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节能改造关注问答
1、

水泥厂电动机节能分析

目前,水泥行业的竞争非常激烈,但关键还是制造成本的竞争,而电动机电耗占成本30%,因此做好电动机的降耗增效工作就显得极为重要。所以,我们要从调速方式、电动机的选型、启动装置等方面入手等每个环节开展细致的工作,同时要大力应用新技术新成果,促进企业的节能降耗。

一、变频调速节能

1、风机、水泵上的变频调速节能

大部分水泥厂的一些设备尤其是一些大功率设备在生产过程中绝大部分时间都是不满负荷,在生产过程中都是通过调节挡风板或阀门的开启角度的机械调节方法来满足不同的用风(水)量,这种操作方式的缺点是:(1)电机及风机或水泵的转速高,负荷强度重,电能浪费严重;(2)设备运行的自动化程度相当低,几乎完全靠人工调节,调节精度差,控制不精确;(3)电气控制采用直接或降压起动,启动时电流对电网冲击大,需要的电源(电网)容量大,功率因素较低。(4)起动时机械冲击大,设备使用寿命低;(5)噪声大,粉尘污染严重等。在水泥厂主要有生料磨排风机,窑尾废气处理风机,罗茨风机,水泥磨排风机,煤磨风机、蓖冷机风机、选粉机、循环水泵、给水泵等。由于变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系:n=60f(1-s)/p,(式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数);通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。通过流体力学的基本定律可知:风机、泵类设备均属平方转矩负载,其转速n与流量Q,压力H以及轴功率P具有如下关系:Q∝n,H∝n2,P∝n3;即,流量与转速成正比,压力与转速的平方成正比,轴功率与转速的立方成正比。如下图示为压力H-流量Q曲线特性图:

n1-代表电机在额定转速运行时的特性;

n2-代表电机降速运行在n2转速时的特性;

R1-代表风机、泵类管路阻力最小时的阻力特性;

R2-代表风机、泵类管路阻力增大到某一数组时的阻力特性。

风机、泵类在管路特性曲线R1工作时,工况点为A,其流量压力分别为Q1、H1,此时风机、泵类所需的功率正比于H1与Q1的乘积,即正比于AH1OQ1的面积。由于工艺要求需减小流量到Q2,实际上通过增加管网管阻,使风机、泵类的工作点移到R2上的B点,压力增大到H2,这时风机、泵类所需的功率正比于H2与Q2的乘积,即正比于BH2OQ2的面积。显然风机、泵类所需的功率增大了。这种调节方式控制虽然简单、但功率消耗大,不利于节能,是以高运行成本换取简单控制方式。若采用变频调速,风机转速由n1下降到n2,这时工作点由A点移到C点,流量仍是Q2,压力由H1降到H3,这时变频调速后风机所需的功率正比于H3与Q2的乘积,即正比于CH3OQ2的面积,由图可见功率的减少是明显的。

也就是当风机水泵的转速下降10%时,电机消耗功率下降27.1%.所以风机水泵采用变频调速节能效果非常明显。

2、用变频调速取代传统调速

传统调速所采用的晶闸管串级调速、直流调速、电磁滑差调速、液力耦合器调速和异步电动机的变级调速等存在传动效率低、难维护等缺点,而变频调速结构简单,稳定可靠,调速精度高,启动转矩大,调速范围广。所以采用变频调速在提高机械的传动效率就可节能20%左右。

3、变频在空气压缩机上应用

空压机恒压供气使用变频器与压力控制构成闭环控制系统,使压力波动减少1.5%,降低噪音、减少振动。保证设备长期稳定运行,从而减少了设备维护工作量,延长了设备使用寿命。用变频器后,空压机可在任何压力下随意起动,打破了以前不允许带压起动的规定,起动电流也较以前大大降低。通过使用变频器后的实例,多数压缩机节电率约在20%左右。

总之:采用变频器控制将有以下诸多优点:

(1)、采用变频器控制电机的转速,取消挡板调节,降低了设备的故障率,节电效果显着;

