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注塑机伺服节能改造

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节能改造关注问答
1、

高压电机启动方式

电机容量小于电源容量且1000KW以下的可直接启动,这时的冲击电流是额定值的3-6倍(当然同步电机的直接启动指的是同低压的一样,先异后同等方法)。为了防止冲击电流过大,对于大电机必须考虑减少启动电流的启动方式:有串电抗启动,变频启动,液力偶合器启动等多种方式。有复杂有简单。

高压电机要实现调速,主要采用三种方式:

(1)液力耦合器方式。即在电机和负载之间串入一个液力耦合装置,通过液面的高低调节电机和负载之间耦合力的大小,实现负载的速度调节;

(2)串级调速。串级调速必须采用绕线式异步电动机,将转子绕组的一部分能量通过整流、逆变再送回到电网,这样相当于调节了转子的内阻,从而改变了电动机的滑差;由于转子的电压和电网的电压一般不相等,所以向电网逆变需要一台变压器,为了节省这台变压器,现在国内市场应用中普遍采用内馈电机的形式,即在定子上再做一个三相的辅助绕组,专门接受转子的反馈能量,辅助绕组也参与做功,这样主绕组从电网吸收的能量就会减少,达到调速节能的目的。

(3)高低方式。由于当时高压变频技术没有解决,就采用一台变压器,先把电网电压降低,然后采用一台低压的变频器实现变频;对于电机,则有两种办法,一种办法是采用低压电机;另一种办法,则是继续采用原来的高压电机,需要在变频器和电机之间增加一台升压变压器。



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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、

管道切割机控制中伺服电机的工作原理

在管道切割机控制系统中,测速辊和管编码器配合使用,将辊轮的角位移转化为电脉冲信号向PLC提供数字量信号,以转速的形式在人机界面中进行显示。

接近开关用于将切割焊枪移架路径限制在允许的范围内,防止切管长度设置错误,焊枪支架移位至丝杠固定端面并与之发生机械碰撞,对机构造成损坏。切割焊枪送气管道内置电磁球阀,由PLC控制接触器的开关状态,实现送气阀的开启与关闭。

焊枪定位杆架上安装有位移传感器,启动丝杠电机,减速器带动丝杠旋转。同时,焊枪定位杆架开始沿平行于管道轴线方向向前(后)移动,当其移动到接近管道一端面时,关闭丝杠电机。调整焊枪枪头至管道端面合适切割点位置,设置传感器初始位移为0,完成切割焊枪的初始化定位工作。

在人机界面中设定好托辊转速以及管道切割长度,经PLC运算指令线性运算后自动转化为伺服电机设定的脉冲数。工作时,伺服电机每接受一个脉冲就会旋转一定角度。与此同时,伺服电机每旋转一个角度,都会发出对应数量的脉冲,和伺服电机接受的脉冲形成闭环控制。从而控制丝杠转动圈数和主动托辊的转速,达到精确控制切割焊枪每次移位距离和所切割管道转速距离。



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4、

直流无刷电机中输入脉冲的分析

有限转角直流无刷电机的输入为脉冲宽度调制(PWM),凭借改变PWM的占空比来改变流经电机电流的方向,以此来改变电机的转速与转向,由于加在电机电枢上的是PWM波形,即一系列方波形式的电压波形,所以建模首要的一步就是如何将PWM波与电机正常运转时电枢两端的电压、电机电流、电机旋转角速度以及电机旋转角度等建立联系。

模型主要由3个主要的处理模块组成,即PWM解析模块,电流计算模块以及角度计算模块。

电机的输入激励信号都是标准直流或交流电压信号,而在这里有限转角直流无刷电机的输入激励信号是PWM方波,因此建模的首要任务是如何建立PWM方波信号与电机电枢两端电压的关系,这也是整个建模的难点。

由于PWM是靠改变自身高低电平的占空比来控制电流的正负以及电机的正反转,所以经过综合考虑,决定采用对输入PWM提出了进行采样并计数的方法建立PWM与电机电枢两端电压关系的建模新思路,定时进行计数值的存储与计数值的清零。一般来说,采样时钟频率大约为PWM时钟的6-10倍,即每个PWM周期要采样6-10次,以保证采样精度。




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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、

