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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、

单相电机配用电容是不是越大越好?

在家电维修实践中,电容损坏是造成电机运转失常的常见故障,但有的修理员对运转电容的选配不很注意,甚至有“运转电容越大越好”的错误认识。下面举出的两个实例,是在近年维修中遇到的。

[例1]一台金龙牌300mm台扇,在中、低挡位不能启动运转,电机发出“哼哼”声;在高挡位时,扇叶运转很慢。

打开风扇前罩,用手拨动扇叶感觉很吃力,扇叶不能靠惯性转动。拆开机头外壳,发现电机轴承中润滑油已干涸,用注射器在前后轴承中滴进少许润滑油后,拨动扇叶转动自如。

通电试机,发现电机运转仍很不理想,在中、低挡位扇叶只是很缓慢地运转,在高挡位上转速也远达不到要求,吹出来的风很弱。再次拆开电机外壳,发现有部分线圈烧焦变色。再检查电扇机座底板,发现所配用的电容容量为3uF/500V,根据经验容量显然过大。

经询问用户得知,去年自己曾修过这台风扇,因嫌启动性能不好,就向邻居电工要了一只吊扇用的电容器装了上去,结果风扇越用越坏,最后导致启动线圈发热严重而烧毁。

[例2]一台得康牌家用保健摇摆机,空载时电机带动的搁架摇摆10多分钟即自动停止,而将双腿放上搁架后,只能摇摆几分钟就停了下来。

用户告知:此机因摇摆无力曾送出修理,换了一只电容器后,虽然运转很有力,但运转几分钟就会停下来。

打开摇摆机底板,发现新换上去的电容规格为3uF/400V。通电观察,电机运转10分钟后即停止转动,摸电机外壳很烫,手根本不能在上面停放。这说明控制电路已经处于过热保护状态,电机因保护电路切断电流而停转。换用一只规格为1.5uF/500V的电容,通电试机,电机连续运转了30分钟,机壳只有微热,温度升高正常,并且运转也很有力。

有的人在维修单相电容运转式电机时,为了提高电动机的启动转矩,常随意选大容量的电容换上,误认为电容容量越大越好。其实,这种做法虽能提高启动转矩,但电机的启动电流也会以更大的比率增加,这对电机是极为不利的。一般情况,在单相电容启动式电机中,启动绕组中串联的电容容量增加1倍,启动转矩只能增加50%,而启动电流却要增加200%。在单相电容运转式电机中,当电容容量增加2倍时,启动转矩虽可增加近2倍,但电机的效率将降低50%。这会使电机几乎不能驱动原来的负载,如继续通电,电机长时间处于过负载状态,将烧坏绕组。

可见,维修电机时,如果对配用的电容器选择不当,会给电机带来严重后果。更换启动、运转电容时,最好选用与原配置参数相同的电容。如果电容器损坏,又不知道或看不清标注参数,可按下面公式计算选配:

C=8JS(uF)

式中,C-配用的电容量,单位为微法(uF);J-电机启动绕组电流密度,一般选5~7A/平方mm;s-启动绕组导线截面积(平方mm)。

此文例1中金龙台扇电机启动绕组线圈重新绕制后,测出启动绕组线径为0.17mm,则截面积S=0.0226平方mm,选J=7A/平方mm,所以

C=8×7×0.0226≈1.26uF

实际选配参数为1.2uF±5%,耐压500V的电容。另外应注意电容的耐压值一定要高于400V,以防击穿。



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2、

推进电机节能的意义是什么

电机是一种应用量大、使用范围广的高耗能动力设备。据统计,我国电机耗电约占工业用电总量的60%~70%。实际应用中,我国电机的整体运行状况,同国外相比差距很大,机组效率约为75%,比国外低10%左右;系统运行效率为30~40%,比国际先进水平低20~30%。因此,我国的电机应用具有极大的节能潜力,推行电机节能势在必行。

