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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、

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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2、

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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3、

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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4、

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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5、

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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6、

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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7、

浅谈PLC在电力拖动一体化中的运用

PLC是一种基于计算机技术的编程控制器,将PLC技术与接触器控制技术相结合,并充分发挥继电器和按钮的作用,可使电力拖动可视化。电力拖动线路用于控制电动机的运行,其具有实践性和专业性。PLC技术与电力拖动的结合有助于实现拖动一体化。文章分析了PLC技术在电力拖动中的作用,并阐述了如何将其应用于电力拖动教学。

在电力拖动的教学中,由于每个学生的能力不同,因此在学习中往往会出现图纸识别困难、技能操作不到位、线路出现问题无法检修等。因此,将PLC合理的运用于电力拖动的教学中,督促学生了解PLC原理和操作流程。但很多学校将电力拖动课程同PLC课程分开,不能找到二者之间的必然联系。这使得教学效率低下,尤其影响了学生实践能力的提高。实际上,PLC并非简单的继电器,其操作原理复杂,检修过程尤为重要。这对学校该课程的教学模式和教师的素质提出了新的要求。基于此,学校应进行该课程的改革。

一、PLC在电力拖动一体化中的运用过程

(一)电力拖动课程一体化是实现

电力拖动课程具有较强的实践性,实现其一体化的过程实际上就是将理论与实践相结合的过程。PLC作为一种与电力拖动密切相关的技术,其在电力拖动课程中的应用有助于电力拖动一体化教学的实施。具体实施为理论课和实践课由同一个教师担当,教师每讲解一节电力拖动课程,随即将其应用于实践。使学生能够充分感电力拖动的过程,了解其工作原理和操作流程。如根据课程进行电器元件的分组拆装,充分利用多媒体教学,使教学效果更加明显。当然,在理论与实践结合的过程中,主要需要掌握的是电力拖动的线路控制。目前,传统的控制方式已逐渐被PLC程序控制器取代,因此要实现电力拖动一体化,还要将PLC技术合理的渗透到教学中,实现二者的结合。

(二)PLC在电力拖动课课程教学中的渗透

电力拖动课程主要以研究电力拖动控制线路为主,而PLC则是程序控制器。目前PLC作为高校电气专业学生的必修课,学生存在的操作上的问题需要理论与实践教学更好的结合。如何发挥PLC技术在电力拖动中的作用,实现两个课程之间的结合是高校电气或机械教学中的主要任务。实际上,PLC是传统电力拖动线路控制的延伸,技术的发展使电动机线路控制逐渐转向PLC控制。PLC以梯形图作为其主要编程语言,是继电器逻辑控制系统发展的结果。运用于教学,两门课程之间存在一定的联系,基于此高校电力拖动一体化教学应引进PLC的一些内容,实现电力拖动的一体化。以三相异步电动机正反转控制课程为例,将PLC在电力拖动一体化中的运用步骤分析如下:

(1)了解与电力拖动技术相关的讲PLC内容。包括输入和输出继电器、梯形图编程方法和编程指令等。

(2)了解控制要求,分配输出输入点,写出I/O通道地址的分配表并画出PLC接线图。

(3)根据PLC接线图进行程序设计,在计算机上实施程序输入,模拟程序的运行过程。

(4)将程序下载至PLC,为PLC的应用提供前提。最后进行线路安全和系统调试。

二、PLC控制系统的优越性

将PLC控制系统与传统的继电器―接触器控制系统相比较我们可以看到PLC控制系统的优越性。在教学中,教师应注意渗透这一点。其不同在于:

(1)组成PLC与传统的控制系统采用不同的结构。传统的系统具有更多的硬件继电器与接触器;而PLC则主要由“软继电器”构成。

(2)传统的控制系统中机械触点较多,降低了系统的可靠性。而PLC则为无机械触点,是目前较为先进的逻辑运算微电子技术,具其可靠性较高,机械性能良好,运行磨损小,因此使用年限更长。同时,PLC的触电是无限的,这与传统的系统有限的触电相比较具有优越性。