工业电机控制系统

电机消耗的能量几乎占全球电力的50%。随着能源成本的持续上涨,业内开始采用微处理器调速驱动器替代效率低下的固定速率电机和驱动器,这种新型电机控制技术与传统驱动器相比,能够使能耗平均降低30%以上。虽然调速电机提高了系统本身的成本,但是,考虑到电机能够节省的能量以及所增加的功能,只需短短几年即可挽回最初的投资成本。


通用电机设计

直流电机、无刷直流和交流感应电机是当今工业应用设计中最常见的电机。尽管每种类型的电机都有独特的性能,但基本工作原理类似。当一个导体通电时,例如线圈绕组,如果导体处于一个与其垂直的外部磁场内,导体将会受到一个与自身和外部磁场垂直的力。

直流电机:低成本和高精度驱动性能

直流电机是最先投入使用的电机类型,目前仍然以低开发成本和卓越的驱动性能得到普遍应用。在最简单的直流电机中,定子(即电机固定部件)为永久磁铁,转子(即电机的转动部件)上缠绕了电枢绕组,电枢绕组连接到机械换向开关,该开关控制绕组电流的导通和关闭。磁铁建立的磁通量与电枢电流相互作用,产生电磁扭矩,从而使电机做功。电机速度通过调整电枢绕组的直流电压进行控制。

根据具体应用的不同,可以采用全桥、半桥或一个简单的降压转换器驱动电枢绕组。这些转换器的开关通过脉宽调制(PWM)获得相应的电压。Maxim的高边或桥式驱动器IC,例如:MAX15024/MAX15025,可以用来驱动全桥或半桥电路的FET。

直流电机还广泛用于对速度、精度要求很高的伺服系统。为了满足速度和精度的要求,基于微处理器的闭环控制和转子位置非常关键。Maxim的MAX9641霍尔传感器能够用于提供转子的位置信息。

交流感应电机以简单、坚固耐用而著称,被广泛用于工业领域。最简单的交流电机就是一个变压器,原级电压连接到交流电压源,次级短路承载感应电流。“感应”电机的名称源于“感应次级电流”。定子载有一个三相绕组,转子设计简单,通常被称为“鼠笼”,其中,两端的铜或铝棒通过铸铝环短路。由于没有转子绕组和碳刷,这种电机的设计非常可靠。

工作在60Hz电压时,感应电机恒速运转。然而,当采用电源电路和基于微处理器的系统时,可以控制电机速度变化。变速驱动器由逆变器、信号调理器和基于微处理器的控制器组成。逆变器采用三个半桥,顶部和底部切换以互补方式控制。Maxim提供多种半桥驱动器,如MAX15024/MAX15025,可独立控制顶部和底部FET。



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7、

异步电动机软启动的特点

电动机作为重要的动力装置,已被广泛用于工业、农业、交通运输、国防军事设施以及日常生活中。直流电动机其调速在过去一直占统治地位,但由于本身结构原因,例如换向器的机械强度不高,电刷易于磨损等,远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。而交流电动机,特别是三相鼠笼式异步电动机,由于其结构简单、制造方便、价格低廉,而且坚固耐用,惯量小,运行可靠等优势,在工业生产中得到了极广泛的应用,也正在发挥着越来越重要的作用。


交流电动机和直流电动机相比存在许多优点,但当异步电机在起动过程中又有许多弊病。所谓起动过程是在交流传动系统中,当异步电动机投入电网时,其转速由零开始上升,转速升到稳定转速的全过程。如不采用任何起动装置的情况下,直接加额定电压到定子绕组起动电动机时,电机的起动电流可达额定电流的4~8倍,其转速也在很短时间内由零上升到额定转速。同时三相感应电动机起动时的转矩冲击较大,一般可达额定转矩的两倍以上。

起动时过高的电流一方面会造成严重的电网冲击,给电网造成过大的电压降落,降低电网电能质量并影响其他设备的正常运行。而过大的转矩冲击又将造成机械应力冲击,影响电动机本身及其拖动设备的使用寿命。因此,通常总是力求在较小的起动起动电流下得到足够大的起动转矩,为此就要选择合适的起动方法。在选择起动方法时可以根据具体情况具体要求来选择。

