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节能节电行业乘风破浪前行者:徕卡节能电气

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节能改造关注问答
1、

电机星三角启动原理

电机星三角启动原理就是对电机的三相绕组在启动时和正常运转时施加的不同的电压,来降低电机启动时的冲击电流。在启动时对电机绕组施加的是星形接法的电源,就是将电源的三条火线分别与电机三个绕组的一个端点相连,将电机三个绕组的另一个端点同时与电源的零线相连,在这种接法下,电机每个绕组所承接的电压就是220V。由于施加的电压较低,所以启动时的电流会比较小点,减少了对电网的冲击,电机也比较容易启动。当电机启动基本正常后,它的工作电流与启动时相比会大幅减少,这时由控制电路通过时间继电器和接触器的转换,将电机三个绕组改成首尾相连,形成所谓三角形连接,并将三角形的每个“角”与电源的三条火线相连,这时电机绕组中所受到的电压变成了380V,电机就能满负荷工作。这就是星三角启动的基本原理。

电机星三角启动原理图

合上电源开关QS后,按下启动按钮SB2,接触器KM和KM1线圈同时获电吸合,KM和KM1主触头闭合,电动机接成Y降压启动。与此同时,时间继电器KT的线圈获电,KT动断(常闭)触头延进断开,KM1线圈断电释放,KT动合(常开)触头延时闭合,KM2线圈获吸合,电动机定子绕组Y自动换接成△,时间继电器KT的触头延时动作时间,由电动机容量及启动时间的快慢等决定。

电机星三角启动原理图解释



L1/L2/L3分别表示三根相线;

QS表示空气开关;

Fu1表示主回路上的保险;

Fu2表示控制回路上的保险;

SP表示停止按钮;

ST表示启动按钮;

KT表示时间继电器的线圈,后缀的数字表示它不同的触点;

KMy表示星接触器的线圈,后缀的数字表示它不同的触点;

KM△表示三角接触器的线圈,后缀的数字表示它不同的触点;

KM表示主接触器的线圈,后缀的数字表示它不同的触点;

U1/V1/W1分别表示电动机绕组的三个同名端;

U2/V2/W2分别表示电动机绕组的另三个同名端;

为了叙述方便,将图纸整理了一下,添加了触点的编号。整理后的图纸见附图。

合上QS,按下St,KT、KMy得电动作。

KMY-1闭合,KM得电动作;KMY-2闭合,电动机线圈处于星形接法,KMY-3断开,避免KM△误动作;

KM-1闭合,自保启动按钮;kM-2闭合为三角形工作做好准备;kM-3闭合,电动机得电运转,处于星形启动状态。

时间继电器延时到达以后,延时触点KT-1断开,KMy线圈断电,KMY-1断开,KM通过KM-2仍然得电吸合着;KMY-2断开,为电动机线圈处于三角形接法作准备;KMY-3闭合,使KM△得电吸合;

KM△-1断开,停止为时间继电器线圈供电;KM△-2断开,确保KMY不能得电误动作:KM△-3闭合是电动机线圈处于三角形运转状态。

电动机的三角形运转状态,必须要按下SP,才能使全部接触器线圈失电跳开,才能停止运转。



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2、

直流电机与交流电机的区别

直流电机与交流电机之间的区别当然就是驱动电源的种类不同嘛,一个是直流,一个是交流。

直流电机的定子是一个固定磁场,直流电通过转子的电刷在其周围形成变化的磁场,从而在定子内转动。在工业企业中,由于直流电源相对比较可靠,直流电机一般用于要求能够可靠运行的备用机械或保安机械;而由于直流电机随着输入电压的变动转速也能变动,所以需要经常调速的地方采用直流电机也不少,如电车、电力机车等等。

交流电机是定子所形成的旋转磁场在转子上感应出电势后产生的旋转动力。其转速一般固定。但由于其结构简单,供电方便,所以大量使用于各种企业及家庭中。小至家用洗衣机、吸尘器,大到巨型水泵、机床等等,都使用交流电机。

由于交流比较容易获得,比较容易输送,所以目前我们所使用的电动机械大部分都是交流电机所驱动的。



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3、

什么是有刷电机?什么是无刷电机?

