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节能改造关注问答
1、

电机保护器原理

电机保护器主要是断线保护,三相电动机正常情况是三相具备平衡的,如果缺相,另外两相电流增大,很快就会烧毁线圈。有了电机保护器,当三相电流不平衡时到一定程度时,零序保护就会动作,让电动机停止运行,避免烧毁线圈。

电动机保护器的作用是给电机全面的保护控制,在电机出现过流、欠流、断相、堵转、短路、过压、欠压、漏电、三相不平衡、过热、接地、轴承磨损、定转子偏心时、绕组老化予以报警或保护控制。

电机保护器常识

1.为什么现在的电机比过去更容易烧毁绕组?

由于绝缘技术的不断发展,在电机的设计上既要求增加出力,又要求减小体积,使新型电动机的热容量越来越小,过负荷能力越来越弱;再由于生产自动化程度的提高,要求电动机经常运行在频繁的起动、制动、正反转以及变负荷等多种方式,对电动机保护装置提出了更高的要求。另外,电动机的应用面更广常工作于环境极为恶劣的场合,如潮湿、高温、多尘、腐蚀等场合。再加上电动机修造上的不规范,设备管理上的疏漏。所有这些,造成了现在的电动机比过去更容易损坏,尤其是过载、短路、缺相、扫膛等故障出现频率最高。

2.为什么传统的保护装置保护效果不甚理想?

传统的电机保护装置以熔断器、热继电器为主。熔断器主要用于短路保护,熔断器电流的选择需考虑电动机的起动电流,所以单独使用熔断器保护电动机是不可取的。热继电器是应用最广的电机过载保护装置,但热继电器灵敏度低、误差大、稳定性差,保护不可靠。事实也正是这样,尽管许多设备安装了热继电器,但电机损坏而影响正常生产的现象仍普遍存在。传统的保护装置还没有能够实现电动机的机械磨损监测、定转子偏心监测的产品。

4、电机保护器的发展现状?

目前电动机保护器已由过去的机械式发展为电子式和智能型,灵敏度高,可靠性高,功能多,调试方便。可直接显示电动机的电流、电压、温度等参数,保护动作后故障种类一目了然,极大方便了故障的判断,有利于生产现场的故障处理和缩短恢复生产时间。另外,根据电动机气隙磁场进行电动机偏心检测技术使电动机磨损状态在线监测成为可能,通过曲线显示反映电动机偏心程度的值的变化趋势,记录两年时间该值的变化情况,可早期发现轴承故障,做到早发现,早处理,避免扫膛事故发生。

5.保护器选择的原则?

选用电动机保护装置的目的,既能使电动机充分发挥过载能力,又能免于损坏,而且还能提高电力拖动系统的可靠性和生产的连续性。在能满足保护要求的情况下首先考虑最简单保护装置,当简单的保护装置不能满足要求时,或对保护功能和特性提出更高要求时,才考虑应用复杂的保护装置,做到经济性和可靠性的统一。具体的功能选择应根据综合考虑电动机的本身的价值、负载情况、环境好坏、电动机的重要程度、退出运行是否对生产系统造成严重影响等因素,力争做到经济合理。

6、理想的电机保护器?

理想的电动机保护器不是功能最多,也不是所谓最先进的,而是应该最实用的。那么何为实用呢?实用应满足可靠、经济、方便等要素,具有较高的性能价格比。那么何为可靠呢?可靠首先应满足功能的可靠,如过电流、断相功能必须对各种场合、各种过程、各种方式发生的过电流、断相均能可靠的动作。其次自身的可靠(既然保护器是保护别人的,尤其应具有很高的可靠性)必须具有对各种恶劣环境的适应性稳定性、耐久性。经济性:采用先进的设计、合理的结构,专业化、规模化的生产,降低产品成本,给用户带来极高的经济效益。方便性:必须在安装、使用、调整、接线等方面,尽可能的简易方便。



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2、

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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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、

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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5、

