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1、

电机电枢绕组损坏的测定

1.电枢绕组接地的检测

逐片用毫伏表检测。用低压直流电源(或电池)配合毫伏表来测出接地线圈。将毫伏表一端接于轴上,另一端接于换向片上,如毫伏表有偏转,则表示有接地故障,然后将毫伏表接换向片的另一端,依次移动,当表中指数为零时,则接于此片的线圈或换向片接地。短路测试器法。将电枢放在短路测试器上,再将毫伏表的一根引线放于换向器片上,另一根引线放于轴上,当毫伏表有读数时,则连接该片之线圈有接地处。

2.电枢绕组短路的测定

(1)电压降法。检查时,将有故障的电枢放在支架上,对相对两换向片间通入低压直流电,用直流毫伏表依次测量相邻两换向片间电压,若毫伏表读数呈周期性变化,表示接在换向片上的线圈是良好的;若读数突然变小或为零,则接于这两换向片间的线圈中就存在短路。对于四极的波绕组,由于绕组是经过两个线圈串联后再回到相邻的换向片上,若其中一个线圈发生短路时,接在相邻换向片上的毫伏表读数会降低近一半,便无法分辨是哪一个线圈短路,此时应将毫伏表跨界到距离相当一个换向器节距(Yk)的两个换向片上,即可只是出短路故障发生在哪个线圈上。

(2)毫伏表法。用一对探针将低压直流电加在相邻两个换向片间,再用另一对探针连接的直流毫伏表,测量其短路或接通的电动势,则电动势值小的一对换向片所连接的线圈,即是短路线圈。为防止损坏毫伏表,应先将接通电源的探针接到换向片上,之后再将毫伏表的探针接到换向片上;取下时顺序相反。

(3)短路测试器法。将电枢放在短路测试器上。当线圈或换向片有短路时,放在电枢槽口上的薄铁片即振动,并发出“吱吱”声。若为叠绕组时,薄铁片在两个槽口振动;若为波绕组时,薄铁片在2P个槽上振动。

3.电枢绕组开路的测定

毫伏表法。检查时,将电枢取出,将直流电源加到两相对的换向片上,毫伏表跨接在两相邻的换向片上。若毫伏表的读数突然升高,即表明接在该两换向片间的线圈开路。

短路测试器法。将电枢放在短路测试器上,以一只交流毫伏电压表检查上面两块换向片。转动电枢,继续检查相邻的换向片,也可逐次移动毫伏表的引线。当毫伏表无读数时,即表明接至该两相邻换向片的线圈开路。也可用一条导线代替毫伏表,去短接两个相邻的换向片。当导线端无火花时,即表明该处线圈开路。

4.电枢绕组错接的检测

毫伏表法。电枢绕组错接于嵌反,常发生在重绕的电枢上。在单波和双叠绕组嵌线过程中,最易发生引线端放错位置,即将换向器节距搞错,其中分个别线圈的换向器节距接错及换向器节距全部接错。可用毫伏表检查换向片间的电压来确定接错的部位,如间隔一个线圈的两个线圈所接换向片间毫伏表均出现2倍于正常偏转的指示,而中间那个线圈却产生反向电动势,则为十字反接。或者说在换向片3、4之间测量时,若毫伏表指针反转,其它各处指示均正常,则表明换向片3、4间接反,纠正即可。

指南针法。用指南针沿通电的电枢绕组依次移动,若移动过程中指南针方向突然反向,则表明该处线圈接反。当用毫伏表或指南针检测各换向片间电压,其变化不规则,时有时无或指南针方向变动不定,则表明换向器节距全部接错,应重新放置。



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2、

电机容量的选择

1、连续工作制电动机容量的选择

1.带恒定负载时电动机容量的选择

对于负载功率恒定不变(如通分机、泵、重型机床、立车、齿轮铣床的主转动等)的生产机械、拖动这类机械的电动机在连续运行时的负载图及温升曲线如图7.2所示。这类工作机械选择电动机时,只需按设计手册中的计算公式算出负载负载所需功率,再选一台额定功率为的电动机即可。

因为连续工作制电动机(这类电动机有些铭牌上没有特别标明工作制)的启动转矩和最大转矩均大于额定转矩,故一般不必校验启动能力和过载能力。仅在重载启动时,才校验启动能力。