(2)、采用变频器控制电机,实现了电机的软启动,延长了设备的使用寿命,避免了对电网的冲击;

(3)、电机在低于额定转速的状态下运行,减少了噪声对环境的影响;

(4)、具有过载、过压、过流、欠压、电源缺相等自动保护功能;

(5)、提高产品质量及产量。

实践证明,变频改造具有显着的节电效果,是一种理想的调速控制方式。既提高了设备效率,又满足了生产工艺要求,并且还大大减少了设备维护、维修费用,另外当采用变频调速时,由于变频装置内的直流电抗器能很好的改善功率因数,也可以为电网节约容量。直接和间接经济效益十分明显。[page]

二、电动机的功率因数补偿

笼型电动机通常采用并联电容器就地补偿的方法。绕线式电动机可采用进相机补偿的方式。进相机补偿分旋转式和静止式2种,由于旋转式进相机结构上的缺陷,目前逐步被静止式进相机所代替。

合理选用电动机类型

Y系列电动机是全国统一设计的新系列产品,是国内目前较先进的三相异步电动机。20世纪80年代中期即在全国推广应用。其优点是效率高、节能、启动性能好。而目前国内许多老水泥企业仍大量采用JO2系列电动机,相比来说Y系列比JO2系列电动机效率提高了0.413%。因此用Y系列电动机取代旧式电动机势在必行。

选择电动机类型除了满足拖动功能外,还应考虑经济运行性能。对于年运行时间大于3000h,负载率大于50%的场合,应选择YX系列高效率的三相异步电动机。与Y系列相比,其效率平均高3%,损耗降低20%~30%,虽然价格高于Y系列电动机,但从长期运行考虑,经济性还是明显的。

同步电动机能提高企业电网的功率因数,降低供电线路损耗,但控制系统繁杂,价格较高。

合理选用电动机的额定容量

国家对三相异步电动机3个运行区域作了如下规定:负载率在70%~100%之问为经济运行区;负载率在40%~70%之间为一般运行区;负载率在40%以下为非经济运行区。若电动机容量选得过大,虽然能保证设备的正常运行,但不仅增加了投资,而且它的效率和功率因数也都很低,造成电力的浪费。因此考虑到既能满足水泥厂设备运行需要,又能使其尽可能地提高效率,水泥企业一般负载率保持在60%~l00%较为理想。对于负载率小于40%的三角形接法电动机可改为星型接法,以提高其效率。

同步电动机能提高企业电网的功率因数,降低供电线路损耗,但控制系统繁杂,价格较高。随着异步电动机制造水平的提高,新设备已很少采用。

三、电动机启动和运行形式

低压笼型大中型电动机

若采用全压直接启动方式,这要求电力系统有足够大的容量,而实际运行时,电力系统负载率很低,影响供电效率,并且用直接启动方式易烧毁开关、电动机,影响电网其他设备的运行,往往为了尽量减少电动机启动次数而宁愿让电动机空转而不停车,造成大量浪费。此类电动机可以用电动机软启动器启动。电动机软启动器是采用大功率晶闸管模块作为主回路的开关元件,通过控制它的导通角以实现软特性的电压爬升。它具有对电网无过大冲击,对机械传动系统(齿轮及轴连接器)震动小,启动转矩平滑稳定等诸多优点。启动电流在2.5~3.5倍额定电流之间可调,启动时间可调。

高压笼型电动机

传统的启动方式多选用电抗器、自耦变压器等,但这些启动设备都不能很好地满足启动要求,很难获得理想的启动参数。目前出品的热变电阻软启动装置能较好地满足启动要求。热变电阻器由具有负温度系数的电阻材料制成,电阻器串于电动机定子回路,当电动机启动、电阻体通过启动电流时,其温度升高,而阻值随之减小,从而使电动机端电压逐步升高,启动转矩逐步增加,以实现电动机的平稳启动。根据电动机参数和负载要求的启动转矩,能方便地配置适当的启动电阻值获得最佳的启动参数,即在较小的启动电流下,获得足够大的启动转矩。

