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工业节能与大数据相结合,为节能事业发展指明方向

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422018-09-26 09:27:59

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工业节能从哪些技术方向进行节能改造?

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122018-09-13 15:09:41

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节能改造关注问答
1、

什么是有刷电机?什么是无刷电机?

电机工作时,线圈和换向器旋转,磁钢和碳刷不转,线圈电流方向的交替变化是*随电机转动的换相器和电刷来完成的。在电动车行业有刷电机分高速有刷电机和低速有刷电机。有刷电机和无刷电机有很多区别,从名字上可以看出有刷电机有碳刷,无刷电机没有碳刷。

1、有刷电机电机工作时,线圈和换向器旋转,磁钢和碳刷不转,线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的。在电动车行业有刷电机分高速有刷电机和低速有刷电机。有刷电机和无刷电机有很多区别,从名字上可以看出有刷电机有碳刷,无刷电机没有碳刷

2、无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成,是一种典型的机电一体化产品。由于无刷直流电动机是以自控式运行的,所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组,也不会在负载突变时产生振荡和失步。

3、有刷电机是传统产品,性能比较稳定。

无刷电机是升级产品,其寿命性能比有刷电机好。但其控制电路比较复杂,对元件的老化筛选要求比较严格。虽然电机寿命长但控制电路容易出毛病。因此选用无刷电机要经过严格的可靠性试验以确保质量。,但是随着技术的不断升级几步,无刷电机技术已经相当成熟。

4、在实际生产过程中,由于有刷有齿直流电机是高速电机,齿轮的齿很小,易磨损,但力量大,爬坡能力强。而无刷直流电机,在使用过程中省去了二、三年换碳刷的麻烦。但由于在控制无刷电机的过程,要求精度极高。而且,无刷电机控制器的价钱也较高。相比之下有刷无齿的直流电机,虽然要更换碳刷,但更换碳刷是十分容易的,而且电机的控制较为简单,电机运转平稳,安全系数高。

5、有刷电机是指电机是直流电输入,控制它的控制器只给它提供大小电流就可以调速了;而无刷电机其实就是个三相交流电机,靠控制器把直流电转换成三相交流电,并根据电机里的传感器霍尔元件进行换相使电机正常运转。直接来说,无刷电机比有刷电机寿命长、起步有劲省电,但是控制器却比有刷控制器成本高。目前,现在的都是无刷控制器,有刷的已经基本淘汰了。电动车控制器是用来控制电动车电机的启动、运行、进退、速度、停止以及电动车的其它电子器件的核心控制器件,它就象是电动车的大脑,是电动车上重要的部件。



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2、

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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3、

管道切割机控制中伺服电机的工作原理

在管道切割机控制系统中,测速辊和管编码器配合使用,将辊轮的角位移转化为电脉冲信号向PLC提供数字量信号,以转速的形式在人机界面中进行显示。

接近开关用于将切割焊枪移架路径限制在允许的范围内,防止切管长度设置错误,焊枪支架移位至丝杠固定端面并与之发生机械碰撞,对机构造成损坏。切割焊枪送气管道内置电磁球阀,由PLC控制接触器的开关状态,实现送气阀的开启与关闭。

焊枪定位杆架上安装有位移传感器,启动丝杠电机,减速器带动丝杠旋转。同时,焊枪定位杆架开始沿平行于管道轴线方向向前(后)移动,当其移动到接近管道一端面时,关闭丝杠电机。调整焊枪枪头至管道端面合适切割点位置,设置传感器初始位移为0,完成切割焊枪的初始化定位工作。

在人机界面中设定好托辊转速以及管道切割长度,经PLC运算指令线性运算后自动转化为伺服电机设定的脉冲数。工作时,伺服电机每接受一个脉冲就会旋转一定角度。与此同时,伺服电机每旋转一个角度,都会发出对应数量的脉冲,和伺服电机接受的脉冲形成闭环控制。从而控制丝杠转动圈数和主动托辊的转速,达到精确控制切割焊枪每次移位距离和所切割管道转速距离。