(3)PLC系统与传统的继电器―接触器逻辑控制系统采用不同的控制方式,前者主要靠原件之间的硬件接线控制,而PLC系统采用更加先进的软件编程实现线路控制。

(4)两者的工作原理具有很大差别,相比之下,PLC更具先进性。传统的继电器―接触器控制方式,在工作状态下继电器受到制约,但采用了PLC技后,其“软继电器”处于周期性循环扫描接通模式下,“软继电器”不再受到长时间的制约。因此,我们说,采用电力拖动与PLC的组合的教学模式,帮助学生理解了PLC线路控制系统具有先进性,其在电力拖动中具有积极作用。在教学中,应逐渐实现两者之间的结合。将PLC技术渗透到电力拖动教学,提高教学效率。

三、总结

电力拖动作为实践性较强的电力教学课程,要求实现理论与实践结合的一体化教学。在电力拖动中引进PLC技术,是电力拖动一体化实现的必然需求。PLC作为近年来兴起的电力线路控制技术,主要以梯形图作为编程语言。文章以三相异步电动机正反转控制课程为例,分析了两种技术之间的结合。肯定了PLC在电力拖动上的进步作用。当然,在教学过程中,两种技术的结合还处于磨合期,教学效果受到一定的影响,这需要电力拖动课程不断的进行改革,促进教学效率的提高。



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8、

关于同步电动机的电力拖动问题分析

在同步电动机使用过程中,其稳定性的控制是关键。而电力拖动是影响其稳定性的主要因素,如何实现同步电动机的转速与同步转速相同是本文讨论的重点。

一、同步电动机的起动

正常运行状态下的同步电动机,其转子转速保持不变,确保定子与转子磁场因电磁作用所产生的旋转磁场处于相对静止状态,从而使其产生稳定的电磁转矩。因此同步电动机可以带动负载在同步速度下稳定运行。但由于能够处于稳定状态,直接起动将影响其机械性能。由于其使用电源为50Hz交流电源,加大了其起动难度。同时,三相定子绕组连接三相对称电源后,如定子磁场N极与转子磁极的S极接触,虽受到异性磁极的吸引,但由于转子自身的惯性较大,并不能使静止的转子发生转动。如此状态循环下,转子无法运转而只能在原处摆动。这使得因此同步电动机的起动问题成为难题,要确保其起动过程中稳定性不受到影响,可采取以下措施:

(一)辅助电动机起动

为了实现对同步电动机的牵引,可选一台异步电动机,并要求其极数与同步电动机一致。若同步电动机在起动时转子未加入励磁,需要将转子借助辅助电动机牵引以接近或达到同步转速,完成之后将直流励磁电流通入到同步电动机的转子励磁绕组中,将同步电动机利用整步转矩将接入电网。实际上,在完成定子的同步运行后,辅助电动机已失效。要降低不必要的电能损耗,应停止辅助电动机的运转。辅助电动机起动法主要应用于同步调相机起动和空载起动,但其需要较多的设备,且操作相对较为复杂。

(二)异步起动

异步起动主要靠安装在同步电动机上的异步电动机绕组实现。其操作原理为:将定子通电,靠起动绕组中所产生的异步电磁转矩实现电动机起动。在其转速接近同步转速时,通入励磁电流,通过同步电磁转矩实现电动机的同步运转。异步起动主要靠安装在电动机上的绕组实现,所需设备较少,操作方便。需要注意的是,要避免异步起动时励磁绕组的开路状态。这是由于开路状态下,过多的励磁绕组匝数将造成定子的感应电压升高,从而导致其绝缘性能下降甚至消失,容易造成安全事故,这是异步起动最大的缺点。同时,这种起动方式过程不能使磁绕组直接短路。否则将造成励磁绕组的单相电流过大,并且在旋转气隙磁场的共同作用下,附加转矩增大。根据异步起动的转矩特点,在其起动时,可选择实阻值约为励磁绕组10倍的起动电阻,并将其与转子励磁绕组连接。这样可以减小励磁绕组的感应电流,降低单轴转矩对电动机起动的影响。