对三相鼠笼式异步电动机的起动电流的限制,通常有定子串接电抗器起动、Y-△起动、自藕变压器将压起动、延边三角形起动。而对绕线式交流电动机,常采用转子串接频敏变阻器起动、转子串电阻分级起动。但这些传统的起动方法都存在一些问题。

1.定子串接电阻起动:由于外串了电阻,在电阻上有较大的有功损耗,特别对中型、大型异步电动机更不经济,因此在降低了起动电流的同时、却付出了较大的代价—起动转矩降低得更多,一般只能用于空载和轻载。

2.Y--△起动:丫一△起动方法虽然简单,只需一个Y一△转换开关。但是Y--△起动的电动机定子绕组六个出线端都要引出来,对于高电压的电动机有一定的困难,一般只用于△接法380v电动机。

3.自祸变压器将压起动:自祸变压器将压起动,比起定子串接电抗器起动,当限定的起动电流相同时,起动转矩损失的较少;比起卜△起动,有几种抽头供选用比较灵活,并且巩/峨较大时,可以拖动较大些的负载起动。但是自祸变压器体积大,价格高,也不能拖动重负载起动。

4.延边三角形起动:采用延边三角形起动鼠笼式异步电动机,除了简单的绕组接线切换装置之外,不需要其他专用起动设备。但是,电动机的定子绕组不但为△接,有抽头,而且需要专门设计,制成后抽头又不能随意变动。

随着电力技术(尤其是集成电路、微处理器以及新一代电力电子器件)的不断发展,异步电动机起动过程中的起动电流过高,起动转矩过小等问题得到了很好的解决。

电子软起动器相对于传统的起动方式,其突出的优点体现在:

1.电力半导体开关是无电弧开关和电流连续的调节,所以电子软起动器是无级调节的,能够连续稳定调节电机的起动,而传统起动的调节是分档的,即属于有级调节范围。

2.冲击转矩和冲击电流小。软起动器在起动电机时,是通过逐渐增大晶闸管的导通角,使电机起动电流限制在设定值以内,因而冲击电流小,也可控制转矩平滑上升,保护传动机械、设备和人员。

3.软起动器可以引入电流闭环控制,使电机在起动过程中保持恒流,确保电机平稳起动。

4.根据负载情况及电网继电保护特性选择,可自由地无级调整至最佳的起动电流,节省电能。

5.由于采用微机控制,可在起动前对主回路进行故障诊断,且数字化的控制具有较稳定的静态特性,不易受温度、电源电压及时间变化等因素的影响,因此提高了系统的可靠性,有助于系统维护.

同时,软起动器还能实现直接计算机通讯控制,为自动化控制打下良好的基础。



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8、

电力拖动的虚拟实验技术探讨

随着社会经济的发展,以及人们素质的普遍提高,社会对人们的要求也日益提高。但是由于种种方面的限制,诸如资金的不足,实践活动的缺乏等种种因素,导致实际操作能力与创新能力缺乏。而虚拟实验技术的引用能够大大缓解以上种种因素的限制。具体到电力拖动的虚拟实验技术当中,MATLAB等软件的运用,成为了虚拟实验开发与创新技术培养的全新方式。

1虚拟实验

1.1概述

虚拟实验是在计算机仿真基础上发展起来的一项应用技术。利用计算机的强大功能可虚拟仿真实际的物理系统。众多计算机仿真软件的不断被研发出来,并应用于科研技术设计之中,做出了极为巨大的贡献。PISPCE和MATLAB是当今较为常见的计算机仿真软件,其中MATLAB是虚拟实验的主要开发软件。

1.2优势

在如今大多电机课程实验设备条件下,运用直流电机作为调速对象,仅仅只能开出直流调速系统实验。传统实验虽然拥有众多优势,但是劣势也显而易见,诸如体积巨大,维护繁琐,故障频出,购置需要大量资金等。同时在培养方面也具有巨大局限,如容纳人数的数量方面受到限制,对实验计划和方案制定会提出很高的要求,容错率很低,难以满足人才培养的需求。因此,由于传统实验存在的种种不足,衬托出了虚拟实验多种优势。基于计算机平台上的虚拟实验技术将以上劣势化为优势,对仪器和设备几乎没有需求,同时节省资金和空间。