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4、

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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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、

龙门刨床的电气改造及节电经济效益分析

本文介绍了早期的由发电机组拖动的龙门刨床或单臂刨床现存的问题,并简述了针对该种类型的刨床改造方式:采用全数字直流调速装置组合先进的PLC控制方式,着重强调了改造后的节能降耗所带来的经济效益以及改造后的其它特点。

一、序言

随着社会的进步,科技的发展,产于上个世纪七、八十年代的龙门刨床的电器控制线路已经十分落后,而且老化严重,故障频繁,维修非常困难,费时费力,效率低,能耗大,同时噪音也很大,污染严重。经过多年的时间经验,我们对老式龙门刨床的电气控制线路进行了彻底的技术改造,将发电机组、交磁扩大机控制的龙门刨床改造成为全数字智能化的电气控制系统。

上个世纪七、八十年代的龙门刨床工作台一般是由一台60KW直流电机拖动。该直流电机参数为:60KW,220V,305A,1000RPM,励磁为220V,4.11A。该直流电机电源采用电动机-直流发电机组和交磁扩大机提供(简称K-F-D系统),采用调直流发电机的励磁电流方式来改变直流电动机的电枢电压,从而达到调速的目的。原来整个电气控制系统比较复杂,使用电器元件也比较多,加之使用时间长,故障频繁。我公司综合以往改造经验,B2010A、B2012A、B2012Q、B2151、B2152、B2016A、BJ2020、B20125Q等10余种型号的龙门刨床及单臂刨床都很适合全数字智能化控制的电气系统改造。

二、早期龙门刨床的特点:

1、刨床的工作台驱动是由交流电动机、直流发电机、直流电动机及交磁扩大机组成。K-F-D控制系统的主要缺点是:起动电流大,对电网容量要求高,机械传动能耗大,传输效率低。

各电机基本参数见下表:

<center></center>2、改造前的龙门刨床电控系统存在的问题及缺点:

⑴设备使用时间长达数十年,电器元件严重老化,故障率频繁,维修费用高,已不能满足目前生产加工的需要;

⑵由于采用的是交直流电动机组,其效率只有0.5~0.68,并且能耗高;

⑶主传动及控制部分中间环节较多,不但增加了维护工作量,也使整个系统可靠性大大降低。

⑷工作台换向及减速靠机械式限位开关实现,减速及换向时撞击声音大,且整个电控系统附带有各种电阻、继电器多,故障点多,低速时速度不稳,换向不稳定,常会出现爬行、越位等故障;

⑹工作台调速范围小,精度(D≤30),加工工件的表面质量差;

⑺占地面积大,噪音高。

三、龙门刨床改造方式及改造后的特点:

1.龙门刨工作台直流电机调速系统的改造:

改造后的龙门刨床工作台直流电机采用英国欧陆公司生产的590+/380A直流调速装置驱动,完全取代直流发电机组和交磁扩大机,实现了工作台的无级调速、自动减速、换向以及撞到极限限位后停车等动作。欧陆590+是具有较高水平的全微机化工业直流电机调速驱动器,输出电流范围在15A~2400A,该产品还具有控制、监控、保护和串行通讯的功能。

590+直流调速装置还有一系列可供用户随意设定的参数,这些参数有些来自外部,如速度给定、转矩给定、速度反馈以及电机的各种特性参数等,同时配备I/O接口,以及P3串行通讯接口,可以方便的与上位机联接通讯,以满足各种参数设置以及与其他装置通讯的需要。

2.用PLC实现龙门刨床的其他电器动作的自动控制:完成龙门刨床自动进刀、抬刀、落刀、横梁升降、横梁夹紧放松、各刀架快速移动以及工作台的加速、减速、换向等各种动作的正常运转。