一、目前电机能耗状况

改革开放20多年来,我国在能源利用上取得“GDP翻两番,而能源消费仅翻一番”的成就。但是,与发达国家相比,我国电力能源利用效率仍然较低,尤其是工业用电设备电能消耗高,浪费情况较为严重。大量的工业设备如风机、泵类设备以及传统的工业缝纫机、机械加工设备等,多采用交流电动机恒速传动的方案运行,导致交流电动机效率普遍较低。

风机、泵类设备也多采用调节风门和阀门的办法来调节流量,这种调节方法虽然简单易行,但它是以耗费大量能源为代价;在工业缝纫机、机械加工设备中,往往采用离合器、摩擦片调节速度,造成大量的待机损耗和制动能耗。

1.风机、泵类设备

在工业生产、产品加工制造业中,风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合,根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样,不论生产的需求大小,风机都要全速运转,不能随运行工况的变化进行相应的调节,白白浪费了大量的能量。在生产过程中,不仅控制精度受到限制,而且容易造成设备损耗,从而导致生产成本增加,设备使用寿命缩短,设备维护、维修费用居高不下。

泵类设备在生产领域同样有着广阔的应用空间,提水泵站、水池储罐给排系统、工业水(油)循环系统、热交换系统均使用离心泵、轴流泵、齿轮泵、柱塞泵等设备。根据不同的生产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的控制。这样,不仅造成大量的能源浪费,管路、阀门等密封性能的破坏;还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀,严重时损坏设备、影响生产、危及产品质量。

2.工业缝纫机、机械加工设备

传统的工业缝纫机电机是一款交流离合器电机,效率仅为40~50%;电机在工作时,不论缝制布料厚薄,始终全功率输出;在缝纫机待料待机时,电机通过离合器脱开负载,继续空载运行,造成极大的待机损耗。

在中低档机械加工设备中往往采用摩擦片调节速度,利用摩擦片的摩擦作用降低电机转速,从而达到调节速度的目的,不仅造成大量的制动能耗,还加快了电机轴的磨损,降低电机使用寿命。

目前,我国在家电行业已逐步采用变频调速控制技术以降低能耗,而工业控制领域中的许多速度调节方法还停留在传统技术层面上。根据美国能源部的一项数据显示,如果采用最新的高效率电机设备和一定的变频调速装置来替代旧的电机设备,工业用户至少能在现有基础上节省电能18%以上。

目前,许多国家均已指定流量压力控制必须采用变频调速装置取代传统方式,我国也在积极鼓励工业企业采用高效、节能的电动机、锅炉、窑炉、风机、泵类等设备。

二、以电子信息技术改造传统产业,达到节能降耗目的

随着电子技术、信息技术的发展,电子信息技术在产品中的应用日趋成熟,传统的电机技术与电子信息技术相结合,产生了“机电一体化”产品。“机电一体化”又称“机械电子学”,是在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进了电子技术,并将机械装置、电子设备以及软件等有机地结合起来构成的系统的总称。“机电一体化”电机与传统电机有着质的区别,“机电一体化”电机包含了控制部分既控制器及嵌入式软件和驱动部分既电机,它是利用嵌入式软件实现对系统的智能化模糊控制。这种智能化模糊控制不仅能有效提高系统的运行精度,而且可以根据系统负载变化实时调整电机输出转速、输出功率,充分达到节能降耗的目的。下面举两个例子来说明“机电一体化”电机的使用效果:

1.高效节能伺服控制电机在工业缝纫机领域的应用

前面提到传统的工业缝纫机电机是一款交流离合器电机,效率仅为40~50%;电机在工作时,不论缝制布料厚薄,始终全功率输出;在缝纫机待料待机时,电机通过离合器脱开负载,继续空载运行,造成极大的待机损耗。而高效节能伺服控制电机采用直流无刷电机作为驱动元件,效率达到70~80%;伺服控制系统内含嵌入式软件,系统随时检测缝制布料的厚薄,将信息实时传递给嵌入式软件,通过软件调节电机的输出转速和输出功率,始终使电机工作在最合理、最节能状态;在缝纫机待料待机时,系统停止工作,没有待机损耗。通过高效节能伺服控制电机替代交流离合器电机在工业缝纫机领域推广应用,可在该领域节能50~60%,每台缝纫机可节电576千瓦时/年,据缝纫机行业协会估算,全国现在生产使用的工业缝纫机至少200万台,那么随着高效节能伺服控制电机的替代使用,可为社会节电11.52亿千瓦时/年。

