力信号,通过信号放大处理由ET200M采集到现场总线Profinet;土箱加载部分的土层位移信号,经过信号处理,通过485转换器采集到现场总线Profibus。通过现场总线Profibus,实现以PLC为控制器、以S120为执行器的盾构机刀盘的同步驱动控制。



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7、

电动机直接启动严重影响电动机的绝缘性能和使用寿命


风机运行中实际风量仅为额定风量的一部分,风机远离额定工作点运行,其实际运行效率很低,能耗浪费问题严重。由于挡板的存在,挡板前后存在压差,消耗了很大一部分能量,同时加大了对管道和风机的磨损。采用人工方式来调节挡板,操作麻烦,实时性差。电动机直接启动,启动电流为额定电流的6~8倍,严重影响电动机的绝缘性能和使用寿命,并会对电网造成较大冲击。电动机运行功率因数最高为0.8,功率因数低,无功损耗大。

技术改造节能原理项目通过技术改造,新增高、低压变频器系统,以调节电动机运行频率(转速)的方式替代了原有的调节风门的运行方式,从而起到节省电能、提高功率因数、改善运行工艺的作用。从风机的运行曲线图来分析采用变频调速后的节能效果。

项目技术改造方案通过新增的高压变频器系统与低压变频器系统,使风机可以在变频运行状态和工频运行状态间进行切换,即使在变频器发生故障时也不会影响风机的运行,保证不因增加高压变频器系统与低压变频器系统而降低原有系统的整体可靠性,同时在变频运行时,调节电动机转速,达到节能效果。



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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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