大型绕线型电动机

以前大多采用频敏变阻器启动,但其故障率太高。目前较为成熟的方式是采用液体变阻启动器。它是利用两极问的液体电阻,通过机械传动装置使极板的距离逐步接近,直至接触,达到串人转子回路中的电阻无级变小最后为零,实现电动机无冲击的平滑启动。其特点是启动电流小,对电网无冲击,热容量大,可连续启动5~10次,维护方便,使用可靠。目前我厂该类型电动机已全部采用液体变阻启动器。

中、小型绕线电动机

以前主要采用频敏电阻器和油浸电阻器启动,由于有滑环、碳刷、短路环等零件与继电器、交流接触器、频敏或油浸变阻器等电器元件组成的启动系统都安装在粉尘较大的生产现场,因此它具有故障率高、维修量大的缺点,经常影响设备的正常运行,而无刷无环启动器较好地解决了上述问题,它是一种启动平滑,不改变运行特性且不受粉尘干扰的启动设备。其一次启动电流限制在3.0~4.0Ⅰe之间,适合于11~600kW的高低压绕线型电动机。该启动器是利用频敏变阻器的原理,利用铁磁性材料的频感特性研制而成,安装在电动机转轴原来装集电环的位置,与转子同步旋转,省去了电动机的辅助启动装置。

成球供水系统

生料成球工序是影响水泥熟料烧结质量的关键工序之一,其中水、料比例直接影响成球好坏。应用变频器后能通过跟踪生料供给量对成球预加水泵的转速进行无级调速,从而实现全自动化的闭环控制,料水配合稳定,成球效果良好,大大提高水泥烧结质量。此系统改造主要为提高自动化程度和制造工艺水平考虑,由于功率较小省电效果还在其次。

生料均化给料系统

此系统用变频改造后,将所有送料口处的送料电机用变频器进行同步无机调速,等比例送料,提高均化效果,此点也是从制造工艺角度考虑。[page]

四、水泥选粉系统

水泥选粉系统的工作原理是根据所生产的水泥的标号的不同,调节选粉机和选粉风机的转速,从而选出不同细度的水泥制品。老式选粉机要调整风机轴上的扇叶的数量和角度,经过对比试验达到所要求的选粉细度;新式选粉系统分选粉机和选粉风机两部分,选粉机由滑差电机调速,选粉风机靠调节挡风板角度调节用风量。这两种系统都存在操作工艺复杂、调节精度差、浪费电能严重的缺点,特别是滑差点机不但费电,由于水泥制造环境粉尘严重,因此滑差头骨胀率特别高,维修困难。变频改造后,不管是老式系统还是新式系统,只要将电机调节到一个特定的转速就能选出所需要的细度的颗粒,在节约电能的同时还做到了连续化、自动化生产,既提高了劳动效率,又降低了劳动强度,综合效益明显。

五、立窑卸料系统

为使水泥烧结过程中加料、供风、卸料三平衡,立窑普遍采用滑差电机(电磁调速电机)做为盘塔式卸料装置的动力,该电机不但防护等级满足不了水泥生产现场环境的需要,而且在相同输出转速的条件下消耗的功率也比系列电机高出百分之二十左右,在降低转速时相差更多,因此采用变频调速系统代替滑差调速后,解决以上所诉的缺点,且调速性能远远高于滑差调速电机,在节电的同时维修费用也大大降低,在各行业得到普遍应用。

应用变频器对可以调速的电机进行控制,在节约大量电能的同时,还具有软起功能,同时降低了电机的起动电流和运行电流,降低整个电力系统和机械系统启动和工作时的负荷强度,延长了机械部件的使用寿命。另外对滑差电机的变频改造提高了电机的防护等级,减少了因环境恶劣而造成的电机故障率。

六、意外收获

由于变频器工作和启动时电流的下降,为其他设备的启动提供了必要的保证,无形中增加了工厂的电力容量,这对电网电压不稳和电力容量偏小的场合尤为有利。象天马水泥有限公司这样整体改造后,可省下200KVA的变压器容量,新上设备时变电所可暂不增容,可节省大量投资。