2.带变动负载时电动机容量的选择

在多生产机械中,电动机所带的负载大小是变动的,例如,小型车床、自动车床的主轴电动机一直在转动,但因加工工序多,每个工序的加工时间较短,加工结束后要退刀,更换工件后又进刀加工,加工时电动机带负载运行,而更换工件时电动机处于空载运行。其他如皮带运输机、轧钢机等也属于此类负载。有的负载是连续的,但其大小是变动的,如图7.3所示。在这种情况下,如果按生产机械的最大负载来选择电动机的容量,则电动机不能充分利用,如果按最小负载来选择,则容量又不够。为了解决该问题,一般采用所谓“等值法”来计算电动机的功率,即把实际的变化负载化成一等效的恒定负载,而两者的温升相同,这样就可根据得到的等效恒定负载来确定电动机的功率。负载的大小可用电流、转矩或功率来代表。

电动机的温升取决于它发出的热量,而电动机发出的热量是由损耗产生的,损耗有两部分,一是不随负载变化的不变损耗(包括铁损与机械损耗),一是与负载电流的平方成正比的可变损耗(铜损)。例如,图7.3所示的负载,对应于工作时间、……的负载电流为、……,则电动机在各种不同负载时的总损耗为


然后选择电动机的额定转矩,使即可。这就是等效转矩法,对生产机械来说,作出机械转矩负载图是不难的,因而等效转矩法应用广泛。

当电动机具有较硬的机械特性,转速在整个工作过程中变化很小时,则可近似地认为功率,于是式(7.3)可化成等效功率来计算,即


因用功率表示的负载图更易于作出,故等效功率法应用更广。

然后选择电动机的额定功率,使即可,这就是等效功率法。不管采用哪一种等效法选择电动机的容量,都只考虑了发热方面的问题。因此,在按“等值法”初选出电动机后,还必须校验其过载能力和启动转矩。如不满足要求,则应适当加大电动机容量或重选启动转矩较大的电动机。

2、短时工作制电动机容量的选择

有些生产机械工作时间较短,而停车时间却很长,例如,闸门开闭机、升降机、刀架的快移、立车与龙门刨床上的夹紧装置等,都属于短时工作制的机械。拖动这类机械的电动机之工作特点是:工作时温升达不到稳定值,而停车时足可完全冷却到周围环境温度,如图7.5所示。由于发热情况与长期连续工作方式的电动机不同,所以,电动机的选择也不一样,既可选用短时工作制的电动机,也可选择连续工作制的普通电动机。

1.选用短时工作制的电动机,规定的标准短时运行时间是10min、30min、60min、及90min四种。这类电动机铭牌上所标的额定功率是和一定的标准持续运行时间相对应的。例如为20KW时,只能连续运行30min,否则将超过允许的温升。所以,要按实际工作时间选择与上述标准持续时间相接近的电动机。如果实际工作时间与不同时,就应先将下的功率(生产机械短时工作的实际功率)换算成下的功率,这可根据等效功率法加以换算,即

然后选择短时工作制电动机,使其,再进行过载能力与启动能力的校验。

2.选用连续工作制的普通电动机

普通电动机的额定功率是按长期运行而设计的,再连续工作时,它的温升可以达到稳定值(即电动机的容许温升,位能充分利用。为了充分利用电动机在发热上的潜在能力,在短时工作状态下,可以使它过载运行,而其过载倍数与有关(如图所示)故选




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3、

这有几个关于电机的小问题

1、为什么一般电机不能用于高原地区?

海拔高度对电机温升,电机电晕(高压电机)及直流电机的换向均有不利影响。应注意以下三方面:

(1)海拔高,电机温升越大,输出功率越小。但当气温随海拔的升高而降低足以补偿海拔对温升的影响时,电机的额定输出功率可以不变;

(2)高压电机在高原使用时要采取防电晕措施;

(3)海拔高度对直流电机换向不利,要注意碳刷材料的选用。

2、电机为什么会产生轴电流?

电机的轴——轴承座——底座回路中的电流称为轴电流。

原因:

(1)磁场不对称;

(2)供电电流中有谐波;

(3)制造、安装不好,由于转子偏心造成气隙不匀;

(4)可拆式定子铁心两个半圆间有缝隙;

(5)有扇形叠成的定子铁心的拼片数目选择不合适。

危害:

使电机轴承表面或滚珠受到侵蚀,形成点状微孔,使轴承运转性能恶化,摩擦损耗和发热增加,最终造成轴承烧毁。

预防:

(1)消除脉动磁通和电源谐波(如在变频器输出侧加装交流电抗器);

(2)电机设计时,将滑动轴承的轴承座和底座绝缘,滚动轴承的外圈和端盖绝缘。

3、电机为什么不宜轻载运行?