电机工作时,线圈和换向器旋转,磁钢和碳刷不转,线圈电流方向的交替变化是*随电机转动的换相器和电刷来完成的。在电动车行业有刷电机分高速有刷电机和低速有刷电机。有刷电机和无刷电机有很多区别,从名字上可以看出有刷电机有碳刷,无刷电机没有碳刷。

1、有刷电机电机工作时,线圈和换向器旋转,磁钢和碳刷不转,线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的。在电动车行业有刷电机分高速有刷电机和低速有刷电机。有刷电机和无刷电机有很多区别,从名字上可以看出有刷电机有碳刷,无刷电机没有碳刷

2、无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成,是一种典型的机电一体化产品。由于无刷直流电动机是以自控式运行的,所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组,也不会在负载突变时产生振荡和失步。

3、有刷电机是传统产品,性能比较稳定。

无刷电机是升级产品,其寿命性能比有刷电机好。但其控制电路比较复杂,对元件的老化筛选要求比较严格。虽然电机寿命长但控制电路容易出毛病。因此选用无刷电机要经过严格的可靠性试验以确保质量。,但是随着技术的不断升级几步,无刷电机技术已经相当成熟。

4、在实际生产过程中,由于有刷有齿直流电机是高速电机,齿轮的齿很小,易磨损,但力量大,爬坡能力强。而无刷直流电机,在使用过程中省去了二、三年换碳刷的麻烦。但由于在控制无刷电机的过程,要求精度极高。而且,无刷电机控制器的价钱也较高。相比之下有刷无齿的直流电机,虽然要更换碳刷,但更换碳刷是十分容易的,而且电机的控制较为简单,电机运转平稳,安全系数高。

5、有刷电机是指电机是直流电输入,控制它的控制器只给它提供大小电流就可以调速了;而无刷电机其实就是个三相交流电机,靠控制器把直流电转换成三相交流电,并根据电机里的传感器霍尔元件进行换相使电机正常运转。直接来说,无刷电机比有刷电机寿命长、起步有劲省电,但是控制器却比有刷控制器成本高。目前,现在的都是无刷控制器,有刷的已经基本淘汰了。电动车控制器是用来控制电动车电机的启动、运行、进退、速度、停止以及电动车的其它电子器件的核心控制器件,它就象是电动车的大脑,是电动车上重要的部件。



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4、

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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5、

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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6、

水泵电机在使用过程中的节能方法

电机是生产中很重要的动力装置,在生产生活中的左右不言而喻,同时再电机的使用过程中,如何节能也是人们普遍关心的一个问题,下面就谈一谈水泵电机在使用过程中有哪些节能方法。

1.大马拉小车

当电动机的负荷率小于0.4时,应调整电动机的功率大小,更换小于原装电动机功率一级,把电动机的负荷率调至0.6~0.7左右为宜。

2.采用尼龙平皮带用尼龙平皮带来替换三角橡胶带

简单易行,技术上无特殊要求,只需进行简易计算,更换一副皮带轮即可。若条件允许,把电动机的间接传动,改为直接传动的水泵,可提高效率2~3%.

3.更换节能电动机

①应用Y系列(基本系列)电动机

采用Y型节能电动机,取代60年代J2、JO2产品。采用国际标准,提高效率水平,和堵转转矩,缩小体积,增加对电流噪声,振动的控制,而且还有结构合理,选型美观,通用性好,寿命长等特点。

②采用YX(派生系列)高效率电动机

该系列属低损耗,高效率电动机,机座中心高为H100-H280;功率范围为1.5kW-90kW;极数2、4、6.比Y系列电动机效率平均提高3%,损耗平均下降28.6%,与目前国外高效率电动机水平相当。不过这类电动机售价比Y系列高30%.此种电动机值得年运行时间长,负荷率高的纺织、化工、风机、水泵等选用。

4.水泵电动机的节能改造

①更换为节能风扇电机的通风损耗占总损耗的很大比例,因此,最大限度地降低通风损耗,对节能会有明显的效果。而且对JO2来讲,改造外风扇与风罩不需变动内部任何部件。

②用磁性槽泥(简称CC材料或磁泥)替换普通槽楔,填平电动机定子铁心槽口趋于平滑,经固化后,且与糟壁结合牢固,而成磁性槽楔。从而改善电机槽齿效应,降低了铜、铁、机械、杂散等损耗,给耗能电动机的改造提供了节电新途径。