二、同步电动机的变频调速

同步电动机的转速与供电电源频率之间始终保持同步并处于稳定运行状态,也就是说,电动机的转速只与电源频率有关,与负载之间无必要联系。也就是说,要实现其转速的改变,变频调速是唯一的方法。目前,变频调速系统主要为自控式调控系统和他控式调试系统。

(一)自控式同步电动机变频调速系统

自控式同步电动机的变频调速的优势在于消除了其转子振荡和失步而出现的安全问题,自控式同步电动机的变频调速系统由安装在电动机轴端的检测器为主,该检测器的主要作用就是通过信号的发出电力电子器件的频率和导通顺序,实现定子转速与转子转速保持同步,消除了负载对设备运转的冲击。目前,该变频装置可采用交-交型或交-直-交型。自控式同步电动机变频调速系统不再使用旋转接触式换向器,而是采用了电力电子逆变器与转子位置检测器。自控式变频同步电动机的变频装置具有差异,这要影响无换向器电动机的电流使用交流还是直流。

(二)他控式同步电动机变频调速

交-直-交变频器是他控式同步电动机变频调速系统的主要应用装置,其变频系统的结构与自控式变频系统相比较为简单,通常只有一台中变频器供电,因此操作较为简单,但相对来说,变频效率不高。但能够作为变频起动装置,确保同步电动机的软起动,或将其应用于多台同步电动机的同时调速。但他控式同步电动机变频调速性能较差,结构简单,存在转子振荡和失步等安全问题,因此应用并不多。

三、总结

同步电动机只有在转速等于同步速度时才能产生恒定不变的同步电磁转矩。该电动机的结构较为简单,主要问题在于其起动。如何保持转子与定子速度的一致是保证其稳定运行的关键。目前,同步电动机所用电源多为50Hz的交流电源,这使得其从静止状态到运转状态的转变较为困难。随着电力系统的快速发展,运行在系统上的主要负载为异步电动机和变压器。这使电网必须要担负电感性的无功功率,从而造成线路损耗,因此同步电动机的起动是其运行中最重要的问题。



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9、

浅谈行动导向教学法在电力拖动控制培训中的应用

企业间竞争的加剧,提高员工素质是提升企业竞争力的重要途径,培训是企业持续的动力源泉。电力拖动控制是维修电工必学的内容,这些知识与技能掌握的好坏,直接将影响着维修电工基本素质的培养。为了更好地提高培训职工素质帮助其取得过硬的技能,以及顺利通过技能考核,通过运用行动导向教学法中的启发式教学法取得了较好的培训效果。

一、前言

电力拖动控制有一个显着的特点,就是计算相对较少,理解的内容较多,动手能力训练的项目相对较多。那么怎样使培训学员更快、更容易、更轻松地学好它,经过近年的教学摸索,结合平时的实际技能等级考评的经验,在新的教学理念指导下,引入行动导向中的启法式教学法,使培训教学效果有了明显的提高,达到了企业职工培训之目的。

二、明确提出培训教学要求

作为教师要教好书,必须把握整个培训内容的灵魂,要有达到目标的实施计划与明确的要求,这样才能真正做到胸有成竹,达到事半功倍的效果。有的学员刚接触到电器,对电器较陌生,理解、记忆的内容较多。这时一定不能放弃,要为后面的学习打下了扎实的基础。在教学中做到心中有数,准确把握掌握、理解、了解的真正含义,在上第一次课的时候就向学员提出明确的要求:要求学员了解低压电器的结构,理解工作原理,熟练掌握选用图形符号和文字符号;掌握基本控制线路,做到熟练默画出基本控制线路,最终要求学员具备独立设计简单控制线路的能力;最后要求学员学会读图、识图;学会故障分析,掌握故障排除方法,最终达到中级维修电工的实际操作技能水平。有了明确的要求,学习起来就很轻松,一切问题就会迎刃而解。