电机轻载运行时,会造成:

(1)电机功率因数低;

(2)电机效率低。

4、为什么在寒冷环境中不能启动的电机?

电机在低温环境中过长会:

(1)电机绝缘开裂;

(2)轴承润滑脂冻结;

(3)导线接头焊锡粉化。

因此,电机在寒冷环境中应加热保存,在运转前应对绕组和轴承进行检查。

5、为什么60Hz的电机不能用50Hz的电源?

电机设计时一般使硅钢片工作在磁化曲线的饱合区,当电源电压一定时,降低频率会使磁通增加,励磁电流增加,导致电机电流增加,铜耗增加,最终导致电机温升增高,严重时还可能因线圈过热而烧毁电机。

6、点击软启动,是否能节能?

软启动节能效果有限,但可以减少启动对电网的冲击,也可以实现平滑启动,保护电机机组。根据能量守恒理论,由于加入了相对复杂的控制电路,软启动不但不节能,还会加大能量的消耗,但它可以减小电路的启动电流,起到了保护的作用。

7、为什么漏电断路器,在使用变频器时易跳闸呢?

这是因为变频器的输出波形含有高次谐波,而电机及变频器与电机间的电缆会产生泄漏电流,该泄漏电流比工频驱动电机时大了许多,所以产生该现象。



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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、

发电机节能运行技术浅析

一、发电机运行中功率因数过高或过低造成的危害

发电机额定功率因数过高实际上是指当发电机同时在额定有功功率和额定视在功率运行工况(一般在滞相方式)下运行时的功率因数值,同样的额定有功功率机组,如果其额定功率因数越低,则说明运行时带无功的能力相对较强,机组额定电流也增加,从而使造价增加。

一般发电机额定功率因数均为0.9左右。

发电机运行中,从理论上讲,在同样的机端电压下,如果在同样的有功出力下,功率因数越高,那么所发的无功越少,发电机电势就越低,发电机的静态运行稳定水平下降。

发电机运行中,如果要降低功率因数至额定值以下,则必须降低其有功出力,以使定子和转子电流不超限,既不经济,又不安全。这种运行方式往往在当系统发生事故,无功缺额较为严重,要求发电机减发有功增发无功时出现。

二、发电机定子冷却水系统与发电机经济运行的关系

发电机冷却水系统主要是向发电机的定子绕组和引出线不间断提供水源。其优点是水热容量大,有很高的导热性能和冷却能力,水的化学性能稳定,在高温下不会燃烧,调节也方便,冷却均匀等。

发电机定子的冷却水必须具有很高的工作可靠性,否则会使发电机组降低负荷运行,严重时危害发电机正常运行。因此,对冷却水的质量有较高的要求,很低的机械杂质,电导率不大于2vs/em、PH值在7~8之间、硬度不大于2vg当量/L、含氧量尽可能减少。

三、火力发电机增容改造有哪些途径

1、提高定子线及转子绕匝间等绝缘强度。经发电机绝缘鉴定,其机械性能和介电性能变坏,电气强度降低的发动机当需要更换上、下层定子线棒时(温度计算实验决定),可将定子线棒的绝缘材料由原B级绝缘改为F级,其线槽部换为绝缘用浸漆的适型材料,加强绝缘及黏结。线棒绝缘包扎采用以提高线棒的绝缘质量,提高转子集电环及引线、槽绝缘、排间绝缘、楔厂,垫条、大护环绝缘等。

2、交换定子线棒,增大铜线截面积。经发电机温升计算和实验,定转子绕组铁心温度裕度不够,以及为提高发电机效率、降低定子绕组的线电流密度、进一步降低定子铜耗,可更换定子全部上、下层定子线棒,参照引进技术同级电压绝缘厚度增大铜线截面积。