当然,经过变频改造后还应加强生产工艺方面的管理,再生产允许的条件下合理的调节电机的转速,以达到理想的节能结果。这有待于在以后的工作中加以不断的完善。

1在立窑罗茨风机上的应用

立窑煅烧熟料所耗的电能中,罗茨鼓风机的电耗一般占60%左右,随着电价的调整,电费在水泥生产成本中说占的比例越来越高。因此,降低鼓风机的能耗成为提高企业经济效益的重要一环。

对罗茨风机可由变频器改变风机的供电电源频率进行无级调速来调节风量,重庆地维水泥有限公司在1号窑132KW罗茨风机上安装变频器,节电率高达62.2%。吨熟料电耗由安装变频器前的15.22度下降到安装后的5.55度;河南焦作水泥厂在10000/吨水泥熟料旋窑生产线生料流态化系统55KW罗茨风机上安装了变频器后节电率高达73.2%,平均每日用电量由安装前的606度下降到安装后的162度,每日节电444度。

2在离心风机上的应用

有某些水泥厂是采用高压离心式风机进行供风,该种水泥窑的风量调节是通过风门开启度对风量进行调节。对离心风机的变频调速改造同样有巨大的节能潜力。这是因为离心式风机设备的流量与转速的成正比,压力与转速的平方成正比,功率与转速的立方成正比。因此在调节风量或流量时,如降低20%的风量或流量,功耗则会下降50%,但是必须注意,转速与压力是成平方关系,当转速下降20%时,压力则会下降60%,因此必须注意工艺要求的压力范围不能象罗茨风机那样,不用考虑转速与风压的关系。

3在立窑卸料机上的应用

立窑卸料机若采用滑差调速电机,其转速通常控制在300~1000rpm(工艺上根据窑的情况,对卸料速度进行控制的)。采用变频调速的方法取代滑差电机,经过多个厂家应用结果表明,平均节能达40%左右,这是因为滑差调速是一种耗能的低效调速方法。

由下列公式可知:

滑差电机主电机轴的输出功率:P0=KM0N0(P0表示输出功率,M0表示负载转速,N0表示电机转速,K为常数)

滑差头输出功率P1=KM0N1(P1表示输出功率,N1表示滑差头转速)

滑差头损耗功率:P=P0-P1=KM0(N0—N1)

由此可见,滑差电机的转速越低,浪费能源越大,而卸料机的转速通常在400rpm左右运行,因此改用变频调速的方法会有50~60%的节能效果。

5在预加水成球系统中的应用

目前,预加水成球技术在立窑水泥厂中应用已相当普遍。它在提高成球质量,改善煅烧操作条件,提高立窑熟料产量和质量方面取得了比较明显的效果。其结合微机双回路调节器,就能实现水料比例自动跟踪,自动调节,做到恒压供水。调节及时,极大地减轻了工人的劳动强度,同时也改善了成球质量,使预加水系统真正起到预湿成球的作用,为立窑生产出优质高产的熟料创造了条件。

针对上述问题,结合生料车间选粉机负荷转速不超过600r/min的特点,对选粉机电气部分进行变频调速技术改造。经实际测量,选粉机改造前,运行速度在594r/min时,输入电压385V,输入电流72A,功率因数0.82,故输入功率为40KW;改造后,运行速度在594r/min时,输入电压387V,输入电流18A,(热继电器也做了相应调整),功率因数0.92(变频器加装了直接电抗器)则输入功率为11KW。改造后一年中,没发生过任何故障,保证了系统的安全运行,大大减少了维护工作量和维修费用,而且节能效果十分显着。

变频器在水泥厂的应用还不止这些,比如说回转窑球磨机、卸料圆、盘给料机、双管绞刀裙、板喂料机调速皮带称喂、煤绞刀、蓖冷机等一切需交流调速的设备都可以采用变频调速器。