5.采用较大截面的导线

采用较大截面导线后,不仅处于轻载运行状态,寿命也会大大延长,节电效果显着(采用铜芯电缆等法)。

6.注意轴承和绕组的清洁和润滑

轴承合理润滑与绕组的清洁正确地安装和良好地维护,能使电动机在运行中节能。

润滑脂过量或劣质,会增加摩擦损耗,降低效率;并会使油甩到绕组上,损坏绕组。因此,检修时应适当填充润滑脂,并采用优质锂基润滑脂。与此同时,还要防止潮气和有害气体侵入电动机内部,保持绕组温度在零度以上。

7.采用无功功率自动补偿

水泵电动机的负荷是感性的,其电流矢量滞后于电压矢量。这类负载消耗有功功率外,还消耗无功功率,而消耗无功功率大于有功功率。提高cosφ的办法,是在负载两端并联与感抗性质相反的电容器,用容性无功功率(负的)来抵消感性无功功率(正的)。实际上,电感和电容器中的无功功率波动过程恰好互差180°。即电感线圈吸收能量时,正好电容器释放能量,而电容器吸收能量时(充电过程),正好线圈释放能量。由于并联电容器具有这一特点,被广泛运用在输、变、配等电器设备中提高力率。

补偿方法:在无功功率自动补偿应用中,得出经验公式:电容器的无功运行电流,为电动机负载运行电流的56%.

8.采用S10型节能变压器

电动机力率的提高直接关系到电力变压器的容量型号的合理选用,和无功补偿等诸因素的制约,因此,从节电角度来看。重要的是应尽快以S7、SL7、SZ7、SLZ7系列10~35kV级变压器,取代SL及SL1系列耗能变压器、采用45°全斜接缝,无冲孔,玻璃纤维带绑扎,铁芯选用优质晶粒取向冷扎硅钢片。绕组导线选用缩醛漆包线。以及片状散热器等新材料、新结构、新工艺,它与相同等级老型号变压器相比,具有损耗低,体积小,重量轻,节约电能,节省运行电费等优点。

9.水泵的选择,调试与维修

用电动机驱动水泵工作机是一个整体系统。工作机效率的高低,将直接影响电动机耗电的多少。水泵的运行效率与其规格大小,流速、流量、转速等各项数据是相互关联的,应合理选择,定出个既满足生产要求,而又获得最佳效率的工作条件。定期调试叶轮的平衡与提高它的光洁度,调整轴向间隙及更换口环,改进进出水管道,减少弯头数量,拆除多余的叶轮等。定时清洗上油,否则,摩擦阻力增大,导致耗电增加。

10.健全节约用电组织措施

节约用电涉及的面很广,有思想问题、方法问题。技术问题,需要各方面的配合,因此,必须十分重视管理、包括制定耗电定额,奖惩条件,定期对电器设备维修和测试。对耗电多的设备进行改造,推广运用节电新产品,建立健全能源设备档案管理制度等。为此必须建立、强化节电管理机构特别是广大小型城乡企业的能源部门。应认真进行整顿和加强,切实负责。



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7、

在安装电机及改向滚筒时测量筒体与机架侧壁的垂直度

当皮带存在“喇叭口”现象时,皮带两侧的松紧度不一致,沿宽度方向上所受的牵引力Fq也就不一致,这样就会使皮带附加一个向递减方向的移动力Fy,导致皮带向松边一侧跑偏。当调偏辊安装出现误差时,会使皮带向先接触辊筒的那一侧方向跑偏。皮带向前运行时给调偏辊一个向前的牵引力Fq,这个牵引力分解为使调偏辊转动的分力Fx和一个横向分力Fy,这个横向分力使调偏辊轴向窜动,但调偏辊是无法轴向窜动的,它就会对皮带产生一个反作用力Fa,使皮带向另一侧移动,从而导致了跑偏。