低压智能电动机保护器的可靠性设计

针对低压智能电动机保护器在实际使用中遇到的各种电磁兼容问题,根据微处理器系统的特点从硬件和软件两个方面,提出了抗干扰方法,获得了良好的EMC性能。

1、引言

电动机作为一种拖动机械因具有结构简单、价格低廉、使用维护方便等优点,在国民经济各个方面被广泛采用。在当代,随着电子技术的发展和智能电动机保护器技术的成熟而普及率越来越高。

智能电动机保护器采用了微处理器技术,不仅解决了传统的热继整定粗糙、不能实现断相保护,重复性差、测量参数误差大的缺点。保护器通过电流来判断断相故障,软件模拟热积累过程的方法来实现过载保护等方法保证了电机的可靠运行,而微处理器强大的扩展性包括开关量输入、继电器输出,4~20mA变送输出、RS485通讯等很好的满足了控制系统的“四遥”功能。

电动机保护器提高了电动机运行的可靠性和系统智能化要求,因此保护器的可靠运行起着举足轻重的作用,同时也对保护器抗外界干扰提出了比较现实的要求。下面就从硬件和软件两个方面提出可靠性设计。

2、硬件可靠性设计

2.1微处理的选择

采用Freescale公司的高性能处理器MC9S08AW60。MC9S08AW60是Freescale公司一款基于S08内核的高度节能型处理器,是第一款认可用于汽车市场的微控制器。可应用在家电、汽车、工业控制等场合,具有业内最佳的EMC性能。

2.2电源端滤波处理

利用电磁原理进行硬件电路滤波是提高保护器EMC的有效方法。线路如下图,经热敏电阻t、压敏电阻RV1、电感L1、L2、差模电容C1、共模电感L3、共模电容C2、C3组成的两级滤波处理,很好的隔离了由于电源端的输入和输出干扰。PTC热敏电阻器的主要用于过流过热保护,直接串在负载电路中,在线路出现异常状况时,能够自动限制过电流或阻断电流,当故障排除后又恢复原态,俗称“万次保险丝”。根据线路的最大工作电流来确定选择。压敏电阻主要用于吸收各种操作浪涌及感应雷浪涌过压保护,以防止这类过电压干扰或损坏各种电路元件。根据设计经受的浪涌电压按照最大允许使用电压和通流容量来选择。其中,L1、L2、C1为抑制差模干扰,L3、C2、C3为抑制共模干扰。L1、L2铁芯应选择不易饱和的材料及M-F特性优良的材料。按照IEC-380安全技术指标推荐,图中元件参数的选择范围为:C1=0.1~2uF;C2、C3=2.2~33uF;L3为几个或几十毫亨,随工作电流不同而取不同的参数值。

按照下面公式计算C2、C3的容量:

Ii=2πfCyU

式中:Ii───允许的交流漏电流

f───电源频率;

U───电源供电电压;

上图为电源端是否使用滤波器,使用瑞士TRANSIENT2000电磁兼容测试仪1000V100KHZ0.75mS条件EFT群脉冲实验,从TEXtronixTDS1012B捕抓到的信号比较,未使用滤波处理的电源输出端产生了尖峰脉冲,会导致微处理器复位,甚至死机。

2.3信号端处理

谐波和电磁辐射干扰会导致保护器误动作,使电气仪表计量不准确,甚至无法正常工作。在电动机控制回路中产生该类干扰源为变频器和现场对讲机。解决的方法有:一是信号输入线胶合,胶合的双胶线能降低共模干扰,由于改变了导线电磁感应的磁通方向,使其感应互相抵消。二是内部线路处理。如下图,采用双差分输入的差动放大器,具有很高的共模抑制比。在输入回路中接RC滤波器、信号的输入和输出端使用专用器件、降低输入输出阻抗、可靠接地和合理的屏蔽等措施。

2.4保护输出端处理

输入输出端采用光电隔离的方法,也是可以消除共模干扰,同时在保护继电器的的输出端并接压敏电阻,有效的提高了继电器的寿命,也降低了由于外部接触器动作对内部的干扰。考虑到客户使用控制电压的不确定性和接触器线圈容量,确认使用MYG14D821。

2.5外部存储技术和看门狗保护电路

使用外置存储芯片X25043,SPI接口。微处理器内置SPI控制模块,方便的与该芯片接口,外部存储技术保证了运行状态和事件的记录。低电压复位和外部看门狗提高了保护器的可靠性。