高效节能伺服控制电机不仅可以在缝纫机行业推广应用,也可以在工业集尘设备、机械加工设备中替代传统的交流电机,其节电效果普遍达到30%以上。

2.变频调速电机在风机、泵类设备中的应用

风机、泵类设备年耗电量占全国电力消耗的1/4,大量的电能由于交流电动机只能恒速输出、无法根据工况变化自行调节而浪费。变频调速技术是20世纪80年代末兴起的一种新型电力传动调速技术,它以体积小、重量轻、转矩大、精度高、功能强,可靠性高,操作简便,便于通信等功能优于以往的传统调速方式(如变极调速、调压调速、滑差调速等)。变频调速运行,是根据负载转速的变化要求,改变供电电流的频率,并配合电压的调节,以获得合理的电机运行工况。在不同的转速情况下,均保持较高的运行效率。变频控制技术的应用,不仅降低了电能消耗,同时能改善启动性能,保护电动机及负载设备免受瞬时启动的冲击,延长其工作寿命,还提高电动机及负载设备的工作精确度。

风机、泵类等设备采用变频调速技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术,受到国家政府的普遍重视,《中华人民共和国节约能源法》把它列为通用技术加以推广。实践证明,变频电机用于风机、泵类设备驱动控制场合取得了显着的节电效果,普遍节电达到30%~50%。

三、电机节能的远景目标和发展方向

随着电子信息技术的发展,电机节能的前景十分看好。据国家能源部的初步估算:如果全面启动电机节能工程,推广变频调速、永磁调速等先进电机调速技术,改善风机、泵类电机系统调节方式,逐步淘汰闸板、阀门等机械节流调节方式,全国的用电量将下降15~20%而GDP保持不变。

通过研发高效节能的变频调速技术,在工业、交通、办公自动化等领域推广使用,将电机的平均能耗下降20~30%,这是电机行业“十一五”期间的节能目标。



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3、

发电厂风机电动机节能改造技术方案分析

目前,在我国电源结构中,火电装机容量占74%,发电量占80%;水电装机容量占25%,发电量占19%;核电仅占1%左右,因此火电机组及其辅机设备的节能改造工作是非常重要的。火电厂中的各类辅机设备中,风机水泵类设备占了绝大部分,蕴藏着巨大的节能潜力。由于火电机组调峰力度的加大,这些机组的负荷变化范围很大,必须实时调节风机水泵的流量。目前调节流量的方式多为节流阀调节,由于这种调节方式仅仅是改变了通道的通流阻抗,而电动机的输出功率并没有多大改变,所以浪费了大量的能源。随着电力行业的改革不断深化,厂网分家,竞价上网政策的逐步实施,降低厂用电率,降低发电成本,提高上网电价的竞争力,已成为各火电厂努力追求的经济目标,要求越来越迫切。风机水泵类负载采用调速驱动具有非常可观的节能效果,这已是共识。