3.工作台行程限位开关更换为电磁感应的接近开关:性能更稳定,响应时间快,而且使用寿命更比原来的行程开关更长久。

4.在直流电机尾端加装测速发电机后:实现闭环控制,提高控制及定位精度。

5、使用效率:

由欧陆590+和PLC相互配合进行改造后的龙门刨床控制系统最低速度可达5rpm,最高为1500rpm,从起步到全速只需8秒时间,甚至更短时间。从全速到减速换向,可在12秒时间内完成,且换向平稳无冲击,不会发生振荡、爬行、越位等现象,同时可以恒转矩切削,因而大大提高加工精度及效率。通过悬挂按钮箱能完成系统的启动、停止、自动等功能。加工长度范围由悬挂按钮站和工作台上的可以滑动的挡铁完成行程设置,并可以通过PLC的记忆功能来保存,电气柜上有各种报警指示,几乎可以实现无故障、免维护运行。

四、效益分析

使用欧陆590+直流调速装置和PLC结合控制后,节能效果十分明显,改造周期短。因此,将先进的直流调速装置应用到龙门刨床的工作台调速中,无疑是一种很大的技术革新,可以带来较大的经济效益。

以下是我公司对襄樊某厂B220型龙门刨床改造前后的测试实例:

其主传动部分(工作台)采用直流发电机组拖动直流电动机,功率60KW,是主要能耗。其余功耗如横梁升降和刀架的进给等较小可忽略不计。经改造后,电费成本、工艺性能、工作环境及电网干扰等均得到显著改善。

1、测试参数:

有功功率、三相电流、三相电压、功率因素、噪音强度、工作台的进给速度等

2、改造前后测试相关参数:

3、结论分析:

⑴技术数据

⑵老式控制系统与新式控制系统的效果对比见下表:

⑶所产生效益

①直接经济效益

原发电机组在多年生产、制造及用户使用中测定,其起动电流大,对电网容量要求高,且空载电流达80-100安,在工作间隔时间(调整、装卸工件时间),这些电能被白白浪费。改用新型数字调速系统后,这个空载电流完全可以节省下来,且工作间隔时间越长节电效果越明显。按计算,节约功率为△P:

U2=380V;△I取其空载电流中间值

90A;COSΦ取0.40

则△P=1.732×380×90×0.4=24kW

每小时节电24度,按每天工作间隔时间三小时、全年按310天计算:

年节电:W=24×3×310=22320kWh

拆除交磁发电机后,每小时可节约电能约3kW,按每天两班制计算:

年节电:W=3×16×310=14880kWh

另外,采用新型数字调速系统,可以省去了由多台电机之间电能传递而造成的效率损失,其数值为所需加工零件电能的6-10%,按一般性加工时,每天省去的传动效率损耗为80度,全年节电即为24800度。

以上三项合计,全年节电可达6万多度,若每度按0.6元计算,全年节电约为4万余元。

②提高了机床的电气自动化程度,大大降低了机床的故障率和维修费用,年节约成本约1万余元.

③占地面积小,无噪声。除此外,拆除后的发电机组还可以再利用,创造更多的经济价值。

4.改造后的龙门刨控制系统的特点:

⑴该数字直流传动装置能耗低,效率高。工作间隔无损耗,大大节约电能,其效率可达到0.95以上,而直流发电机组只有0.7左右;

⑵起动电流小(起动电流I≤1.5Ie),对电网的冲击小;

⑶调速性能高。590+是一种高精度传动装置,以其自身的优点使整个主传动控制系统的精度、调速范围、快速性能有了很大的改善,提高了加工能力及其加工质量;

⑷结构简单,可靠性高。与交磁扩大机组相比,全数字可逆直流调速装置可减少70KW直流发电机一台,55KW交流电动机一台,交磁放大机一套,同时大大减少了占地面积,使控制系统结构简单、体积缩小;