2.6主体与显示单元通过RS485连接

考虑到使用环境的特殊性和要求的多样性,主体与显示单元之间连接也采用RS485Modbus-Rtu协议连接,提高了显示与控制的可靠性。

3、软件可靠性设计

3.1实时多任务的调度

保护器起着保护电动机的重任,对它的要求是既不能误动,也不能拒动,而且必须快速。实时多任务的调度实际是通过时间片的轮换实现宏观上的多任务效果。对于保护器而言,存在着三个重要的任务,等间隔的交流采样,根据算法得到稳态与暂态电量数据;根据得到的数据判断故障,故障计时、清零和脱扣输出;人机交互界面。下图以一个周波T=20mS,32点采样为例(考虑到快速除法),32次采样总时间为3.2mS,数据计算时间为9.72mS,计时0.36mS,则人机交互的时间为6.72mS。这样的任务调度即满足了保护实时性要求,又较快的响应了参数设置。

3.2交流采样、数字滤波

对于交流正弦信号,一个周期的电压有效值为

U=

根据电工原理中连续周期交流信号的有效值的定义,将连续信号离散化,用数值积分代替连续积分,从而得到有效值与采样值之间的关系。离散化得到

U≈

同理

I=

在对信号多次采样的基础上,通过软件算法提取最逼近真值的数据。这种算法计算连续的周期的交流信号,精度高,抗波形畸变能力强。在使用这种算法时,也可同时采用连续平均值法、中值算法等数字滤波,提高保护器的抗干扰能力。

3.3软件陷阱

程序是固化在微处理器的存储器中,由编译器统一安排,但设计时,设计人员考虑到产品的扩展性,一般留有余量,也因此总有些存储空间会未被使用。当微处理器的PC指针因为干扰被错置时,系统就会出错。软件陷阱就是在不用的存储空间、中断入口、子程序后加入强制跳转指令,让出错的PC指针恢复正常。

方法是:NOP

NOP

JSRMAIN

4、结束语

本文针对低压智能电动机保护器在实际使用中遇到的各种电磁兼容问题,根据微处理器系统的特点从硬件和软件两个方面,提出了抗干扰方法,获得了良好的EMC性能。



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6、

电力拖动系统运行过程分析

随着社会经济的快速发展,我国机械电气行业也开启了一个新篇章。而电力拖动系统作为其中的重要环节,分析电力拖动系统的稳定性和安全性有助于深入了解此方面的知识,并在此基础上将所学理论运用到实践活动中去。本文就电力拖动系统运行过程进行分析,使得电力拖动系统能以最佳状态运行。

电力拖动系统中包括电源、电动机、控制设备等部分。其中,作为控制设备与电动机的能源,电源主要分为直流电源和交流电源;电动机作为生产机械的原动机,它将电能转化为机械能;控制设备控制着电动机的运转,而传动机构则传递着电动机与生产机械之间的力量。本文针对电力拖动系统运行过程展开讨论。

1.电力拖动系统的基本知识

要对电力拖动系统的运行过程进行分析,首先必须掌握该运行过程所需要的知识,采取正确方法,对相应的电力拖动系统运行过程进行分析,从而获取出想要的数据以及客观的结论,使得准确分析出该系统的运行状态,保证系统的稳定性以及安全性。

1.1旋转运动方程式Tem-TL=GD375?dndt

Tem、TL和n的方向在电力拖动系统运作过程中都是不确定的,所以需要对运动方程式规定正方向。通常把电动机工作状态中的旋转方向定为正方向,而电磁转矩和转速方向与电动机旋转方向相同时规定为正方向,反之为负方向。当负载转矩与规定正方向相反则为正,相同则为负。规定方向后即可判断电力拖动系统是处于加速、减速或者恒速运行状态中哪一种状态。

1.2电动机的特性及其方程式

因电动机分为直流电动机和交流电动机两种,所以应当根据电力拖动系统运行中所用电动机的类型对其自身特性、人为特性等机械特性进行准确判断。同时,应当理解与其相关的方程式,譬如:感应电势方程式、电压平衡方程式、磁势平衡方程式等。

