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节能改造关注问答
1、

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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2、

直流电机做发电机使用注意事项



上图为直流电机的俯视图,关于直流电机做发电机使用的时候,有以下几点要注意:

(1)因为电枢导磁,故图中线圈内部(黑色)不存在电磁感应现象。磁场只存在于电枢外部和电枢铁芯中。

(2)电刷与正负极出线固定,换向器随转子做逆时针运动,如图。

(3)一般来说一个换向器对一个电刷,也有3个左右换向器对一个电刷。

结论:

(1)关于直流电机做发电机时候正负极的判断:蓝色铁芯导慈,故图中黑色部分不存在磁场,所以只在蓝色铁芯外做切割磁感线运动,故电动势只产生于蓝色铁芯外部。

然后图中逆时方向运动,电动势如图所示,以图中正极为例的话,电动势流向电刷,再由电刷流向外部电路,这和电源正极的特点一样,故为正极。同理可知右边部分为负极。

(2)输出电动势为关联各换向片的电动势和,此处关联是感应电动势方向与正负极关联。

(3)关于正负极为什么位于图中位置时,所得电动势最大,是因为如果不是图中的位置,会有正负电动势在同一极的关联方向相互抵消。



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3、

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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4、

电机能效提升的意义 节能推广分析及建议

中国中小型电机行业政策从国家层面主要就是推广节能高效电机。节能高效电机与普通电机相比,损耗平均下降20%、效率提高2%-7%;超高效电机则比节能高效电机效率平均再提高2%。电机系统节能对推行节能降耗战略的国策影响巨大。

为适应国民经济的发展要求,我国大力推广高效节能电机。高效节能电机是指通用标准型电动机具有高效率的电机。高效节能电机采用新型电机设计、新工艺及新材料,通过降低电磁能、热能和机械能的损耗,提高输出效率。

电机能效提升意义

业内人士指出,长期以来,我国电机寿命平均比国外低3%到5%,运行系统效率比国外低10%到20%。而在2013年中国电机保有量大约17亿千瓦,总耗电量为3万亿千瓦时,占全社会用电总量的64%、工业用电的75%。“如果电机系统的效率提高5%到8%,每年节约的电相当于两到三个三峡大坝的发电量。”中国节能协会常务副理事长王秦平称,超高效电动机的研发和生产,是提高电机系统效能的重要基础,铜转子电动机这种代表世界最高水平的电动机组建,将有利促进中国电动机能效的提升。

但国内高效电机标准未强制实施之时,企业认可度不高。美国2011年就已经强制执行IE3(效率等级),中国目前在强制推IE2标准。据魏华钧介绍,原来计划2015年推IE3标准,但国内电机行业没作好准备,个别企业没做到,多数企业做不到,所以推迟到2016年,比美国落后5年。

高效电机节能分析

为准确测试高效电机与普通电机的节能效果,有机构做过试验。选择了某电机生产企业YE3-160M1-2型号电动机与该企业早期生产的同规格Y160M1-2型号电动机分别在50%及75%负载率下进行了对比试验。

——试验数据说明

电机处于50%负载率运行时,Y160M1-2输出功率为5522.3W,YE3-160M1-2输出功率为5524.1W,可以等同认为在同一负载率下运行,其输入功率分别为6715.0W、6392.0W,转速分别为2965.4rpm、2976.7rpm。

电机处于75%负载率运行时,Y160M1-2输出功率为8284.6W,YE3-160M1-2输出功率为8265.0W,可以等同认为在同一负载率下运行,其输入功率分别为9679.0W、9270.0W,转速分别为2949.3rpm、2964.1rpm。

——节能效果分析

电动机处于50%负载率运行时,Y160M1-2电机效率为82.24%,YE3-160M1-2电机效率为86.42%,效率提高4.18个百分点;电动机处于75%负载率运行时,Y160M1-2电机效率为85.59%,YE3-160M1-2电机效率为89.16%,效率提高3.57个百分点。从现场测试效果来看,节能效果明显。