当皮带内织物纹路在加工中出现误差,造成纹路偏转,或驱动滚筒表面呈鼓型,但鼓型不对称,且车削纹向两端为同向,则皮带会因此发生跑偏。皮带跑偏的解决方案,输送机机架加工误差或电机、改向滚筒安装有误差造成的皮带跑偏,要在机架的设计及加工时保证尺寸准确,安装前测量机架的对角线尺寸,保证误差不大于2mm。在安装电机及改向滚筒时测量筒体与机架侧壁的垂直度,误差过大时可在安装处增加垫片等措施来减小皮带的跑偏程度。

当皮带存在“喇叭口”现象造成的跑偏,要在皮带检验时严把质量关,将一些尺寸误差加大的皮带剔除出去。如果是输送机运行时间过长造成的皮带老化变形、边缘磨损等原因而产生了“喇叭口”的现象,需要对改向滚筒张紧处或张紧辊筒进行调整,使得皮带两侧的松紧程度尽量一致,减缓皮带的跑偏。但是张紧里不宜调整过大,以影响皮带及输送机各滚筒轴承的寿命。



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8、

电动机轴电流的分析

轴电流的危害

在电动机运行过程中,如果在两轴承端或电机转轴与轴承间有轴电流的存在,那么对于电机轴承的使用寿命将会大大缩短。轻微的可运行上千小时,严重的甚至只能运行几小时,给现场安全生产带来极大的影响。同时由于轴承损坏及更换带来的直接和间接经济损失也不可小计。

轴电压和轴电流的产生

轴电压是电动机两轴承端或电机转轴与轴承间所产生的电压,其产生原因一般有以下几种:

(1)磁不平衡产生轴电压

电动机由于扇形冲片、硅钢片等叠装因素,再加上铁芯槽、通风孔等的存在,造成在磁路中存在不平衡的磁阻,并且在转轴的周围有交变磁通切割转轴,在轴的两端感应出轴电压。

(2)逆变供电产生轴电压

电动机采用逆变供电运行时,由于电源电压含有较高次的谐波分量,在电压脉冲分量的作用下,定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生电磁感应,使转轴的电位发生变化,从而产生轴电压。

(3)静电感应产生轴电压

在电动机运行的现场周围有较多的高压设备,在强电场的作用下,在转轴的两端感应出轴电压。

(4)外部电源的介入产生轴电压由于运行现场接线比较繁杂,尤其大电机保

护、测量元件接线较多,哪一根带电线头搭接在转轴上,便会产生轴电压。

(5)其他原因

如静电荷的积累、测温元件绝缘破损等因素都有可能导致轴电压的产生。轴电压建立起来后,一旦在转轴及机座、壳体间形成通路,就产生轴电流。

轴电流对轴承的破坏

正常情况下,转轴与轴承间有润滑油膜的存在,起到绝缘的作用。对于较低的轴电压,这层润滑油膜仍能保护其绝缘性能,不会产生轴电流。但是当轴电压增加到一定数值时,尤其在电动机启动时,轴承内的润滑油膜还未稳定形成,轴电压将击穿油膜而放电,构成回路,轴电流将从轴承和转轴的金属接触点通过,由于该金属接触点很小,所以这些点的电流密度大,在瞬间产生高温,使轴承局部烧熔,被烧熔的轴承合金在碾压力的作用下飞溅,于是在轴承内表面上烧出小凹坑。一般由于转轴硬度及机械强度比轴承烧熔合金的高,通常表现出来的症状是轴承内表面被压出条状电弧伤痕。

轴电流的防范

针对轴电流形成的根本原因,一般在现场采用如下防范措施:

(1)在轴端安装接地碳刷,以降低轴电位,使接地碳刷可靠接地,并且与转轴可靠接触,保证转轴电位为零电位,以此消除轴电流。

(2)为防止磁不平衡等原因产生轴电流,往往在非轴伸端的轴承座和轴承支架处加绝缘隔板,以切断轴电流的回路。

(3)为了避免其他电动机附件导线绝缘破损造成的轴电流,往往要求检修运行人员细致检查并加强导线或垫片绝缘,以消除不必要的轴电流隐患。

一般通过以上处理,大多电动机的轴电流微乎其微,已对电动机构不成实质上危害。现场实践证明,经上述方式处理后实际使用寿命可由原几十个小时提高到上万小时,效果比较明显,尤其对高压电动机轴电流的防范效果好,对安全生产具有积极作用。



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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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