1.3负载的特性

在运行电力拖动系统前应当对负载的机械特性进行详细了解。通常,机械的实际负载特性是由几种类型特性叠加而成。所以,应当先了解最基本负载的机械特性,如恒功率负载等,再通过将其进行再组合,写出最终负载特性方程式,并根据特性方程式绘出负载特性曲线。最后,根据所学动力学知识对其特性方程式以及曲线图进行分析,从而判断出是否会发生变化,若发生变化,应当对新的机械特性进行重新分析。

1.4过渡过程

电动机在电力拖动系统中是非常重要的组成部分。当电力拖动系统正确运行时,根据运动方程式,电磁转矩的大小是由其负载转矩决定的。所以,拖动系统在负载转矩出现变化等被外部干扰或人为改变电动机参数时,都会使电力拖动系统的正常稳定运行造成极大的影响。

1.5静态稳定性

当只考虑系统机械惯性时,电力拖动系统能够在某点保持稳定运行,需满足以下条件:首先必须在电动机的机械特性与其负载特性之间具有交点,其次需要有稳定运行数据条件。

1.6运行状态

电力运行是电动机产生的电磁转矩和系统旋转方向相同时,T与n同号即同处于正数或负数。制动运行是电动机产生的电磁转矩和系统的旋转方向相反时,T与n异号。制动运行又分为回馈制动和能耗制动两种制动方式。

2.分析方法

利用上述知识,可以采用图解法或者代数法对电力拖动系统进行分析。因图解法的直观、便于理解等特点,下面主要对图解法进行过程分析。

(1)在同一个坐标系内将电动机的机械性能与负载性能同时画出来,坐标系设置为T―n。

(2)根据电力拖动系统的数据,通过计算,分析系统的初始运行状态是否满足稳定运行的条件,并判断其是否有稳定运行点。如果能在某点稳定运行,则对其运行状态进行分析。

(3)若没有受到外界或人为因素的干扰而造成系统中负载特性与机械特性在运转时出现变化,则应将其变化呈现于坐标系中。

(4)由于过渡过程是沿着电机机械特性运行的,当运行至稳定时电磁转矩是由负载转矩的大小决定的,从而根据运动方程式以及电动机工作原理的基本方程式推出。

(5)根据电力拖动系统运行状态以及过渡状态中每段曲线以及特殊点进行运动状态分析。

3.安全保护

对电力拖动系统的保护方式由两方面组成:一方面是对电器的保护,另一方面是对计算机系统的安全保护。

3.1电器保护

这是一种最基本的保护形式。一般包括短路保护、过流保护等。

3.2计算机系统的安全保护

计算机的保护属于上端保护。

首先是短路保护,短路电流通常会导致电器的绝缘设备被破坏,原因是电流过强引起的电动应力加强,是的电动机的绕组失去承受能力,最终导致损坏。其次是过流保护。电动机启动异常或者超过其负载都可能会引起过流电流,而这种电流的流通通常相当大,会引起一些传动器件甚至电动机本身的损伤。接着,是过热保护。当电动机长时间运行时,产生的热量会使电动机的绕组温度超过其承受能力,从而导致电动机无法正常运作。

再者是欠电压保护。欠压是由电源电压过分降低导致的,这可能会导致电动机转速降低更可能导致是停止运转。与此同时,欠压形成的释放气体也会阻碍电路正常运行。

还有安全链的保护。它涉及过流保护、水压保护、欠压保护等多方面保护,必须对其涉及的所有方面进行保护。

最后是整体系统故障保护。通常计算机在其自身能够正常运行时能够保证稳定的自动控制,可以对意外的古装做出处理。

4.电力拖动系统安全稳定运行的涵义

假设一个电力拖动系统原先是在一定的转速中稳定运行的,忽然收到一定外力或人为作用,譬如负载转矩有所变化或者人为对电动机的参数进行改变,使得系统不能够在原先的转速之下运行。然而,如果系统能够在一个新条件下达到新平衡的话,则能够在一个新的稳定点上正常运行,或是在外界影响失灵时系统又能够恢复到原先运行状态,则称之为系统稳定,相反,若失去影响后系统恢复不到之前状态,则该系统是不稳定的。