2具体运用

通过在计算机外接设备上的点击与拖动,将虚拟的各种仪器,按实验的目标与步骤整合成一个完整实验系统的过程,就是虚拟实验。而实验条件的变动,数据的收集汇总,实验结果的分析归纳三个方面全部完成,才意味着整个实验的达成。本文以带有RLC滤波器的交流电机变频调速实验作为实例,实验中包括电机、电力电子、驱动控制三个方面,分析虚拟实验的强大作用,并与传统实验进行比较。

2.1模型的建立

将电压源型逆变器、电动机主回路以及RLC滤波器通过使用MATLAB中PSB库中的元件模型完成建立。一般出现超过功率变换电路的情况,并产生多环节控制,多信号反馈,多非线性环节的特征,说明控制电路规模较大,需要大量运用集成电路。但是,基于对电路的控制,其输入输出特性是我们研究所要了解的主要目标,而其内部的电压与电流则是可有可无的旁枝末节,导致无法使用虚拟实验来进行电路的控制。所以想要实现仿真的方式,可以通过SIMULINK数学函数进行SPWM的调制电路模型的驱动控制。而右图即为所示。

2.2模型参数的构建

通过鼠标对元件图标的点击,在出现的参数设置对话框输入诸如电机的额定电压、功率、频率、转动惯量和定转子数据等各种必要参数。通过滤波效果进行滤波器的RLC参数的设计与运算。在接收变频调速的恒压频比所产生的调制信号之后,通过SPWM调制和驱动模块内部函数的计算,再与设计的三角载波进行比较。

2.3设置仿真模型

设置仿真参数是在仿真模型开始之前必须完成的步骤。包括对开始与终止的时间、步长以及解电路运算方式等仿真类型和相对与绝对的误差等方面进行设置。较快模拟速度的得出需要使用如ode23tb、ode15s这样的刚性系统的参数运算方式。同时,MATLAB软件参数锁设定的虚拟时间与现实的时间并不一致,只是一种对于时间流逝的表现手段。若是缩小步长,则会造成采样点数的增加,使得现实中的执行时间变长。

2.4实验成果观测验证参数设计以及电路结构是否合理,是虚拟实验的主要目标。而上述实验能够经过观测器观测电机速度的变化方式与电压的波形,并依靠给定频率的大小,在进行理论的分析之后,对结果的正确性进行判断。而下面两图中的前者是电机转速的变化图,后者则是在固定的载波频率与固定的调制频率之下的逆变器输出线电压幅度频谱。两张图示将谐波各次的大小、总谐波的有效值和基波有效值三个方面十分明了的展示出来。由于电机的运行效率和机器寿命受到谐波的影响,因此,为了减少电机受高次谐波损害,将RLC滤波器安装于电机与逆变器的中间成为了有效的解决方法。总谐波畸变率在经过RLC参数的设计与电机端电压频谱的观测之后可以保持在10%之下。

2.5实验结果总结

由上面的实验可以得知,作为旋转机械的电机设备,作为是大功率电力开关的逆变器设备等传统实验设备,存在损耗高、构建繁琐、危险性强、价格昂贵等种种弊端。因而既可以对已有系统展开研究又能对处于构想中的设备进行探索,虚拟实验展现了极为显着的优越性。比如上述实验中,在模型库中虽然并不存在满足观测要求的频谱分析仪,但是在运用MATLAB函数展开构建之后,使不可能成为了可能。而虚拟实验的自定义、自主性强的特点,成为了其另一个巨大的优势。同时,虚拟实验具有良好的通用性、与其他系统开展数据交换的便利性以及升级与扩展的成长性,使其在实验数据的分析处理方面显得极为高效迅速。

3结束语

虚拟实验的优越性,通过上文的分析与具体的实验体现的淋漓尽致。但是,十全十美的系统终归是不存在的,虚拟实验尽管在各个方面上都具有显着的优势,然而也无法取代传统实验。建立极为准确的数学模型,始终是虚拟实验仿真技术中的一个难关,各种限制会使之与实际情况产生差异,这也是传统实验存在的必要性体现。因此,只有现实实验与虚拟实验相互配合,才会使电力拖动等电子电路设计技术得以真正的进步与发展。



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9、

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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