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注塑机伺服节能改造

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液压系统运行状况分析,如何进行节能改造

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钢铁冶金行业节能改造工程项目

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节能改造关注问答
1、

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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2、

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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3、

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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4、

异步电动机转矩控制软起动仿真

软起动技术有利于改善异步电动机起动过程中产生过大电流问题,本文详细分析、比较了变频、液阻和晶闸管串联等软起动方法的特点,采用晶闸管串联技术和转矩控制策略,实现异步电动机固态软起动。利用MATLAB/SIMULINK对转矩控制闭环系统建立了仿真模型并进行了仿真实验,仿真结果表明采用转矩控制方式,软起动装置能够很大程度地降低起动转矩和起动电流,能够很好地控制异步电动机的启动过程。


1引言

鼠笼式异步电动机在全压直接起动时,起动电流可以达到额定电流的5-7倍,会造成电动机绕组因过流引起过温,从而加速绝缘老化。同时,硬起动造成的过电流也势必会造成电网电压急剧下降,影响其他电力设备的正常使用,且电网电压的急剧下降,使起动转矩减小,有造成起动失败的可能性。异步电动机降压起动目前应用比较普遍的有:串电阻或者串电抗起动、Y—△起动。自藕变压器降压起动等方法。这些传统降压起动方法很大程度上缓解了大容量电机在相对较小容量电网上起动时的矛盾,但是它们只是降低起动电流冲击,并没有从本质上解决问题,而且还造成起动转矩同时在减小,在切换瞬间还会产生二次冲击电流。近年来,随着电力电子技术的发展,使无电弧开关和连续调节电流成为可能。为电动机的起动提供了全新的思路,从而出现了电机软起动技术。晶闸管串联式的高压软起动器应运而生,如美国的BS公司。英国的CT公司。法国的TE公司、瑞典的ABB公司等软起动器系列产品已成为市场的主流。其中美国的BS公司采用晶闸管串联技术生产的重压6~13.8KV软启动器,最大功率可以达10MV。国内的中源ZY—FR1000系列软启动器性能达到国际先进水平,湖北省万洲电气有限公司WGQH系列高压固态软启动器也具有国内先进的水平。

2软起动方法

2.1变频启动

变频器用于交流电机起动,起动电流小、起动力矩大、调速曲线平滑调速范围大、运行平稳,起动速度快,是交流电机理想的起动方式。但是,高压变频器更适用于需要调速的电机系统,且价格高昂,单纯做软起动装置使用太浪费。

2.2液阻式降压软起动

2.2.1液阻软起动

液阻式一种由电解液形成的电阻,起到点本质是离子导电。电解液中有两个导电极板,即固定板和动级板,伺服系统控制动级板得距离来改变起动电阻值。

2.2.2热变电组软起动

与液阻的主要区别在于电机不动,热变电阻呈现明显的负温特性。

液阻式软起动装置的不足时电机起动时,液体电阻发热,要消耗一定的电能,且不适合频繁起动场合。但因其投资少,性能好(无级控制,热容量大),不会产生谐波影响电网,使用于高压发大功率和重载起动。

2.3磁饱和电抗软起动

磁饱和电抗器的等效电抗值是可控的,它利用铁心的饱和特性,通过改变直流励磁改变其电抗参数,可以实现电流闭环控制,且可实现软停车。与高压晶闸管软起动相比,其缺点是控制快速性比较差,噪声较大,也会产生一定的高次谐波。

2.4开关变压器软起动

用开关变压器隔离高压和低压,通过改变其低压绕组上电压来改变高压绕组上的电压,从而达到改变电机端电压的目的,以实现软起动。不必采用晶闸管串联技术,可靠性大大提高,且谐波很小。此外,电压电流可全范围调节。可构成闭环控制,时间常数小,反应迅速。

