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节能改造关注问答
1、

电机保护器选型的基本方法

目前,市场上电机保护器未有统一标准,几乎每个厂家都有自己的型号规格。制造厂商为了满足不同客户的需求派生出很多的不同用途的产品,种类繁多给广大用户选型带来诸多不便,用户在选型时应充分考虑电动机保护实际需求,合理选择保护功能和保护方式,才能达到良好的保护效果,达到提高设备运行可靠性,减少非计划停车,减少事故损失的目的。

一、与选型有关的条件

电动机保护的选型存在着电动机与保护器二者怎样合理配用关系,以下提供几个与保护有关的条件、因素,为用户选型时提供参考。

1、电动机方面:要先了解的型号规格、电动机功能特性、防护型式、额定电压、额定电流、额定功率、电源频率、绝缘等级等。这些内容基本能给用户如何正确选择与使用电机保护器提供了参考依据。

2、环境条件:主要指常温、高温、高寒、腐蚀度、震动度、风沙、海拔、电磁污染等。

3、电动机用途:如风机、水泵、空压机、车床、油田抽油机等不同负载机械特性,如水泵电机保护器,就应该具备欠载功能,当水泵将水抽完时,保护器需要给出保护指令。

4、控制系统方面:控制模式有手动、自动、就地控制、远程控制、单机独立运行、生产线集中控制等情况。启动方式有直接、降压、星三角、频敏变阻器、变频器、软起动等启动方式。

5、其他方面:用户对现场生产监护管理是比较随意还是严谨,非正常性的停机对生产影响的严重程度等。

与电机保护器的选用有一定相关因素的还有很多,如安装位置、电源情况、与配电系统的配合等;还要考虑是对新购电机保护器,还是对电动机保护升级,还是对事故电动机保护的完善等;还要考虑电动机保护方式改变的难度和对生产影响程度;需根据现场实际工作条件综合考虑电机保护器的选型和调整。

二、电动机保护器的常见类型

1、热继电器:普通小容量交流电动机,良好工作条件,不存在频繁启动等恶劣工况,由于精度差,缺少缺相保护功能,可靠性不能保证,不推荐使用。

2、电机保护器:检测三相电流值,整定电流值采用电位器旋钮或拔码开关操作,电路一般采用模拟式,采用反时限工作特性。保护功能包括过载、缺相、三相不平衡、等故障保护,故障类型采用指示灯显示,如UL-E2系列便是此类电机保护器。

3、综合智能型:检测三相电流值,电机保护器使用单片机,实现电动机智能化综合保护,集保护、测量、显示为一体。整定电流采用数字设定,通过操作面板按钮来操作,用户可以根据自己实际使用要求和保护情况在现场自行对各种参数修正设定,采用数码管作为显示窗口,或采用大屏幕液晶显示价格相对高些,用于较重要场合,目前高压电动机保护均采用智能型。

4、热保护型:在电动机中埋入热元件,根据电动机的温度进行保护,保护一般,并且具有温度滞后性,但电动机容量较大时,需与电流监测型配合使用,避免电动机堵转时温度急剧上升,由于测温元件的滞后性,导致电动机绕组受损。

5、磁场温度检测型:在电动机中埋入磁场检测线圈和温度探头,根据电动机内部旋转磁场的变化和温度的变化进行保护,主要功能包括过载、堵转、缺相、过热保护和磨损监测,保护功能完善,缺点是需在电动机内部安装磁场检测线圈和温度传感器,难以在复杂的现场环境使用,目前只适合于实验室使用。

三、电机保护器类型在电动机工作条件下的选择

1、对于工作条件要求不高、操作控制简单,监控、管理比较随意,停机对生产影响不大的单机独立运行电动机,可选用普通型保护器,因普通型保护器结构简单,在现场安装接线、替换、操作简单、方便,具有性价比高等特点。

2、对于工作条件要求很高,安全性和连续性又很关键的,而自动化程度高,且需要专人控制、监护、管理,需组网监控的MCC系统中,应选用中高档、功能较全的电机保护器。

3、对于防爆电动机,由于轴承磨损造成偏心,可能导致防爆间隙处摩擦出现高温,产生爆炸危险,应选择磨损状态监测功能。对于大容量高压潜水泵,由于检查维护困难,也应选择磨损状态监测功能,避免发生扫膛事故造成重大经济损失。

4、应用于有防爆要求场所的电机保护器,要根据应用现场的具体要求,选用相应的防爆型保护器,避免安全事故发生。



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2、

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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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、

高效节能电机到底能省多少电?