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2、

受转速影响导致器具受的总扭矩M不能保持恒定

由于切割元件的存在,方式三与方式一存在相似的问题。在U额定时工具上的额定扭矩M其实有两部分:切割元件的转矩M1和测功机的扭矩M2,仪表显示的即M2。电压变化时M2保持不变,而M1的大小受转速影响导致器具受的总扭矩M不能保持恒定。导致了测试到的效率比实际效率偏低。对于额定扭矩本身就很小的器具,扭矩的微小变化便会引起测量结果的较大差别。所以方式三仍不符合标准要求。正常工作时的运动部件,如砂轮片等具有散热功能,如果试验过程中不安装会导致温升增加,故试验时应安装类似部件,以模拟实际工况。

砂轮片部件被认为是没有旋转不平衡量的,否则一方面加载扭矩不恒定,另一方面由于不平衡引起的转矩变化对温升的影响会抵消甚至远大于其散热对温升的影响。对手持式割草机温升测试结果有影响的,不仅是器具本身,试验过程中的各种不当因素也会造成试验结果的不准确,其中以加载方式的影响尤为明显。

在温升测试中,根据实际情况决定是否安装正常工作需带的旋转部件时,应首先保证部件的不平衡量不会影响到加载扭矩的恒定保持。对手持式割草机温升测试,切割元件和带切割元件同时连测功机的加载方式均不宜采用。仅连测功机的加载方式是符合标准要求的,当对试验结果有疑义时,应以此为准。



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3、

实现土层受扰动信号的远程采集以及盾构机刀盘的多电机同步驱动

综合试验台的设备组成掘进机试验台主要分为两部分:土箱加载部分及盾构机本体部分。土箱加载部分对实际掘进土质状况进行模拟,盾构机本体部分用来完成掘进施工。综合试验台的底层信号掘进机试验台土箱加载部分的信号主要是由压力传感器与位移传感器组成。而且这两类信号都不是标准信号,需要进行前期信号处理,再进行远程传输。盾构机本体部分的信号,大多是标准信号,较容易采集。

监控系统的组成由于盾构机的控制都是由PLC来完成,为了保证系统的统一性,基于全集成控制的理念,系统组成如下:土箱加载部分和盾构机本体部分,各用一套PLC、各用两套上位监控软件;后台数据分析用服务器一台。本设计用Profinet与Profibus实现土层受扰动信号的远程采集,以及盾构机刀盘的多电机同步驱动。使用交换机可以把网络分成盾构机本体、土箱加载部分和数据库管理三个网段,将负荷分隔开来,使整个网络性能增强。

盾构机本体部分的开关量与模拟量信号,通过ET200S采集到现场总线Profibus;土箱加载部分的土层压力信号,通过信号放大处理由ET200M采集到现场总线Profinet;土箱加载部分的土层位移信号,经过信号处理,通过485转换器采集到现场总线Profibus。通过现场总线Profibus,实现以PLC为控制器、以S120为执行器的盾构机刀盘的同步驱动控制。



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4、

电动机直接启动严重影响电动机的绝缘性能和使用寿命


风机运行中实际风量仅为额定风量的一部分,风机远离额定工作点运行,其实际运行效率很低,能耗浪费问题严重。由于挡板的存在,挡板前后存在压差,消耗了很大一部分能量,同时加大了对管道和风机的磨损。采用人工方式来调节挡板,操作麻烦,实时性差。电动机直接启动,启动电流为额定电流的6~8倍,严重影响电动机的绝缘性能和使用寿命,并会对电网造成较大冲击。电动机运行功率因数最高为0.8,功率因数低,无功损耗大。

技术改造节能原理项目通过技术改造,新增高、低压变频器系统,以调节电动机运行频率(转速)的方式替代了原有的调节风门的运行方式,从而起到节省电能、提高功率因数、改善运行工艺的作用。从风机的运行曲线图来分析采用变频调速后的节能效果。

项目技术改造方案通过新增的高压变频器系统与低压变频器系统,使风机可以在变频运行状态和工频运行状态间进行切换,即使在变频器发生故障时也不会影响风机的运行,保证不因增加高压变频器系统与低压变频器系统而降低原有系统的整体可靠性,同时在变频运行时,调节电动机转速,达到节能效果。



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5、

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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6、

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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7、

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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8、

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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9、

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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