⑸其它动作均由PLC实现,电器元件少,简单直观。用可编程控制器取代繁杂的交直流继电器控制,大大提高了系统的可靠性,同时维护也十分方便,减少运行成本;

⑹装机水平高,具有完善的保护功能。系统具有良好的保护和监控功能,PLC有自身的输入/输出监控指示灯,而全数字直流调速装置则更有良好的保护监控功能,具有故障存储记忆,自适应参数优化等多种功能;

⑻改造后,由于取掉了交流机组,因而可无噪音运行。

五、结论

早期由发电机组拖动的龙门刨床和单臂刨床都很适合上述电气改造方式。改造后,不仅能耗大大降低,使用效率也得到很大提高。用户仅需要投资几万元,经过一两年的时间就可以收回成本。



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8、

煤矿电机拖动系统变频节能系统研究

随着电力电子技术、计算机技术、电力通信技术等的进一步发展,变频调速节能技术得到迅速发展且在工程实际应用中发挥了良好的应用效果。高性能的变频调速节能装置设备已被大量地引入到煤矿、钢厂、电厂等工业领域。通过大量研究和实践工作可知,交流电机采用变频调速技术升级改造后其通常可以获得30%~65%的节电效益。在煤矿开采过程中,随着井下开采和掘进的不断延伸,矿井巷道也变得越来越长,为了满足井下通风需求,需要增加通风风机的功率容量,这样大功率的电机直接起动对煤矿配电网冲击非常大,加上井下作业面需求风量波动较大,采用常规继电器直接控制方式会导致大量电能资源浪费。目前,大功率交流电机采用变频调速技术进行升级改造,已成为当代电机节能调速控制的潮流,其节能节电效果十分明显,加上科学技术的进一步发展,大功率、高电压变频器的制造成本也在明显降低,变频器起动性能和调速平稳性能得到大大提高,减少了电机起动对煤矿配电网的冲击。因此,结合煤矿井下通风系统的实际情况,采取变频调速技术对原电机控制系统进行技术升级改造,就显得非常有意义。

1电机变频调速控制原理

煤矿井下通信系统中风机电机拖动系统,由于受当时建设技术水平和综合投资资金的制约,存在电源浪费严重等问题。采取基于PLC与变频器的变频调速技术升级改造,可以达到节能降耗的目的。电机拖动系统的节能通常有两种方法,一种是直接采用节能电机,如永磁同步电机;另一种是采用变频调速等控制系统来动态调节电机输入电源频率,达到风机拖动系统输入与输出间的实时动态平衡,进而达到电机调节运行节能降耗的目的。基于PLC与变频器的电机变频调速控制系统具有体积小、重量轻、起动转矩大、控制精度高、功能强、可靠性高、操作维护简单便捷、兼容性强等优点,要明显优于以往常规电机调控模式,使用它除了具备调速稳定可靠的优点外,还可以节约大量电能资源。

风机电机的输出转速(转矩)同电机输入电源频率、转差率以及电机磁极对数三个因素有直接关系。电机输出转速可以表示为:

(1)

式(1)中:为电机的磁极对数;为电机运行实时电源频率;为滑差。

从式(1)可知,对于交流电机拖动系统而言,要实现电机拖动系统在实际调节运行过程中,具有较高调控稳定精确性和节能经济性,可以采取三种方法,即改变电机的磁极对数p、通过内部转子串联电阻等改变电机的滑差率s、改变电机实时电源频率f。改变电机磁极对数p和滑差率s,均需要改变电机内部结构,这在很大程度上受到电机制造工艺、生产技术等因素的制约。而调节电机输入电源的频率f,不仅不需要改变电机的内部结构,而且只需要外加变频器作为电机输入电源的调控单元,就能完成对电机控制系统的动态调节。同时采用变频调速后,能够经过变频器和PLC的动态调控,使整个电机拖动系统长期处于最优工况,达到节能降耗的目的。从技术性、调节运行节能经济性等方面来看,变频调速控制较其他节能方案在可行性、可靠性、精确性等方面更加优越,是电机节能降耗工程中常采用的技术措施。