2.5晶闸管串联软起动调压电路,

在高压电网和电动机之间接入反并联晶闸管通过控制晶闸的触发角进行斩波,起到调压作用。由于单只晶闸管还不足以高压,所以采用串联技术,例如在设计6KV高压软起动装置的时候功率单元常采用3只晶闸管串联的方式提高耐压值。该系统对均压电路、触发电路的性能要求较高,对元器件参数的一致性要求比较高。可实现输出电压连续可调,能完全免除对电网和电动机及机械设备的冲击。

综上所述,晶闸管具有体积小、实现软启动停容易能量损耗小、启动方式多样化等特点。同时,多个晶闸管串联,需要解决同步触发、均压、均流等技术关键。




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5、

初探起重机电机拖动系统的负载跟踪

在我国科学技术不断发展的今天,各种重型设备的应用性不断增强。起重机作为一种常见的、有效应用的设备,其可以有效的抬起重物,大大节省人力劳动。当然,要实现起重机长期稳定、安全、高效的应用,并不是非常容易的,需要对起重机电机拖动系统的负载跟踪予以合理的设计,有效的控制电机拖动系统,促使电机可以保持相对稳定的状态,为使起重机更好的运行创造条件。对此,本文就起重机电机拖动系统的负载跟踪进行分析和探讨。

引言:

起重机属于起重机械中的一种,其同时也是一种循环间歇运动的机械。对于起重机的应用,主要是将重物提起,将其平移到指定地点后降落物品,紧接着做反向运动,进行下一个重物的运输。起重机整个运作过程中,起重机电机拖动系统发挥巨大作用,其直接决定起重机能否将重物提起,并稳定的放在指定位置。当然,起重机电机拖动系统在具体运用的过程中容易受某些因素的影响,促使电机拖动系统运行不稳定,并且浪费电能。所以,加强起重机电机拖动系统的负载跟踪进行设计,有效的控制电机拖动系统,可以提升起重机电机拖动系统应用性。本文将从起重机电机拖动系统的力学方程分析展开,系统的探究起重机电机拖动系统的负载跟踪设计。

一、起重机电机拖动系统的动力学方程分析

对于起重机电机拖动系统的动力学方程的分析,需要结合起重机起升机构电机拖动系统图,依据相关的动力学原理,科学地、合理地分析,才能够详细地掌握整个起重机电机拖动系统的动力学方程,为后续准确的分析。设计起重机电机拖动系统的负载跟踪提供条件。对此,本文笔者参照某型号起重机起升机构电机拖动系统示意图(如图一所示),展开具体的分析。从图一可以知道分别为中间轴、卷筒、滑轮的传统效率。假设为起重机吊重物起升的速度、为起重机所吊重物的质量、为起重机吊具的质量、为起重机电机转子转动惯量、为制动轮和联轴器的转动惯量。根据动力学相关理论,可以得到关于起重机吊具上钢丝绳张力的公式,即:

在对起重机吊具上钢丝绳张力进行公式计算的过程中,因为是以动力学相关理论为基础,所以本文仅考虑吊具在提重物上升过程中所消耗的电能,对于其他因素所引起的能量消耗在此予以忽视。

二、起重机电机拖动系统的负载跟踪设计

综合上文起重机电机拖动系统的动力学方程式,对于起重机电机拖动系统的负载跟踪的设计主要是利用坐标轴分析的,这可以更为直接的分析电机拖动系统的负载跟踪,为实现起重机电机拖动系统可以稳定、有效应用创造条件。

对于起重机电机拖动系统的负载跟踪的设计,首先设计电机静止正交坐标系与旋转坐标系(如图三所示)。假设电机静止正交坐标系和以定子同步角速度,旋转得到两相旋转正交坐标系MOT,其中M轴与轴夹角为,且。那么,TM坐标系上电机转子磁链的矢量,将会与M轴某一点相交,从而可以实现整个系统的同步旋转。另外,由于在起重机电机拖动系统持续运作的过程中,电机转子磁链的矢量将会一直同M轴相交,这就意味着,转子磁链值与电子转子磁链矢量相等。