3、发电机加装铜屏蔽及管道水冷却,降低端部损耗,降低端部主要结构件温度。

4、其他有缺陷的部件改造。

四、提高氢冷发电机的某些参数可以提高发电机效率

氢气压力越高,氢气密度就越大,其导热能力就越高,因此,在发电机各部位温升不变的情况下,能够散发出更多的热量,发电机的效率就可以提高。特别是对氢内冷发动机效率更明显。

氢气的纯度过高,则发电机消耗的氢气量越大,越不经济。但是,氢气纯度过低,会因为含氢量减少而使混合气体的安全系数降低。因此,氢气的纯度按容积计算需保持在96%~98%,气体的混合物中含氧量不超过2%。

氢气的湿度是影响发电机绝缘的主要因素,氢气湿度越大,越使发电机绝缘强度降低,使发电机绝缘不达标,影响发电机正常运行,严重时使匝间短路而损坏发电机。

五、影响补氢率的主要因素

补氢率是指为维持氢冷发电机运行氢压需每天补充的氢量。

1、发电机内冷水系统泄漏,氢漏入内冷水中;

2、发电机密封油油压低、氢油分离设备失灵,氢进入油系统;

3、氢压表管堵塞或表计失灵;

4、发电机端盖、出线密封(密封母线)不良;

5、氢系统管道、阀门、仪表接头等处外漏;

6、发电机氢系统补氢阀等阀门不严,造成内漏。

六、降低补氢率的措施

1、大修后或进行消除漏氢缺陷工作的发电机,启动前应进行整体气密性实验,实验持续24h(特殊情况不少于12h)。气密性实验最大允许漏氢量应符合标准或生产厂家技术要求。

2、发电机实际漏氢量应每月定期测试一次。测试计算方法执行国家电力公司标准《汽轮发电机运行规程》(1999年版)。

3、用检漏仪器或其他方法查找漏氢点,设法消除。当密封母线内含氢量超过1%时,应立即停机查漏。当发电机轴承油系统或主油箱内氨气体积含量超过1%时,应立即停机查漏。当内冷水系统出现氨气时,应尽快安排停机处理。

4、保持发电机密封油油压高于氨压在规定运行范围内,否则应降低氨压运行。

5、发电机氨系统补氨阀等阀门不严造成内漏时,应设法消除。

七、低电压对经济和安全运行的危害

1、烧毁电电机。电压过低超过10%,将使电动机电流增大,线圈温度升高,严重时使机械设备停止运转或无法启动,甚至烧毁电动机;

2、灯发暗。电压降低5%,普通点灯的照度下降18%;电压下降10%,照度下降35%;电压降低20%。则日光灯无法启动;

3、增大线损。在输送一定电力时,电压降低,电流相应增大,引起线损增大;

4、降低电力系统的静态及暂态稳定性。由于电压降低,相应降低线路输送极限容量,因而降低了稳定性,电压过低可能发生电压崩溃事故;

5、发电机出力降低。如果电压降低超过5%,则发电机出力也要相应降低;

6、影响电压的稳定性。如果区域性无功补偿不足,无功的缺额只能由电压降低来补偿,导致无功缺额越来越大,电压越来越低,直至崩溃。



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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、

双速电动机在汽轮机循环水系统中的作用


在汽轮机循环水系统中,动叶可调泵比定速泵能够更加适应负荷、水位、水温和真空的变化,通过调节叶片角度来改变循环水量,可使汽机能够保持在较好的工作状态,并且循泵能一直保持在高效区运行。

优化措施:将定速泵改为动叶可调泵,叶片角度调节要能够快速电动调节,才能更适应电厂调峰、冷端优化的需要。

循环水系统由单独供水改为母管制供水后,虽然运行方式灵活了一些,但仍然偏少。为了获取更灵活的运行方式及节能减排,一些电厂将循泵的电动机改为双速电动机,这样,循环水量的调整范围更广,更能满足国家节能减排的要求。

电动机具有代表性的运行方式为冬季6个月“两机两泵”高速运行,春秋季3个月采用“两机三泵”高速运行,炎热季节的3个月采用“两机四泵”高速运行。循环泵应用双速改造后,冬季6个月“两机两泵”低速运行,春秋季3个月采用“两机三泵”高、低速配合运行,炎热季节的3个月采用“两机四泵”高、低速配合运行。

优化措施:将循环水系统中的部分定速泵改为双速泵,并通过优化调整试验和优化方法(泵容量、个数较多时,可采用遗传算法寻优)确定不同运行方式的切换时机。



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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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