另外,交流电机的直接起动(尤其是高压电机)会产生巨大的电流冲击和转矩冲击,在很短的起动过程中,转子笼型绕组及阻尼绕组将承受很高的热应力和机械应力,致使笼条的端环断裂。直接起动时的大电流还会在定子绕组的端部产生很大的电磁力,使绕组端部振动和变形,造成定子绕组绝缘的机械损伤和磨损,从而导致定子绕组绝缘击穿。直接起动时的大电流还会引起铁芯振动,使铁芯松驰,引起电机发热增加。在火力发电厂中,高压大容量交流笼型异步电动机的使用非常广泛,由于直接起动而造成的电动机烧毁和转子断条事故屡屡发生,给机组的安全经济运行造成很大的威胁。因此大容量异步电动机采用软起动方式,对于延长电动机的使用寿命,减少对电网的冲击,保证机组正常运行是非常必要的。由于电动机的变频软起动可提供高的起动转矩并可做到平滑无冲击,所以采用变频器实现软起动的效果也是非常突击的。同时,采用调速驱动,还可以有效地减轻风机水泵叶轮的磨损,延长设备使用寿命,降低运行噪声。还有运行工艺对辅机设备的控制性能的改善也是十分迫切的,例如锅炉风机和给粉机的调速控制,可以大幅度地改善炉内的燃烧工况,从而节煤、节水,并可节省这些物料的运输,处理能量等。工艺条件的改善可以创造巨大的经济效益,已不再简单地局限在节能的范畴,人们会很快地认识到这一点,并迅速行动起来。本文针对发电厂各种风机电动机的实际运行工况,逐一地进行节能改造方案分析。

风机是火力发电厂重要的辅助设备之一,锅炉的四大风机(送风机、引风机、一次风机或排粉风机和烟气再循环风机)的总耗电量约占机组发电量的2%左右。随着火电机组容量的增大,电站锅炉风机的容量也在不断增大,如国产200MW机组,风机的总功率达7140kW(其中,送风机二台2500kW,引风机二台3200kW,排粉风机总功率1440kW),占机组容量的3%以上。因此,提高风机的运行效率对降低厂用电率具有重要的作用。

风机的运行状况和节能效果我国电站风机已普遍采用了高效离心风机,但实际运行效率并不高,其主要原因之一是风机的调速性能差,二是运行点远离风机的最高效率点。我国现行的火电设计规程SDJ-79规定,燃煤锅炉的送、引风机的风量裕度分别为5%和5%~10%,风压裕度分别为10%和10%~15%。这是因为在设计过程中,很难准确地计算出管网的阻力,并考虑到长期运行过程中可能发生的各种问题,通常总是把系统的最大风量和风压富裕量作为选择风机型号的设计值。但风机的型号和系列是有限的,往往在选用不到合适的风机型号时,只好往大机号上靠。这样,电站锅炉送、引风机的风量和风压富裕度达20%~30%是比较常见的。

电站锅炉风机的风量与风压的富裕度以及机组的调峰运行导致风机的运行工况点与设计高效点相偏离,从而使风机的运行效率大幅度下降。一般情况下,采用调节门调节的风机,在两者偏离10%时,效率下降8%左右;偏离20%时,效率下降20%左右;而偏离30%时,效率则下降30%以上,对于采用调节门调节风量的风机,这是一个固有的不可避免的问题。可见,锅炉送、引风机的用电量中,很大一部分是因风机的型号与管网系统的参数不匹配及调节方式不当而被调节门消耗掉的。因此,改进离心风机的调节方式是提高风机效率,降低风机耗电量的最有效途径。

按照流体机械的相似定律,风机、水泵的流量Q、压头(扬程)H、轴功率P与转速n之间有如下比例关系:

离心式风机在变速调节的过程中,如果不考虑管道系统阻力R的影响,且风压H随流量Q成平方规律变化,则风机的效率可在一定的范围内保持最高效率不变(只有在负荷率低于80%时才略有下降)。图1示出了离心式风机不同调节方式耗电特性比较,图2示出了采用调节门调节和转速调节方式时,风机的效率-流量曲线。由图2可知:在风机的风量由100%下降到50%时,变速调节与风门调节方式相比,风机的效率平均高出30%以上。因而,从节能的观点看,变速调节方式为最佳调节方式。

风机调速节能改造方案分析对于常年带满负荷的机组,当风机的风量裕度在30%时,选用双速电机最为经济,即使在满负荷连续运行工况下,电机也可在低速档运行,已可满足风量要求;当风量余度在20%左右时,则采用变频调速、串级调度较为经济,而采用双速电机和液力耦合器不能起到节电作用;当风量裕度在10%左右时,采用双速电机和液力耦合器调速还不及调节门调节的经济性好,而采用变频调速和串级调速与调节门调节的经济性相差不大,因而此时只要采用调节门调节即可,不必采用变速调节。