利用以上内容完成整个起重机电机拖动系统的负载跟踪设计。为了可以更加准确的、有效的、合理的、科学的完成起重机电机拖动系统的负载跟踪设计,笔者在此引入基于转差角频率的矢量变频控制系统原理图(如图四所示)。从转差角频率的矢量变频控制系统原理图可以了解电机转速计算中,需要运用到转速调节器对定子电流转矩分量予以计算,进而了解MT坐标系的同步旋转角速度。综合以上同步旋转角速度函数公式,以及起重机电机拖动系统实际情况,可以了解整个系统负载跟踪的应用需求。而积分器的因公可以测量出转角频率的矢量的变换角。利用矢量变换角可以得到电压励磁分量和转矩分量,相应的可以利用电压型逆变器对电压进行控制,从而实现起重机电机拖动系统的有效控制,促使电机稳定、安全、有效的运用。

结束语:

起重机电机拖动系统负载跟踪的设计是非常必要的,可以保证电机拖动系统相对稳定的运行,有效的节约电能。从起重机电机拖动系统负载跟踪控制的特点来看,电动机转子容易受到某些因素的影响。所以,在具体设计起重机电机拖动系统负载跟踪过程中,需要分析起重机电机拖动系统的动力学方程,了解转子电压、电流与磁链之间的关系。以此为依据构建电机静止正交坐标系与旋转坐标系,对电动机转子运作中负载转矩、定转速度等方面进行分析,从而科学、合理设计电机拖动系统负载跟踪,为保证起重机电机拖动系统稳定运作创造条件。



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6、

试论交流变频拖动系统

交流调速技术的基本控制原理很早就已经确立,转子电阻控制、串级调速等方式早已经实用化,但是长期以来,异步电机交流调速技术在稳定性、可靠性、控制性能和维修等方面的不足,使其使用范围受到限制;尤其是在像电梯等对控制性能、可靠性等要求非常高的系统中,一直都是直流电动机调速技术的天下。1965年以后,由于晶闸管及控制晶体管的进步,控制线绕式异步电动机的转子电压进行调速运转的静止串级调速、采用晶闸管逆变器控制鼠笼式异步电动机进行调速运转等方式逐渐实用化,逐渐奠定了以逆变器为主流的技术基础。而且直接采用电动机调速的技术逐渐取代了其它各种调速技术(如采用皮带的机械式传动、采用液压联轴节的液力传动等),成为调速技术的主流。

1.变频调速技术的基本原理

异步电机,特别是三相鼠笼式电机,由于结构简单牢固、价格便宜、运行可靠和无需维护等特点,在交流传动中得到了及为广泛的应用;异步电机的调速可分为两大类,一类是在电机旋转磁场同步转速,恒定的情况下调节电机的电机转差率;另一类是调节电机的同步转速。异步电动机的调压调速、转子串电阻调速、滑差离合器调速、斩波调速等,都是在电机旋转磁场同步转速恒定的情况下调节电机的转差率来实现电机调速,这类调速方法简单,易于实现,但效率较低。变极调速和变频调速则是在保持邃本不变的情况下,调节电机的同步转速,来实现电机调速,这类调速方法属于高效率的调速方法,特别是变频调速是异步电动机高效调速方法的典型,它既能实现异步电动机的无级调速,又能根据负载的特性不同,通过适当调节电压与频率之间的关系,可使电机始终运行在高效率区,并保证良好的运行特性。另外异步电动机采用变频调速技术还能显着改善起动性能,大幅度降低电机的起动电流,增加起动转矩,同时还能加宽调速范围、提高力力矩性能指标等。可以说,变频调速是目前为止异步电动机最为理想的调速方法。

