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节能改造关注问答
1、

单相电机最大功率多少千瓦?

单相电机最大允许3千瓦,电流约13安,如果大于3千瓦,单相电流过大,会引起整个用电系统三相电流严重不平衡,导致线路及变压器的损坏,所以在单相电机的生产上有严格的控制。但市场上可以定制大点的,不过大多数不超过4kW;如果需要再大点的,也可以定做的。主要考虑的是单相不如三相的效率高。

其最大功率涉及到多个因素的综合考虑和平衡。

1、由于节能的前提,除非特殊,当今已经不使用罩极式,而适用电容式的电机了。

2、电容起动[运行]的电机,存在旋转磁场可能偏离圆形,所以产生不利的振动分量和谐波。此外,电容起动的电机,起动力矩有限。

3、由于2,小容量的矛盾不明显。但大容量的,基因缺陷作怪的程度就会水涨船高。单相电机如果容量太大,还容易引起局部电网的三相不平衡,及其可能带来的诸多麻烦。

4、因为2、3,所以单相电容电机的功率一般在1马力左右,很少超过1千瓦。

5、如果你要做得更大,当然可以实现。但可能难做出高效节能的好货色。



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2、

调速电机原理

调速电机是利用改变电机的级数、电压、电流、频率等方法改变电机的转速,以使电机达到较高的使用性能的一种电机。

调速方法:

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:

1、具有较硬的机械特性,稳定性良好;

2、无转差损耗,效率高;

3、接线简单、控制方便、价格低;

4、有级调速,级差较大,不能获得平滑调速;

5、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:

1、效率高,调速过程中没有附加损耗;

2、应用范围广,可用于笼型异步电动机;

3、调速范围大,特性硬,精度高;

4、技术复杂,造价高,维护检修困难。

5、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:

1、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;

2、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;

3、调速装置故障时可以切换至全速运行,避免停产;

4、晶闸管串级调速功率因数偏低,谐波影响较大。

5、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。

四、绕线式电动机转子串电阻调速方法

绕线式异步电动机转子串入附加电阻,使电动机的转差率加大,电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大,电动机的转速越低。此方法设备简单,控制方便,但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速,机械特性较软。

五、定子调压调速方法

当改变电动机的定子电压时,可以得到一组不同的机械特性曲线,从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比,因此最大转矩下降很多,其调速范围较小,使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围,调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机,如专供调压调速用的力矩电动机,或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围,当调速在2:1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源,目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点:

1、调压调速线路简单,易实现自动控制;

2、调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中,效率较低。

3、调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。

六、电磁调速电动机调速方法

电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源(控制器)三部分组成。直流励磁电源功率较小,通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成,改变晶闸管的导通角,可以改变励磁电流的大小。电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。电枢和后者没有机械联系,都能自由转动。电枢与电动机转子同轴联接称主动部分,由电动机带动;磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分。当电枢与磁极均为静止时,如励磁绕组通以直流,则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极**替的磁极,其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动机旋转时,由于电枢与磁极间相对运动,因而使电枢感应产生涡流,此涡流与磁通相互作用产生转矩,带动有磁极的转子按同一方向旋转,但其转速恒低于电枢的转速N1,这是一种转差调速方式,变动转差离合器的直流励磁电流,便可改变离合器的输出转矩和转速。电磁调速电动机的调速特点:

1、装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便;

2、调速平滑、无级调速;

3、对电网无谐影响;

4、速度失大、效率低。

5、本方法适用于中、小功率,要求平滑动、短时低速运行的生产机械。

七、液力耦合器调速方法

液力耦合器是一种液力传动装置,一般由泵轮和涡轮组成,它们统称工作轮,放在密封壳体中。壳中充入一定量的工作液体,当泵轮在原动机带动下旋转时,处于其中的液体受叶片推动而旋转,在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时,就在同一转向上给涡轮叶片以推力,使其带动生产机械运转。液力耦合器的动力转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的。在工作过程中,改变充液率就可以改变耦合器的涡轮转速,作到无级调速,其特点为:

1、功率适应范围大,可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要;

2、结构简单,工作可靠,使用及维修方便,且造价低;

3、尺寸小,能容大;

4、控制调节方便,容易实现自动控制。

5、本方法适用于风机、矿用水泵的调速。



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3、

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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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、

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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6、

电机扭矩试验台的结构组成

电机微扭矩检测试验台主要分硬件部分和软件部分,硬件部分由气缸、伺服电机、伺服卡、采集卡、工控机等来协调待测EPS电机的运转。软件部分主要是驱动伺服、气缸协同工作,控制设备的运行来完成检测,并从采集卡实时采集角度、扭矩传感器输出电压等数据参数,根据各项试验的数据绘制图表报告,计算产品损耗扭矩、波动扭矩,并标定产品是否合格。

测试台硬件本试验的硬件部分主要是来控制扭力传感器和电机、气缸的协调动作,实时进行数据采集,主要包含如下部分:

(1)气缸:测试过程开始前将伺服与待测EPS电机键槽推送到位。

(2)伺服电机:用来控制待测EPS电机的转动,并反馈角度。

(3)采集卡:用来采集各项实时参数,包括角度、扭矩。选用NIPCI6280采集卡。

(4)伺服卡:用来驱动伺服电机,精准控制电机运行动作。

选用研华PCI1240U(四轴)伺服卡。

硬件部分的工作原理主要是根据所确定的动作来完成。采用多功能采集卡进行模拟、数字信号的输入输出采集,伺服卡控制电机的各种运动状态(不同转速、方向)。



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7、

电机扭矩试验台的软件功能

电机扭矩测试台软件主要是控制硬件部分协同工作,控制伺服转速、方向,控制气缸松开、压紧,并实时采集输出信号数据,将所数据实时保存并绘制测试报告,以反映各参数之间的特性,并完成数据的分析处理。

软件主要有如下几个模块:

(1)数据存储模块:系统运行配置文件存储为ini配置文件;EPS电机的基本参数信息、伺服控制参数、实时采集数据等存放于SQLSERVER数据库,方便查询修改。

(2)基本设置模块:主要用来设置包括转速、产品型号、产品名称、判定参数、采集卡的各模拟量、数字量和计数器采集通道与实际参数的对应关系,以及用于测试绘制图表的各项坐标参数值如:角度、电压等。产品编号支持自动编号和扫描枪输入。

(3)权限管理模块:因系统配置比较灵活,为避免不恰当的误操作,以及测试数据结果的保密要求等分配相应的权限。

(4)测量功能模块:启动测试后将按照规定的流程进行一次完整的检测并计算测试结果、绘制图件报告,测试过程中可以手动干预退出检测。

测试程序流程如下:

①检测EPS电机是否安装,自动寻找起测点。

②伺服逆时针回转45°,稳定200ms,然后顺时针转动45°,并启动采集线程,实时绘制扭矩与角度关系曲线;伺服先回转45°是为了消除伺服启动过程加速时造成扭矩跳动,影响测试的真实性。

③伺服顺时针回转45°,稳定200ms,然后逆时针转动45°,并启动采集线程,实时绘制扭矩与角度关系曲线。

④正反行程测试完成后,伺服电机回到系统初始零位并松开气缸,根据测试数据计算正、反形成的损耗扭矩和波动扭矩,与基准值比较后判断产品是否合格。



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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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