对于调峰机组和长期处于低负荷运行的机组,考虑到长期运行的安全可靠性、经济性和操作维护工作量等,变频调速和串级调速比双速电机及液力耦合器等调速方式具有更大的优越性。因此,电厂在风机节能改造时,应优先选择变频调速和串级调速方案。风机的功率一般在1000~2000kW,在目前的功率器件耐压条件下,采用高压IGBT和IGCT的三电平中压变频器,是目前的最佳选择方案。这种变频器的功率器件不串不并,可靠性最高,逆变单元采用12只HV-IGBT或IGCT,使用的功率器件最少,成本最低,体积最小。输入采用12脉冲整流器,网侧谐波小;输出采用LC滤波器,电流波形好,总的谐波畸变率THD<1%,适合于任何笼型异步电机,且不必"降额"使用。输出电压等级有2.3kV,3.3kV和4.16kV,对于我国的6kV电机,可将电机进行Y/△改接,线电压为3.47kV,考虑风机一般均有设计余量,因此采用3.3kV的变频器,完全能满足要求。对于老设备的改造特别有利,是目前最为经济合理的改造方案。ABB公司的ACS1000和西门子公司的SIMOVERTMV属这类变频器。



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4、

电机拖动


电机拖动装置由电动机及其自动控制装置组成。自动控制装置通过对电动机起动、制动的控制,对电动机转速调节的控制,对电动机转矩的控制以及对某些物理参量按一定规律变化的控制等,可实现对机械设备的自动化控制及减少能耗。电机拖动包括卷扬机、行车、机床等。


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5、

步进电机抗干扰能力的分析

在试验机控制系统中,采用工控机测量冲击电压电流波形时,电磁干扰是影响测试结果的重要问题。为了使测量结果尽可能的准确,除了让分压器尽可能的靠近试品接地和在测量电缆末端增设衰减器等常规措施外,在测量回路中采用同轴电缆的平衡接法,能够消除由于地电位的升高而引起的电缆的共模干扰。

两根电缆的长度和波阻抗必须相同,并且首末端同时匹配。通过以上措施,减弱了球隙瞬间放电引起的电磁干扰,消除了地电位的升高引起的共模干扰。

抗干扰能力低是步进电机在控制电路中的一个显著缺点,要保证步进电机稳定可靠工作,必须采取相应的措施保护步进电机及其驱动器。该控制系统在设计时采取了以下必要的保护措施:

1)安装隔离变压器和低通滤波器,防止强脉冲干扰信号串入步进电机的供电电源,烧坏步进电机驱动器的供电模块;

2)遵守“一点接地”原则,将步进电机的PE端、脉动信号的负端、方向信号负端、电源滤波器外壳、步进电机的外壳、以及步进电机和驱动器之间的电缆保护套一点接地并且接在屏蔽箱的外壳上;

3)在脉冲信号和方向信号的输入端增加瞬态电压抑制二极管(TVS),保护步进电机驱动器。



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6、

管道切割机中电机启动方式的介绍

管道切割机的控制系统中,人机界面选用MCGS嵌入式触摸屏作为组态控制画面显示器。制作组态时将每个组件设置内部属性与PLC信息采集通道建立联系。可实现的功能主要有:

1)动态显示托辊电机的转速,切割焊枪的位移。

2)通过手动触摸界面按钮控制托辊电机的转速,设置管道切割的长度,切割气体电磁阀的启闭状态。

3)PLC非正常工作时,报警灯将发出报警指示。

4)切管时间的设置。

切管机开始工作时,选择手动控制方式启动托辊电机,打开焊枪出气阀,按下点火控制按钮,此时PLC的内置定时器开始计时。切割完成后按下关阀控制按钮,同时PLC停止计时。添加好多段切管长度后,选择自动按键,进入自动加工过程。每次焊枪定位后,电磁阀自动开启,之后开始点火。切割时间由第一次手动操作界面时,PLC的计时长度决定。