2.变频器的结构

综合考虑液压电梯控制系统的特点,主要考虑的是低频力矩指标和四象限工作能力;在变频调速液压电梯速度控制中,采用电压源型交-直-交变频器。变频器主要由五部分组成:整流回路、逆变器、控制电路、制动组件和保护回路。

2.1整流回路

整流器由二极管或晶闸管组成,它负责将工频电源变成直流。在整流器整流后的直流电压中,含有电源6倍频率的脉动电压,此外逆变器部分产生的脉动电流也使直流电压变动;为了抑制电压波动,可采用直流电抗和电容吸收脉动电压(电流)。

2.2逆变器

现在的交-直-交变频器在采用脉宽调制(PWM)技术后,把调压和调频的任务统一由变频器来完成,最常用的调节方案采用SPWM方式,采用参考正弦电压波与载频三角波来互相比较,决定主开关的导通时间来实现调压,利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。脉宽调制型变频器不仅可以把调压和调频的功能集于一身,而且还因采用不可控整流,简化了整流装置,降低了整流器的造价,同时还改善了系统的功率因数,加快了系统的动态响应,特别是通过采用适当的调制方法可以使变频器输出电压中谐波分量,尤其是低次谐波显着减少,从而使异步电动机的技术性能指标得到了大幅度地改善。

2.3制动组件

一般的电压源型交-直-交变频器为不可逆变频器,即变频器正常运行为两象限运转,电源只向异步电动机输出功率。对于减速时需要制动力的负载,功率会从异步电动机向逆变器回流,此时变频器需附加一套制动组件,以实现电机Ⅱ、Ⅳ象限制动;制动组件采用制动电阻的形式,当异步电动机工作于制动发电状态时(转差率为负),将产生再生能量,再生能量存于变频器平滑回路电容器中,使平滑回路中直流电压升高,当电压升高到一定值时,控制电路使制动部分的晶体管道通,再生能源流入电阻器被消耗掉。再生能量较大时,控制单元和电阻单元将分别设置。对于需要急加减速度,并且加减速度频繁的场合(电梯),或对于制动为主要目的场合(液压电梯下行),需采用可逆变频器,实现电动机的四象限运行,即双向电动和能量回馈制动运行。可逆型逆变器可以将电机的再生能源反馈回电网。

2.4控制回路

向异步电机供电的主回路提供控制信号的回路,称为控制回路。控制回路由由运算回路、电流电源检测回路、驱动回路、测速回路等组成。其中运算回路将外部的速度、转矩指令同检测回路的电流、电压信号进行比较运算,决定变频器的输出电源和频率。电压/电流检测回路采用霍耳CT、电阻等元件,并与主回路隔离进行电压、电流的检测。驱动回路驱动主回路元件的导通、关断,它与控制回路隔离。速度检测回路通过异步电机轴上的速度检测器(TG、PLG)或其他途径,将速度信号送回运算回路,对系统构成速度闭环控制。

2.5保护回路

变频器控制回路中的保护可分为变频器保护和异步电动机保护。变频器的保护功能有:瞬时过电流保护、过载保护、再生过电压保护、瞬时停电保护、接地过电流保护、冷风机异常保护等。对异步电动机的保护有:过载保护和超速(超频)保护。

3.变频调速的控制方式

3.1V/F控制

异步电动机的转速由电源频率和级数决定,所以改变频率可以控制电动机调速运行。但是频率的改变导致电动机内部阻抗也改变,因此单独改变频率将产生由弱励磁引起的转矩不足和由过励磁引起的磁饱和等现象,使电动机的功率因数和效率下降:V/F是一种开环控制方式,变频器在改变输出频率的同时,必须控制变频器的输出电压,即使V/F为常值。V/F控制系统结构简单,但是静、动态性能均不理想,尤其在低频时的特性较差,需要函数发生器适当提高定子电压来补偿磁通的减少;这种控制方式基本上不适合在液压电梯中应用。