5.总结

电力拖动系统在实现电能向机械能转变中尤其重要。然而,电力拖动系统的运行过程是比较复杂的。首先要确定其转向,再要熟悉其机械特性和负载特性,并掌握相关方程式,明确其正常运行时需要的条件,从而对其运行状态进行判断。所以,只有深刻理解这些知识点并采用正确的方法,譬如图解法,才能够准确分析拖动系统的运行状态和运行过程。



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7、

煤矿提升机交流拖动系统简介

大容量(≥3000kW)矿井提升机系统中传动方式多采用交流传动。高性能交流传动方案主要有两种:交-交变频传动和交-直-交变频传动。作为一种新型的高性能传动方式,交直交变频传动以其优越的调速性能、谐波污染小以及功率因数高等优点,在国内矿山提升系统中得到广泛使用。

直接转矩控制(DTC)技术是1985年德国鲁尔大学教授提出,1998年有瑞士ABB公司将直接转矩技术应用于变频器ACS1000上的交流调速传动的控制技术。它通过检测电机定子电压和电流,计算电机的磁链和转矩,并根据与参考值比较所得的差值,实现磁链和转矩的直接控制。从根本上解决了交交矢量控制(CYCLO)中的计算、控制复杂的问题。目前该技术已成功地应用于矿山、冶金、船舶等工业领域。

一、交直交直接转矩与交交矢量控制原理比较

矢量控制也称磁场定向控制,其原理是将交流电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic,通过三相/二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换(d、q坐标),等效成同步旋转坐标系下的直流电IΦ1、IΦ2(IΦ1相当于直流电动机的励磁电流,IΦ2相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿对直流电动机的控制方法,实现对交流电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度、磁场两个分量解耦进行独立控制。

直接转矩控制与矢量控制不同,它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩,而是把转矩直接作为被控量来控制,它也不需要解耦电机模型,而是在静止的坐标系中通过检测直流电压和相电流,计算电机磁通和转矩的实际值,然后,经磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行最佳控制,有很快的转矩响应速度和很高的速度及转矩控制精度。

二、系统组成结构比较

交直交直接转矩控制系统(DTC)与交交矢量控制(CYCLO)比较,交直交直接转矩控制(DTC)结构简单。

1.功率元件IGCT相模块采用无熔断器保护结构。即便系统发生短路故障时,由于主回路断路器在60ms内能够分断电源,故功率元件模块无需使用熔断器保护。

2.无需功率补偿滤波器。ARU整流侧控制原理基于直流电压调节和功率因数调节,系统功率因数达1,动态可调,所以供电电网中无需设立功率补偿装置。

3.变压器数目减少。交交变频单绕组电机主回路需要三台定子变压器,同等性能的交直交变频电机只需要一台定子变压器即可。

4.变压器容量大大减少,对同等电机功率,DTC变压器的容量通常是交交变频变压器的50%。低速时,电动机的输出功率因转速低而输出功率小,由于ARU直流侧电压高达4900V,而使得整流器的输出电流也小,所以变压器的输出电流就小,整流变压器发热量就小,这就使得交直交回路变压器的容量选型可以比交交的小的缘故。

三、对电网质量要求的比较

由于交直交直接转矩控制(DTC)在整个提升循环中,定子变压器线电压和线电流控制在相同相位,对电网而言,属于线性负荷,功率因数恒为1,因此,对电网没有无功功率要求,所需电网功率就是实际有功功率。由于交直交直接转矩控制(DTC)系统不从电网消耗无功功率,因此,对电网造成的压降也非常小。而交交变频提升机在启动阶段,无功功率为最大,需装设无功补偿及谐波吸收装置。

四、电网谐波的比较

交交矢量控制(CYCLO)系统的最大致命弱点是对电网产生谐波,这些谐波不仅包括特征频率,而且含有随速度变化的边频以及运行时由于触发脉冲不对称、无环流死时等因素影响而引入的旁频。这大大增加了谐波治理的难度。