高效节能电机是指具有高效率的电机,是绿色环保的电机。高效电机采用新型电机设计、通过降低电磁能、热能及机械能的损耗,提高输出效率。结构简单,坚固耐用。

那么高效节能电机到底能省多少电?这是很多客户都在纠结的一个问题。不妨举个例来说的更明了:

某企业之前用Y系列普通7.5KW电机,厂里一共10台同时操作,每天运转8小时,每年运行300天。今年这家企业升级了设备,换了10台型号为YX3-132M-4P-7.5KW的电机,功率还是一样的,但是却省电不少。

7.5KW的相同功率,普通Y电机的效率为87%,高效节能电机效率90.1%,则全年:

Y-132M-4P-7.5KW运行一年的电量为:(7.5/0.87)*8*300=20689.6度

YX3-132M-4P-7.5KW运行一年的电量为:

(7.5/0.901)*8*300=19977.8度

使用高效节能电机后一台全年节电:20689.6-19977.8=711.8度

该企业使用10台7.5KW高效节能电机,则一年可节电7118度!

相关数据显示:我国电机用电量占总用电量的比重可达50%,占工业用电量的比重接近70%。因此,要降低单位GDP能耗,在电机领域大有可为,而高效节能电机可作为节能的突破口。

高效节能电机的节能效果显着,通常情况下,效率可提高3%-5%左右,超高效电机效率更高。由此可见,提高电机效率,降低电机能源消耗,研发推广应用高效、超高效电动机,具有其十分重要的国家能源战略意义和现实的社会效益。



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5、

关于电动机节能的几点问题思考

目前,我国电动机的效率跟国外相比仍然低下,也不能够达到很好的节能降耗的效果。每年由于电动机的消耗的能源占据一大部分比重。虽然我国是能源大国,但同时能源浪费的现象也是数不胜数,造成了能源紧张。因此必须急迫解决这一问题,改善这一尴尬局面,大力倡导节能降耗。

1电动机的效率和功率因数

1.1电动机的效率

效率=×100%=×100%

在实际运用中,电动机的效率还包括额定效率、最高效率、负载效率。额定效率和空载损耗是固定值,所以,电动机的效率高低与负载率的高低有关。负载率过低的时候,电动机的效率也就下降。而负载率高的时候,电动机就会快速运行下去。

1.2电动机的功率因数

功率因数=

电动机的功率因数与负载率有关联,所以也是间接影响电动机的效率因素。当电动机在空载的情况下运作的话,其功率因数非常低,仅仅是0.1-0.2之间。而如果电动机的负载率增加,其功率因数也跟着增大。所以要注意的是,电动机在空载的情况下运行其效率也会大大降低。

2电动机节能的几点思考

2.1选用合适的电动机类型

要想提高电动机的效率,达到节能的目的。首先就必须要选择合理的电机类型。不同类型的电动机的容量、负载率、降耗性有所不同。所以在选择电动机时要选择那些新型的、效率高、节能好、降耗性强的电动机。

首先,选择节能型电动机,最受欢迎的是y系列的电动机。其性能好,启动性强并且效率高,节能性强,在工业中被广泛使用。

其次,要选择匹配的电动机。如果工厂要使用负荷率较高的电动机,就可以选择yx系列的三相异步电动机。该系列的电动机相对y系列的效率更高,且降耗更低。

最后,还应注意电动机额定容量的问题。工厂在选择电动机时还存在一个误区,由于工厂的连日工作制,机器不断高速运转,所以采购者认为大容量的电动机才可以有效完成工作,实则不然。在实际运用中,很多电动机都存在空载的情况,这样会加大电动机的耗损情况,浪费能源。所以在选择电动机时,不需要选择那些大容量的电动机,只需要和工厂作业匹配的电动机即可。

2.2正确运用无功补偿方式

无功补偿主要是对电动机的功率补偿,通过提高功率因数从而提高电动机的负载率,因此可以提高效率,降低损耗。一般情况下,采用无功补偿方式都会就近设置装置,让电容器和电动机一起运行,有效的补偿功率。无功补偿技术的优势很多,被广泛应用,具体如下:

(1)对于配电变压器和低压配电线路的负荷电流能够有效减小,降低损耗。

(2)电动机在启动时电流很大,运用无功补偿技术,可降低电流。

(3)对于配电网功率和配电变压器的损耗可以大幅度的降低。

(4)运用无功补偿技术还可以有效的减少容量,节能降耗。

2.3改善电动机的运行管理

在电动机运作的过程中,改善其功率因数,防止电动机空载运行的情况,可以大大降低损耗。在改善功率因数时,要在电源母线上进行,不能分散,将功率因数调整到90%以上,这样才能大幅度的节约能源。