3.2转差频率控制

转差频率控制方式是在V/F控制方式的基础上发展起来的,需要检测出电动机的转速,然后以电动机速度与转差频率的和来给定变频器输出频率。由于能够任意控制与转矩、电流有直接关系的转差频率,与V/F控制相比,其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外,它具有速度控制器,利用速度反馈进行速度闭环控制可适用于自动控制系统。在V/F控制中,如果保持电动机气隙磁通一定,则电动机的转矩及电流由转差频率决定。如果增加控制电动机转差频率的功能,那么异步电动机产生的转矩就可以控制。转差频率是施加于电动机的交流电压频率与电动机速度(电气角频率)的差频率,在电动机上安装测速发电机(PG)等速度检测元件,就可以知道电动机的速度,此速度加上转差频率(与产生所要求的转矩相对应)就是变频器的输出频率。根据电动机产生的转矩大体与转差频率成比例的事实来控制电动机产生的转矩,就是转差频率控制的原理,这种控制方式具有较高的静动态性能。

3.3矢量控制

矢量控制的特点:

(1)矢量控制特性比其他控制特性优越,可实现与直流电机相同的控制特性;

(2)矢量控制变频调速响应速度快,调速范围广,特别是低速段的调速性能优越,可满足频繁急加、减速度运转和连续四象限运转等场合;

(3)可以进行转矩控制。在电机静止状态时,能控制产生静止转矩;

(4)控制运算中一般需要使用电动机的参数,需要电动机的速度反馈,一般要求电动机为专用电动机。由于矢量控制方式完美的控制特性,可以很好地满足液压电梯的低频力矩指标、静动态性能。



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7、

电力拖动控制线路的布线方法

下面以接触器联锁正反转控制线路的安装为例介绍其布线方法。

主电路的布线方法:顺序法,即根据线号从小到大依次安装。安装顺序为:L1、L2、L3―U11、V11、W11―U12、V12、W12―U13、V13、W13―U、V、W。

控制电路的布线方法可归纳为三种。

第一种:线号法。按照控制电路的线号0,1,2…从小到大或从大到小依次进行安装。图1中,安装顺序为:0号线(2根)―1号线(1根)―2号线(2根:盘上1根,盘内与盘外按钮连接1根)―3号线(5根:按钮内部连线2根,盘上2根,盘内与盘外按钮连接1根)―4号线(3根:盘上2根,盘内与盘外按钮连接1根)―5号线(1根)―6号线(3根:盘上2根,盘内与盘外按钮连接1根)―7号线(1根),共18根。

所需连接导线根数的计算方法:

导线根数=接触点数-1+x

式中,接触点数指某一线号导线与元器件连接的数量;-1指一根导线有两端(中间不允许有接头),计算根数时需减1。+x指根据安装位置的不同:有盘外线与盘内线连接时,+1;无盘外线与盘内线连接时,+0。

根据此公式可计算出控制电路各线号所需导线根数。0号线2根(3-1+0=2),1号线1根(2-1+0=1),2号线2根(2-1+1=2),3号线5根(5-1+1=5),4号线3根(3-1+1=3),5号线1根(2-1+0=1),6号线3根(3-1+1=3),7号线1根(2-1+0=1),共18根。

第二种:单元电路法,又称回路法。布线顺序为:1―2―3―4―5―0支路8根(FU2至KH1根,KH至接线端子1根,接线端子至SB1进线1根,SB1出线至SB2进线1根,SB2出线至接线端子1根,接线端子至KM2联锁触头进线1根,KM2联锁触头出线至KM1线圈进线1根,KM1线圈出线至FU2熔断器1根);3―4支路3根(SB1出线至接线端子1根,接线端子至KM1自锁进线1根,KM1自锁出线至KM2联锁触头进线1根);3―6―7―0支路5根(SB2进线至SB3进线1根,SB3出线至接线端子1根,接线端子至KM1联锁触头进线1根,KM1联锁触头出线至KM2线圈进线1根,KM2线圈出线至KM1线圈出线1根);3―6支路2根(KM2自锁进线至KM1自锁进线1根,KM2自锁出线至KM1联锁触头进线1根)共18根。