高效电机推广难题

1.对高效节能电机替代普通电机的认识不到位

电机作为拖动设备的动力装置,在大多数运行环境下,对其运行参数的要求不高,也不属于易损设备,很多上世纪六十年代生产的J系列电动机仍然在很多企业中正常运转。在市场经济下,有些企业目光短视,缩减成本进行采购,这与高效电机价格较高成了一对矛盾。只要能电机保证生产正常运行,大部分企业一般不会拿出额外的投资来更换电机,当然也更不会拿出超出普通电机很多的投资来更换高效电机,这是高效电机推广困难的主要因素。另外,信息不对称、观念错位、市场不规范、节能意识不强等也成为高效电机在我国推广的障碍。

2.对高效节能电机节能效果认知度不够

部分用能企业更换高效节能电机后反映,其用电量与原低效电机节能相比,节能效果并不明显,对高效电机节能率3-5%存在质疑。笔者以为,同等输出功率的更高一级能效电机的转差会减少20%-30%,转速比普通电机高10转以上,其拖动设备运行状态发生了一定改变,而对于大多数的用电设备,其电力消耗与转速的三次方成比例关系,例如,增加2%的运行速度将会造成增加8%的电力消耗,这就很容易抵消更换高效电机所预期的节能量。节能效果只考虑耗能,不考虑出力增加,是统计节能量偏小的重要因素。

3.高效电机价格偏高

高效电机从设计、材料和工艺上都采用了先进的技术措施,例如采用新型材料、合理的定转子槽数、风扇参数和正弦绕组等,来降低损耗,因此高效电机生产成本比普通电机高10-20%左右,有的甚至高50%,导致许多用户产生“节能不节钱”的观念。

4.电机销售模式决定高效电机推广困难重重

据有关资料显示,电机销售面向的三类客户其产品用量所占比分别为:终端用户占5%,代理商约占15%,下游产业的机械设备配套商占80%。由于由此可见,高效电机能否最终被市场接受,机械设备配套商的态度最为关键。由于大多数机械设备配套商并不是最终使用者,他们更多的是考虑如何节省一次性投入,提高自己终端产品在竞标中的价格优势,关注价格多于关注效率,缺乏主动采购高效电机的动力,而终端用户又没有决定采用高效电机的权力,这是高效电机推广的重要瓶颈。

5.电机系统节能技术改造合同能源管理项目推行困难

合同能源管理作为近几年兴起的一种市场化节能机制,对于促进企业提升能源利用效率发挥了积极作用。由于电机系统节能改造项目投资较大、节能量统计计量困难、回收期长等因素,有些节能服务公司仅仅以高效电机与普通电机的节电率来核算其回收期,不愿意开展电机系统技术改造的项目。

高效电机推广建议

据了解,未来工信部将充分利用财政补贴政策拉动高效电机市场。一方面,落实好节能产品惠民工程高效电机推广财政补贴政策;另一方面,逐步把选用高效电机作为高效风机、泵、压缩机等通用设备入围节能产品惠民工程的必要条件,延伸财政补助推广高效电机的产业链"。

高效节能电机采用新型电机设计、新工艺及新材料,通过降低电磁能、热能和机械能的损耗,提高输出效率,已经有比较成熟的技术,也就是说企业基本都能生产。然而,电机能效提升计划并未能如期完成。其中原因是长远利益和眼前利益的矛盾、短期投入和产出的矛盾、改革创新和因循守旧的对立,以及企业改革导致短期经济利益失衡的现实。但是中国改革开放的收获和经验告诉我们,革新一定是正确的。

产业前沿建议,综合工业先进国家和中国自己的实践经验,应该从这几个方面加大力度执行电机能效提升进程:第一,强制法规约束、奖惩分明、责任到位;第二,对经济(工业)发达地区提出更高的要求和执行目标;第三,加大财政补贴力度、重点企业重点补贴、超额企业额外补贴;第四、分类批量改造或建设全高效节能电机应用(试点)企业、变试点企业为标杆企业;第五,研究降低高效电机的生产成本;第六,尽量要求高标准甚至超标准,比如选择稀土永磁钕铁硼电机等。