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7、

电刷谈电机与电力拖动系统

电刷电机是一种机电能量转换装置。

以电磁场作为媒介将电能转换为机械能拖动机械负载,实现旋转或直线运动,这种类型的电机成为电刷电机;将机械能转变为电能,能用电负载供电,这种类型的电机称为发电机,有一些发电机是有电刷的。

电机的类型很多,其功能和用途我电刷厂家进行了分类:

电机分为动类电机和控制电机,动力类电机可分为变压器直线电机和旋转电机,旋转电机有好多分类:直流电机[带电刷}交流电机、磁阻型电机、感应电机、同步电机。

控制电机分为:伺服电机、测速发电机、自整角机、旋转变压器等。

用电动机拖动生产机械的拖动方式称为电力拖动,也成为电气拖动。由电刷电动机、生产机械及相关元件组成的系统称为电力拖动系统,电力拖动系统一般由电动机、生产机械、传动机械、控制装置和电源等5部分组成。电刷电动机的作用是将电能转换为机械能,为生产机械提供动力。

生产机械是直接进行工作的装置,在电动机的带动下完成任务,传动机构的作用是在电动机和生产机械之间实现功率传递及速度与运动方式的配合,有时也可以不通过传动机构,将电动机直接与生产机械连接。控制装置作用是根据生产工艺要求控制电动机的运行,从而控制生产机械的运行,电源是向电动机和控制装置提供电能的设备。



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8、

变频调速产生谐波对拖动电动机的影响分析

我国《节约能源法》第39条规定:“将变频调速列入通用节能技术加以推广”。在工矿企业众多的电力拖动系统是采用异步电动机拖动的,在电力拖动系统的节能技术改造中,除了优化托动系统装置的设计外,还要大力推广应用变频调速技术对拖动电动机进行节能技术改造,从而实现异步电动机的节能运行。

在变频调速的电力拖动系统中,变频器属非线性设备,其运行中必然会产生高次谐波。当变频器向拖动电动机供电时,必然会将含有颇丰的高次谐波电流输入电动机,从而对电动机造成不利的影响。为此,在对电力拖动系统实施变频调速技术改造中,还应采取相对应措施,消除谐波带给电动机的不利影响。

1变频调速的优越性

1.1变频器的调速特性好

实现异步电动机的变频调速,是发明异步电动机百年以来人们翘首以待的“世界之梦”。通过科技人员的不懈努力。提高和完善,其调速工作特性毫不逊色,即与直流调速系统相比,某些方面还超过直流调速。由于频率本身是数字量,即可实现在不需外部反馈的情况下,就能获得很硬的机械特性。同时还具有调速精度高、平滑、性能稳定、维护简单,易于实现生产过程的自动控制等特点。

1.2变频调速拖动系统故障率低

异步电动机拖动系统,可在不更换原电动机条件下,实施变频调速技术改造,即在电动机与电源之间接入相对应型号变频器,就能获得最佳调速效果。其拖动系统的故障率低,是得益于异步电动机的结构简单,转子回路内的电力不需从外部接入,故而出现故障几率极少。

1.3变频调速拖动系统可实现软起动

异步电动机若采用全压直接起动,其起动电流可达额定电流的5-7倍,必将对拖动系统或电网造成不良的影响。而采用变频调速起动,其起动电流一般不会超过额定电流的1.5倍。同时起动平稳,无冲击,实现异步电动机真正意义上的软起动。

1.4变频调速会延长设备使用寿命

变频调速技术在风机、泵类负载中使用,不仅能按负载运行要求实现转速调节,而且起动过程中振动和机械噪音很小。变频调速用于一般生产机械的电力拖动中,在起动、停止、减速、加速等工况下,均不会产生振动和冲击,故而可延长设备使用寿命。

1.5变频调速在加减速时转矩平滑

变频调速技术应用于输送机的节能改造中,在运行过程中若负载需加速、减速时,具有性能良好的软起动效果,并达到转矩平滑。尤是重载工况下起动时,可提升输出转矩,这是普通起动器所无法达到的效果。