第三种方法是综合法。具有上述两种方法的优点,线号法、回路法并用,遇到盘外的导线先不接,待盘上布线完成后再与盘外相连。此法实用性较强,但学生易出现故障,必须经过大量的实践学习才能掌握,适应于熟练工。安装顺序为:先接盘内线:0号线2根(KM1线圈出线至FU2熔断器1根,KM2线圈出线至KM1线圈出线1根);1号线1根(FU2至KH);2号线1根(KH至接线端子),3号线2根(KM2自锁进线至KM1自锁进线1根,KM1自锁进线至接线端子1根);4号线2根(KM1自锁出线至KM2联锁触头进线1根,KM2联锁触头进线至接线端子1根);5号线1根(KM2联锁触头出线至KM1线圈进线);6号线2根(KM2自锁出线至KM1联锁触头进线1根,KM1联锁触头进线至接线端子1根);7号线1根(KM1联锁触头出线至KM2线圈进线),再接盘外按钮内部连线2根(SB1出线至SB2进线1根,SB2进线至SB3进线1根);最后接盘内与盘外按钮的连接线4根(SB1进线接接线端子2号线、SB1出线接接线端子3号线、SB2出线接接线端子4号线、SB3出线接接线端子6号线)。共18根。



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8、

电力拖动系统中电动机的选择

电动机是电力拖动系统中的动力能源,正确选择电动机是系统安全、经济、可靠和合理运行的质量保证。电动机的选择主要考虑电动机的额定功率、额定电压、额定转速、种类、结构形式等。

1、电动机额定功率的选择

正确合理地选择电动机的功率是很重要的。功率的选择是否适当可能会影响电动机的寿命或者造成电能的浪费。

电动机的工作方式有连续工作制、短期工作制和周期性断续工作制三种。

(1)连续工作制电动机额定功率的选择在这种工作方式下,电动机连续工作时间很长,可使其温升达到规定的稳定值,如通风机、泵等机械的拖动运转。

在工业生产中,相当多的生产机械是在长期恒定的或变化很小的负载下运行,对与这类负载只要电动机的额定功率等于或略大于生产机械所需要的功率即可。若负载功率为PL,电动机的额定功率为PN,则应满足下式:PN≥PL。电机制造厂生产的电动机,一般都是按照恒定负载连续运转设计,并进行形式试验和出厂试验的,完全可以保证电动机在额定功率工作时,电动机的温升不会超过允许值。

通常电动机的容量是按周期环境温度为40?C而确定的。绝缘材料最高允许温度与40?C的温差称为允许温升,各级绝缘材料的最高允许温度和允许温升见下表:

表各级绝缘材料的最高允许温度和允许温升

(2)短期工作制电动机额定功率的选择在这种工作方式下,电动机的工作时间较短,在运行期间温度未升到规定的稳定值,而在停止运转期间,温度则可能降到周围环境的温度值,如吊桥、水闸、车床的夹紧装置的拖动运转。

为了满足某些生产机械短期工作的需要,电机生产厂家专门制造了一些具有较大过载能力的短期工作制电动机,其标准工作时间有15min、30min、60min、90min四种。因此,当电动机的实际工作时间符合标准工作时间时,选择电动机的额定功率PN只要不小于负载功率PL即可,即满足PN≥PL。

(3)周期性断续工作制电动机额定功率的选择这种工作方式的电动机的工作与停止交替进行。在工作期间内,温度未升到稳定值,而在停止期间,温度也来不及降到周围温度值,而如很多起重设备以及某些金属切削机床的拖动运转。

电机制造厂专门设计生产的周期性断续工作制的交流电动机有YZR和YZ系列。标准负载持续率FC有15%、25%、40%、60%四种,一个周期的时间规定不大于10min。