而对交直交直接转矩控制(DTC)系统,不仅不产生电网谐波,而且吸收过滤电网上的谐波。6脉动ARU整流器能够消除25次及以下谐波,12脉动ARU整流器能够消除55次及以下谐波,18脉动ARU整流器能够消除85次及以下谐波。

因此,交直交直接转矩控制(DTC)系统还适用于电网质量比较差的场合,如有谐波、压降大等。

五、动静态性能比较

交直交直接转矩控制(DTC)每25μs采样一次实际数据,估算电机模型,计算控制力矩,直接切换功率元件IGCT,控制响应时间为1~2ms左右,而PWM矢量控制(CYCLO)的力矩阶跃一般在10~20ms。因此,交交矢量控制(CYCLO)的矿井提升机,大多会产生力矩汶波,导致共振频率。采用OptimizedswitchinganglesPWM技术控制IGCT导通、关断的交直交直接转矩控制(DTC)系统则能消除力矩汶波,避免机械共振。

在低速时,DTC使用了专利方案,包括:

1.力矩汶波控制。专用软件通过调整力矩汶波频段,使力矩汶波最小化。

2.力矩前馈控制。控制系统根据负载变化动态预测力矩,以获得更平滑的控制。

3.高性能的速度位置控制。当速度设定为零速时,电机将保持绝对零速,由于编码器测量的位置也保持不变,以保证准确停车精度。

4.低的定子电流下降率。一般情况下,速度很低时,系统将降容使用。但DTC传动在低速甚至零速时,可短时输出100%额定电流,连续输出70%的额定电流。这是软件通过特殊的切换技术来平衡定子相间电流来实现的。

六、技术前景

新技术及新器件的发展趋势,要求交流传动系统具有主动前端(AFE)技术,以减少对电网的影响,几乎所有的国内外传动公司,都已投资研发带主动前端技术(ActiveFrontEnd)的传动系统,如ABB,Siemens。这样,Cyclo-交交变频传动系统将退出新系统的市场,技术及产品支持将会越来越少,从而大大增加提升机系统的维护费用。

交直交直接转矩控制(DTC)系统使用集成门极可换向晶闸管IGCT,采用无熔断器结构的相模块,结构简单。逆变侧,使用直接转矩控制(DTC)技术,动静态控制性能高,能消除力矩汶波和机械共振。整流侧,使用优化触发脉冲控制模式,不产生谐波,功率因数为1,无需功率补偿和谐波治理。同时,进线侧设有IFU(INPUTFILTERUNIT)进线滤波单元能吸收过滤电网谐波,适用于电网质量较差的场合。



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8、

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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9、

试论电力拖动自动控制系统

1引言

随着科技日新月异的发展,机械自动化程度与生产水平达到了前所未有的高度,在当前的工业生产领域中,电力拖动自动控制系统得到了广泛的应用。电力拖动自动控制系统的优势在于:一方面可以保障自身系统安全稳定运行;另一方面可以满足企业机械生产要求。电力拖动系统可以很好的对电动机、各类继电器等原件进行保护,进而减少系统运行过程中故障发生概率。因此,研究电力拖动自动控制系统,提升其自动化程度,增强其安全性,完善其功能,对于企业而言是至关重要的。

2电力拖动系统自动控制原理及其设计

2.1电力拖动系统自动控制原理

操作人员在电力拖动控制系统运行过程中可以得到电动机各信息的反馈,例如电流反馈等。在电力拖动控制系统中,电气设备是实现机械自动控制的核心器件。计算机系统在此过程中的主要作用是显示信息显示、运行连锁、安全保护等信息,同时其也是电力拖动系统自动控制实现的唯一途径。

在计算机系统中,操作人员可以利用计算机根据实际生产需求实行不同的自动控制方案。电力拖动自动控制主要是利用计算机完成逻辑计算、功能模块化、编程等工作,然后为操作人员提供独立于机械设备的仪器驱动程序,方便使用者可以较快的将程序与自己的系统进行对接测试,方便编程。虽然电力拖动自动控制系统的各项参数及要求的设定“因人而异”。但从系统的本质来讲,系统构成的基本原理还是殊途同归的,即以计算机为系统的集中控制中心,信号输入给计算机下达指令,信号输出执行指令。电力拖动自动控制系统计算机接收信号与输出信号的系统反应如图1所示。