电动机运作时,要杜绝其空载运行的现象,因为在空载运行下,其输入的电能都会变为损耗,不能有效的输出。因此,要避免这类现象出现。电动机不工作时要尽快关闭电源,同时还要停止电动机冷却用风扇及直流电动机励磁等的供电。这样,才能避免机器做无用功,有效的节约了能源,降低损耗。

在机器运转时,工作人员还要不定时的进行巡查、监视,避免电动机出现异常现象。而且还要做好日常的维护工作,定期进行维修和加油,这样才能使机器的使用寿命延长,在一定程度上节约了能源。

2.4对电动机进行调速实现节能目的

对电动机进行调速可以采用变频调速的方式实现,适当的调速不仅可以保障机器更好、更快速的运行,而且能够避免电动机由于速度不均匀而导致的能源浪费现象,以达到节能的目的。变频调速方式简单、操作性强,可靠性高,调速范围较广,可以有效的让电动机稳定、高速的运行。

如果是那些对于调速要求不高的水泵、风机等电动机就可以采用液体调速的方式来达到节能的目的。而且该种方式的费用较低,节能效果较好。

2.5有效管理

能源是关系到国计民生的重要资源,而我国还是一个需求量较大的国家,能源稀缺,供求关系紧张。因此,我们要更加合理利用资源,节约能源。目前,我国还处于工业化发展的国家,高能耗的设备仍然在持续使用,这不仅极大的浪费了能源,还不利于生态环境,是我国走可持续发展之路的重要瓶颈。因此,政府部门应制定出行之有效的规章制度和行业准则。对各个工厂以及各种高能耗的电动机要进行准确的测试和评估,对于那些浪费能源、污染严重的用电设备予以取缔,对于节能不足的设备加以改造,以此达到节能降耗的目的。地方政府还应积极支持地方企业,让工厂引进新的节能电动机,采用高效节能的产品,提高工作效率。

3结束语

综上所述,节能降耗已经是当前工业有效发展的重要举措,同时也是发展经济的迫切需求。因此,我国应大力发展科技,借鉴国外优秀的经验,为解决我国能源短缺问题、能源供求紧张问题提供相应的技术支持,提出有效的战略措施。同时还要规范工厂的工作流程和用电设备,杜绝使用浪费资源的设备,更新节能降耗的电动机,采用高科技来改造设备,提高其工作效率,实现节能的目的。



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6、

电机的能耗等级分为几级,能效划分标准

电机的能耗等级分为几级,能效划分标准

电机是各种设备的动力驱动设备,常常应用在化工厂,煤矿,冶金,公用设施等多个行业和领域,是用电量最大的耗电机械。为了响应国家十二五计划,和企业自身经济利益考虑,节约用电,减少成本,选择一款高效节能电机是十分重要的。

但是我们在购买电机是却不知道他们的能效是如何划分的。那个如何判断电机的能效等级对我们来说就显得困难起来,不过经过我们下面的讲解,我们就会明白防爆电机的能效是如何划分了。

电机能效标准的划分标准在不同的时期按照国家的标准是不一样的,依据不同国家的标准也是不同的。仅以我们国家来说,电机能效等级的划分也是随着时间的变化会变化的。2006年我国发布了GB_18613-2006_电动机能效限定值及能效等级评定的标准。


GB_18613-2006_电动机能效限定值及能效等级

但是到了2012年,随着我国发展与国际化的同步,我们国家又发不了GB_18613-2012_电动机能效限定值及能效等级判断的标准,如下表


GB_18613-2012_电动机能效限定值及能效等级

我们不难看出在某些型号上会有下表的情况


就拿现在节能防爆电机YBX3来说,在GB_18613-2006_电动机能效限定值及能效标准中是一级能效,但到了GB_18613-2012_电动机能效限定值及能效等级标准中是二级能效。而YB2系列带电机在GB_18613-2006_电动机能效限定值及能效等级评定的标准中是二级能效类电机,但是按照2012的电机能耗划分标准,就属于三级能耗防爆电机了,属于高耗能电机。当然随着科技的发展,对防爆电机节能的要求的提高,能效标准可能还会变化的,不同时期判断方法的能效等级因此会不一样的。

现在我们以我们国家最新能效标准来说,目前按照GB_18613-2012_电动机能效限定值及能效等级划分标准要求,防爆电机的能效等级划分三级。其中一级能效是最节能的,二级能效防爆电机也是节能防爆电机,当然三级能效就不属于节能防爆电机了。当然在二级和二级以上的防爆电机(暂时一级能效三相异步防爆电动机国内还没有产品,YBX3是最佳选择)都是现在国家提倡使用的,有的地方国家会给予一定的政策补助。对于企业来说在节能用电上每年也会节约一大笔资金。



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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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