三、灵活多变的教学方法

1.常用低压电器的教学方法。了解电器的结构,如了解接触器,运用实物讲解,通过对接触器进行拆装,要求学员把拆下的零件与图片进行对照,并说出它们的名称,加深了印象,这样就可以快速记住接触器,根本不用死记硬背。理解电器的工作原理,找一个CJl0-10/220V的接触器,把接触器的线圈两端加上额定电压,此时立刻听到“啪”的一声,接触器衔铁被吸合,带动触头动作;再断开电源,又“啪”的一声,接触器触点很快复位初始状态。掌握图形符号、文字代号,是为学习控制线路打下基础,必须在课堂内要掌握。了解电器的主要技术参数,进行对低压电器的选用,这是关键点,要求学员必须掌握的内容,也是学员解决实际问题的能力反映。

2.电动机控制线路教学方法。

(1)掌握控制线路的分析。从简单到复杂,逐步深入,如分析具有自锁正转制线路。短路保护、过载保护、欠压、失压保护是否齐全了,连续运转的电动机需要过载保护,故控制线路还要加入热继电器,问题到此解决好了。把控制线路内容讲解好了,学员对设计也有一个深层次的了解,教师的关键任务是教会学员的设计思路,慢慢地培养学员的设计能力。

(2)工作原理分析。如何解决工作原理分析,突破“死记硬背”。例如,正转控制线路原理的分析。方法是按图装接线路,这样通过实物操作按钮,观察到接触器的动作,电动机的真正转动,教师只要稍加引导就很快掌握了工作原理。其它复杂的控制线路分析按照控制要求进行,需要书写时一定要规范,让别人一目了然看清动作过程。

(3)如何培养学员的设计能力。例如三相异步电动机的正反转控制线路,首先是要明白只要改变三相电源中的任意两相相序,电动机即可实现反转,其次需要画出两个正转控制线路,在主电路接线时,只要对U相与W相的连线做小的变动,就成功地完成了正反转控制线路。最后我们可以提出问题,电路设计好了吗?学员可以自由组合讨论,可能会有学员提出,两个按钮同时按下时,主电路出现短路,自然地引入联锁的触点。只有在接触器线圈电路加上对方接触器常闭触头,才能防止短路事故的发生。

3.常用生产机械电气控制线路的教学方法。有了前面知识的准备,就能很顺利地把接下来的内容讲好,可以说很省力地完成任务。

(1)教会学员阅读电原理图的方法。首先分析主电路,主要是看电动机的名称、功率、数量;分别由什么电器控制,具有什么控制形式,如降压启动控制或双速控制,具有什么保护功能。其次分析控制线路,主要具有什么样的控制功能,如连续、正反转、两地等,以及明确接触器线路的供电回路。最后分析照明电路、指示电路。

(2)常见故障的分析。最好的方法是采用模拟机床控制线路或已经安装好的相关控制线路,教师提出几个常见故障问题,让学员自己来完成。加强学员的分析能力,培养学员的逻辑推理能力、思维能力,若分析故障的思路正确的话,其实际的故障也就很快排除。通过操作来获取故障现象,根据观察所得故障现象在原理图中分析,从而圈出故障范围,故障范围与故障现象必须一一对应。

(3)排除故障。要求必须断开三相电源,运用万用表欧姆档检测。根据结果作出准确判断,一定要排除故障,恢复正常。

四、理论联系实际

电力拖动与控制除了理论上要灵活掌握它的学习方法,还非常强调理论紧密联系实际,那就是加强实际操作训练。实际操作训练要跟理论同步教学,并且贯穿于整个教学的始终,只有这样反复的操作训练,才会取得更好的培训效果。行动导向教学的核心是关键能力的开发,促进学员的脑、心、手全方位被调动起来,真正从素质方面教育人手,把学员的培训学习转化为一种“游戏”形式,学习不枯燥。让学员愉快地在“玩”中学,在学中“玩”,愉快地、轻松地完成了培训任务。同时还培养了学员的学习能力、动手能力和解决实际问题的能力。



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