2.2电力拖动自动控制系统方案的确定

在电力拖动自动控制设计方面,是否确定好方案与控制方式将会决定整个设计能否成功。如果宏观方案是正确切实可行的,那么生产设备各项指标达到要求的可能性才能得到保障。在设计时,即便出现某个控制环节设计的错误,也可以通过不断改进与测试达到要求,但如果宏观方案一开始就制定有问题,那么设计工作必须等到方案明确后重新开始。

学术领域认为,所谓电力拖动自动控制方案,其主要是依据不同的生产工艺要求,例如根据运动要求、加工效率、零部件加工精度等条件来决定电动机运行、类型、数量、传动方式等控制要求。最后将这些调研好的工艺要求与控制要求相结合,作为电气控制原理图设计电器原件选择的重要参考凭证。譬如说,在设计效率要求较高的加工机床时,拖动方式可以随机变化,如可以使用直流拖动,也可以使用集中拖动等。确定好拖动方案后,拖动电动机的数量以及各项参数也随之明了,控制方式的选择就是控制要求的选择。

2.3电力拖动系统自动控制电动机的选择

在确定好电力拖动系统设计方案后,需要根据实际需求对电动机的数量、规格及各项参数如额定转速、功率等进行选择与确定。笔者通过总结,归纳出电动机在选择方面应当遵循以下几点:

(1)电动机功率的选择应当与生产机械标准要求直接挂钩,要选择与其相匹配,能够拥有一定负载的电动机,这样,才能保证生产机械的正常运行。此外,在明确电动机功率时,还需对以下三大要素进行综合考虑:1)允许过载能力;2)启动能力;3)电动机发热。确决定电动机功率选择的核心条件是电动机容量,通常,电动机容量容易受外界环境影响,所以电动机额定功率的确定要进行多次校验确认。

(2)电动机采用直流还是交流电需要结合企业经济、技术等方面综合考量,笔者认为,通常情况,企业只需要选择操作简单,稳定性强、维护遍历、价格低廉的交流异步电动机即可。但如果所在企业生产机械功率大、调速范围广,则可以采用调速性能优质的直流电动机。

(3)电动机额定转速需要结合以下方面来选择,主要是看所在企业机械匹配的技术经济程度,如企业所需电动机需拥有较高的使用寿命,并较少使用,那么就需要结合企业经济、技术等多方面因素来选择;如果企业使用电动机频繁,那么该电动机额定转速就需要以电动机的动能储存量来选择。

(4)必须在供电电网电压基础上选择电动机额定电压各参数,必须保证两者一致。电动机机构形式要根据企业的作业环境进行选择。

总而言之,电动机数量、规格以及各项参数的选择应当根据企业的经济、技术、作业环境、使用需求等多方面综合考虑来选择,要保证所选择的电动机既能满足企业生产机械的实际需求,又能够保证其运行的可靠性与实惠。

2.4电力拖动设计中电器控制线路的设计

拖动方案与电动机的选择之后,其次是电器控制线路的设计。电器控制线路是整个电器选择与安装图设计的主要依据,通常,电器控制线路的设计方法是,根据所有部件不同的需求,根据控制线路的总体框架来细化局部线路,最后根据生产机械的实际需求与相互关联,将局部线路统筹规划到线路总体框架中,形成一个完整的控制线路。

设计前期调研:控制线路设计之初,设计者需要对企业生产工艺与机械实际需求进行调研。对于一般企业而言,控制线路仅需要满足下属三种功能即可:即制动、起动与反向。生产机械工艺较大的企业通常还需要平滑调速、安全预警功能等。另外,操作者能否对控制线路做出及时反应,能否进行操作等问题也都需要设计人员在设计前调研明白。

设计过程的掌控:控制线路能否稳定安全运行取决于控制线路工作是否安全与稳定,因此在选择设计元件时,应当采用性能良好、使用期限长、抗干扰能力强、安全可靠、稳定的继电器,同时在规划具体线路时,笔者认为,设计人员还需要注意以下几点内容:

(1)触头的设计,要保证所有电器触头必须全部正确对接。例如同一电器,如果将常闭与常开的辅助头放在一起,那么当将它们接在不同相的电源上时,很可能由于限位开关上的常开/闭触头产生电位差使得电路短路,如果线路没有良好的绝缘性,那么势必会造成电路短路事故。

(2)设计电器线圈联接时,要保证所有电器线圈正确联接。串联的两个电器线圈一般不能出现在交流控制电路中,即便串联的两个线圈的额定电压和等同于外加电压,也不允许非并联线圈连接。要实现接触器与接触器,接触器与线圈的同步,应当将所有线圈并联在电路中,使所有线圈承受相同的额定电压。

(3)设计后的控制机构,其后期维护与操作必须简单明了,在操作人员采用某种控制方式控制时,可以根据实际需求迅速、快捷的切换到其他控制方式,例如,在进行自动控制时,可以根据需求直接切换到手动控制,所有电控设备都需保证其后期运行的稳定性与维护的便利性,同时还需为其配置隔离电器,以便在仪器出现故障时进行抢修。

2.5电力拖动自动控制系统设计应遵循的原则

笔者通过总结,归纳出当前电力拖动自动控制系统在设计时应当遵循的原则:

(1)经济简单化原则。企业在选择电力拖动自动控制系统时,都想要低廉的价格换来可靠的电力拖动控制系统。因此在设计过程中,设计人员应当尽最大努力将系统不必要的电器与触头数量进行减少,线路设计应当最优化。

(2)稳定、安全、可靠性原则。在经济简单化原则基础上选择稳定性、可靠性、安全性较强的元件。

3电力拖动自动控制系统的安全防护

任何系统的出现都需要制定想匹配的安全防护措施,电力拖动自动控制系统亦是如此,一般情况下,电力拖动自动控制系统的安全防护分为两种:一种是计算机系统保护;另一种是电器保护。电器保护是最基本,也是必要的保护,其通常有过流保护、短路保护、欠压保护以及热保护。而计算机系统保护则是不可或缺的保护,它属于高级保护,主要是对确保系统运行、维稳等进行保护。笔者在下文将从以下几点对电力拖动自动控制系统的安全防护进行分析:

(1)短路保护:短路故障一般是因为电流短路而造成局部电气设备绝缘体过热损害,电流过大,容易造成强大的电磁脉冲进而产生电动应力,进而损害电力拖动自动控制系统或各种电器设备。

(2)过流保护:如果使用电动机不当,很容易使得电动机超负荷运作,这样会引起电动机局部过电流,一般的过电流能量是正常启动电动机电流的数倍,因此容易损害电动机及系统元器件。

(3)欠压保护:系统运行过程中,如果电源电压不能满足电动机正常运作的需求,容易造成系统因欠压而减缓电动机速率甚至同志运作,当负载矩不变时,可以适当的增加电源来提压。另外,欠压还会造成电气释放问题,进而影响系统所有器件的正常工作,情况严重时还会出现系统故障。所以,笔者认为,当电压达到电动机电压临界值时,可以采取切断电源措施来进行保护。

(4)热保护:任何元器件在经过长时间工作时都会出现过热现象,如果电动机绕组或长时间超载运行,那么势必会造成自身温度高于允许值,进而导致电动机出现故障,为避免过热损害,可以采用多个电动机相替换的方法进行热保护。

(5)安全链:安全链的保护主要涉及五个方面。1)欠压保护的控制;2)过流保护的控制;3)水压保护;4)油压保护;5)轴瓦温度保护。安全链是将上述五种保护串联在一起的保护,无论其中哪个环节出现问题,计算机都会直接将自动控制系统关闭。

(6)运行连锁和启动连锁的保护:当计算机接收到信号后,电力拖动自动控制的实现主要是通过计算机所配置的程序完成,该过程主要是预防系统运行时信号条件的消失或电动机缺乏条件启动的保护。

4结论

本文通过对电力拖动自动控制系统各方面的研究,提出了加强、完善系统设计与安全防护的意见,以期为设计者与使用者提供帮助。



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