2变频器产生谐波对拖动电动机影响

异步电动机由于结构简单、运行可靠、维护方便等优点,在工矿企业的电力拖动中得到广泛使用。对电力拖动系统的异步电动机实施变频调速技术改造,可在不更换原电动机条件下实现转速调节。但因变频器是非线性设备,运行中将会产生高次谐波,必将会对其拖动电动机造成不良影响,故而必须采取相应措施加以防范。

按常规设计的异步电动机,通常都是设计在额定频率和额定电压下工作的,只有在额定频率和电压下运行,才能保证电动机轴上的输出转矩,功率达到额定设计值。然而在变频调速工况下运行的异步电动机,因供电频率是个变量,故对电动机实际输出轴功率会有所影响。所以对不同工况下拖动电动机容量的选择,必须充分考虑这个影响因素。

通常使用的异步电动机,在额定功率和温升条件下运行,电动机的运行温度是不会超过设计值的。但在变频调速拖动系统中,由于输入电动机的电流含有颇丰的高次谐波,故而由谐波电流使电动机产生附加损耗。即使在额定频率下长期运行,由于谐波电流的影响也会造成输出转矩降低、效率下降、温升增高等异常等情况。异步电动机运行中,若是温升增高会导致线圈绝缘的挥发和降解加速,介电强度和体积电阻率下降,还可能造成线圈绝缘的炭化而丧失绝缘功能。

变频调速拖动系统中的异步电动机,因受高次谐波的影响,谐波电流所产生的磁场相对于转轴是高速旋转的,它所产生的轴电势比较高,可能会击穿轴承的油膜,使轴电流流过轴承而对轴承造成危害。

异步电动机的线圈间存在着分布电容,高次谐波电压输入时,各线圈之间的电压分担是不均匀的,往往会导致承担高电压线圈的绝缘老化加速,从而使首匝线圈成为绝缘损伤点。在变频调速拖动系统中,变频器输出电压的幅值为标准电压的3倍多,再加上变频器电压变化率(du/dt)很高,它所引起的振荡会使电动机应力变得更大,势必对线圈造成危害。

在开关频率很高的工况下,变频器和电动机之间连接电缆,若是长度过长时会产生驻波,将导致电动机端电压升高,致使电动机线圈承受端电压比电网电压高,这必然会加速线圈绝缘的老化,影响电动机使用寿命。

3变频器产生谐波的防范措施

3.1运用滤波技术消除谐波影响

为提高变频调速拖动系统中异步电动机的运行效率,必须运用谐波技术消除谐波影响。谐波器接在电动机输入端的,称为电动机端滤波;接在变频器输出端的,称为变频器输出滤波。电动机端滤波分为一阶RC串联型和一阶RC并联型两种滤波方式。变频器输出端滤波有四种结构:3.1.1LR并联型;3.1.2二阶RLC低通变频器输出端滤波;3.1.3改进型二阶RLC低通滤波,即把星型联接的阻容电路中性点与变频器直流母线中性点接在一起。该滤波器尺寸小、损耗少、成本较低、值得推广;3.1.4LC与RLC两级串联变频器输出滤波器。

3.2尽量缩短连接电缆长度

缩短变频器与电动机之间联接电缆的长度,为的是避免驻波产生而造成的影响。切勿将连接电缆过长部分盘成圈状放在变频器框内,这种处理方法欠佳,仍会造成谐波干扰。

其次,可在变频器进线电缆端套上约1.5~2m的金属蛇皮管,管皮外壳良好接地,这也是抑制谐波干扰的措施。此外,还可将变频器控制线屏蔽,并做好屏蔽层的良好接地,这也能防止谐波干扰。

3.3变频器和电动机的选用

在实施变频调速技术改造时,为提高电力拖动系统的运行效率,应选用不易输出高反射电压的变频器。若有更换拖动电动机,应选用专用变频器驱动的电动机。



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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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