2.电动机额定电压的选择

电动机额定电压要与现场供电电网电压等级相符。否则,若选择的额定电压低于供电电源电压,电动机将由于电流过大而被烧毁;若选择的额定电压高于供电电源电压,电动机有可能因电压过低不能启动,或虽能启动但因电流过大而减少其使用寿命甚至烧毁。

中小型交流电动机的额定电压一般为380V,大型交流电动机的额定电压一般为3kV、6kV等。直流电动机的额定电压一般为110V、220V、440V等,最常用的直流电压等级为220V,直流电动机一般是有车间交流供电电压经整流器整流后的直流电压供电。选择电动机的额定电压时,要与供电电网的交流电压及不同形式的整流电路相配合。当交流电压为380V时,若采用晶闸管整流装置直接供电,电动机的额定电压应选用440V(配合三相桥式整流电路)或160V(配合单相整流电路),电动机采用改进的Z3型。

3.电动机额定转速的选择

电动机额定转速选择是否合理,将直接影响电动机的价格、能量损耗及生产机械的生产率等各项技术指标和经济指标。额定功率相同的电动机,转速高的电动机尺寸小,所用材料少,因而体积小,质量轻,价格低,所用选用高额定转速的电动机比较经济。但由于生产机械的工作速度一定且较低(30~900r/min),因此,电动机转速越高,传动机构的传动比越大,传动越复杂。所以,选择电动机的额定转速时,必须全面考虑,在电动机性能满足生产机械要求的前提下,力求电能损耗少,设备投资少,维护费用少。通常,电动机的额定转速选在750~1500r/min比较合适。

4.电动机种类的选择

选择电动机的种类时,在考虑电动机的性能必须满足生产机械的要求下,优先选用机构简单、价格便宜、运行可靠、维修方便的电动机。在这方面,交流电动机优于直流电动机,笼型电动机优于绕线转子电动机,异步电动机优于同步电动机。电动机种类的选择方法见表3:

表3电动机种类选择

5.电动机形式的选择

原则上,电动机与生产机械的工作方式应该一致,在连续工作制、短期工作制和周期性断续工作制三种方式中选取,但也可选用连续工作制的电动机来代替。

电动机按其安装方式不同可分为卧式和立式两种。由于立式电动机的价格较贵,所以一般情况下应选用卧式电动机。只有当需要简化传动装置时,如深井水泵和钻床等,才使用立式电动机。

电动机按轴伸个数分为单轴伸和双轴伸两种。一般情况下,选用单轴伸电动机;特殊情况下才选用双轴伸电动机。如需要一边安装测速发电机,另一边需要拖动生产机械时,则必须选用双轴伸电动机。

电动机按防护方式分为开启式、防护式、封闭式和防爆式四种。为防止周围的媒介质对电动机的损坏以及因电动机本身故障而引起的危害,电动机必须根据不同环境选择适当的防护形式。

开启式电动机价格便宜,散热好,但灰尘、铁屑、水滴及油垢等容易进入其内部,影响电动机的正常工作和寿命,因此,只能在干燥、清洁的环境中使用。

防护式电动机的通风孔在机壳的下部,通风冷却条件较好,并能防止水滴、铁屑等杂物落入电动机内部,但不能防止潮气和灰尘侵入,因此只能用于比较干燥、灰尘不多、无腐蚀性气体和爆炸性气体的环境。

封闭式电动机分为自扇冷式、他扇冷式和密闭式三种。前两种用于潮湿、灰尘多、有腐蚀性气体、易引起火灾和易受风雨侵蚀的环境中,如纺织厂、水泥厂等。密闭式电动机则用于侵入水中的机械,如潜水泵电动机。

防爆式电动机主要用于有易燃、易爆气体的危险环境中,如煤气站、油库及矿井等场所。

总之,选择电动机时,应从额定功率、额定电压、额定转速、种类和形式几方面综合考虑,做到既经济又合理。



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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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