2015年7月,工信部官员再度提出电机能效提升工作的重要性和紧迫性,要将这项工作作为当前乃至“十三五”工业节能减排领域的重要任务,并纳入工业绿色发展专项行动,下一步的重点方向是按照行业和领域用市场化的机制推进电机系统节能。



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5、

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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6、

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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7、

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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8、

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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9、

三相异步电动机的基本结构

电动机(Motors)是把电能转换成机械能的设备,它是利用通电线圈在磁场中受力转动的现象制成,分布于各个用户处,电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机,电力系统中的电动机大部分是交流电机,可以是同步电机或者是异步电机(电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速)。电动机主要由定子与转子组成。通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线(磁场方向)方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用,使电动机转动。

(一)定子(静止部分)

1、定子铁心

作用:电机磁路的一部分,并在其上放置定子绕组。

构造:定子铁心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成,在铁心的内圆冲有均匀分布的槽,用以嵌放定子绕组。

定子铁心槽型有以下几种:

半闭口型槽:电动机的效率和功率因数较高,但绕组嵌线和绝缘都较困难。一般用于小型低压电机中。

半开口型槽:可嵌放成型绕组,一般用于大型、中型低压电机。所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。

开口型槽:用以嵌放成型绕组,绝缘方法方便,主要用在高压电机中。

2、定子绕组

作用:是电动机的电路部分,通入三相交流电,产生旋转磁场。

构造:由三个在空间互隔120°电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成,这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。

定子绕组的主要绝缘项目有以下三种:(保证绕组的各导电部分与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘)。

(1)对地绝缘:定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。

(2)相间绝缘:各相定子绕组间的绝缘。

(3)匝间绝缘:每相定子绕组各线匝间的绝缘。

电动机接线盒内的接线:

电动机接线盒内都有一块接线板,三相绕组的六个线头排成上下两排,并规定上排三个接线桩自左至右排列的编号为1(U1)、2(V1)、3(W1),下排三个接线桩自左至右排列的编号为6(W2)、4(U2)、5(V2),.将三相绕组接成星形接法或三角形接法。凡制造和维修时均应按这个序号排列。

3、机座

作用:固定定子铁心与前后端盖以支撑转子,并起防护、散热等作用。

构造:机座通常为铸铁件,大型异步电动机机座一般用钢板焊成,微型电动机的机座采用铸铝件。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积,防护式电机的机座两端端盖开有通风孔,使电动机内外的空气可直接对流,以利于散热。

(二)转子(旋转部分)

1、三相异步电动机的转子铁心:

作用:作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。

构造:所用材料与定子一样,由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成,硅钢片外圆冲有均匀分布的孔,用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上,大、中型异步电动机(转子直径在300~400毫米以上)的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。

2、三相异步电动机的转子绕组

作用:切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流,并形成电磁转矩而使电动机旋转。

构造:分为鼠笼式转子和绕线式转子。

(1)鼠笼式转子:转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁心,整个绕组的外形像一个鼠笼,故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组,对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。鼠笼转子分为:阻抗型转子、单鼠笼型转子、双鼠笼型转子、深槽式转子几种,起动转矩等特性各有不同。

(2)绕线式转子:绕线转子绕组与定子绕组相似,也是一个对称的三相绕组,一般接成星形,三个出线头接到转轴的三个集流环上,再通过电刷与外电路联接。

特点:结构较复杂,故绕线式电动机的应用不如鼠笼式电动机广泛。但通过集流环和电刷在转子绕组回路中串入附加电阻等元件,用以改善异步电动机的起、制动性能及调速性能,故在要求一定范围内进行平滑调速的设备,如吊车、电梯、空气压缩机等上面采用。

(三)三相异步电动机的其它附件

1、端盖:支撑作用。

2、轴承:连接转动部分与不动部分。

3、轴承端盖:保护轴承。

4、风扇:冷却电动机。

三相异步电动机型号字母表示的含义:

J——异步电动机;O——封闭;L——铝线缠组;

W——户外;Z——冶金起重;Q——高起动转轮;

D——多速;B——防爆;R一绕线式;

S——双鼠笼;K一—高速;H——高转差率。



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