2电机拖动系统变频调速节能改造的技术要点和功能效果

煤矿通风系统中的风机电机拖动系统采用基于PLC与变频器的变频调速技术升级改造方案中,其节能改造实现的基本控制要求包括以下两个方面:

(1)节能控制系统应具备抑制电磁干扰的相应有效技术措施,能够防止非正弦波干扰风机电机拖动控制系统中的电脑主机、计时器、传感器等精密仪器设备的高效稳定工作,也就是采用变频调速控制系统进行技术升级改造过程中,不能改变风机电机控制系统的其他功能单元和元器件设备的正常稳定运行性能参数。

(2)在变频调速节能运行过程中,当风量检测系统出现故障时,变频调速控制系统将以电机拖动系统上限频率进行恒功率运行,以确保系统最大的风量。当变频调速控制系统出现故障时,能够发出声响及指示灯指示,提醒运行管理人员进行相关设备性能检查,同时起动原控制系统(如软起动、继电器直接起动等)。

风机电机拖动系统采用变频调速控制技术升级改造后,能够取得较好的节能经济效益、延长使用寿命等功能效果,具体表现为:

(1)速度调节范围较宽。基于PLC与变频器的变频调速控制系统,其控制可靠性和精确度较高,且其速度控制范围较宽,理论上能够实现在1%~100%范围内的连续动态平滑节能调节控制。

(2)实时调节误差较小,精度较高。可以达到±0.5%的误差范围。

(3)电能利用效率较高。电机转换效率可以达到96%以上,同时电机拖动系统功率因素可以达到95%,节省了大量无功功率,降低了配电网变压器的无功调节负担,提高了供电系统的供电可靠性。

(4)具备软起动功能。能够有效抑制电机起动冲击电流,确保电机起动具有较高安全可靠性,可以延长电机拖动系统的综合使用寿命。

(5)节能节电效果十分明显。采取变频调速控制系统进行技术升级改造后,比常规继电器直接起动控制系统,其节能节电效率通常可以达到30%以上。

3电机拖动系统变频调速节能改造效益分析

3.1电机变频调速节能改造方案

一大型煤矿井下通风系统中共采用3台通风机(按照两用一备控制模式设计),其进口温度为22℃,进口压力为99.12kPa,升压为68kPa,轴功率为207kW,配置异步电动机型号为Y355M1-2-220kW/380VF级IP55,功率为220kW。为了提高煤矿井下通风系统运行的可靠性、经济性、节能性,结合煤矿井下通风系统的实际运行工况,按照“最小改动、最大可靠性、最优经济性”等改造原则,对煤矿井下通风电机拖动系统进行技术升级改造。决定采用基于PLC与变频器的变频调速控制对煤矿井下通风电机拖动系统进行技术升级改造,为了分析改造经济效益,决定1#风机采用变频调速运行方式,2#风机采取工频运行方式。

3.2电机拖动系统变频调速升级改造节能效益分析

在各项运行技术指标和环境均相同的情况下,1#风机与2#风机相比,1#风机其调节运行工况性能要更加平滑稳定,平均运行电流降低到326A,比工频运行额定电流的408A要直接降低82A,理论节电效率为:,实际节电效率为43%,节能节电效果十分明显。

4结语

根据通风空调系统电机变频调速节能控制技术原理,对煤矿井下通风电机拖动控制系统进行技术升级改造,使井下通风系统运行更加安全可靠和节能经济,同时煤矿井下通风系统电机拖动设备的综合使用寿命也得到延长。结合一大型煤矿井下通风系统具体节能改造工程的节电经济效益分析计算,可以得出煤矿井下通风系统变频调速升级改造的节能优越性。对煤矿井下通风系统风机电机拖动系统的变频调速节能升级改造,这个通风系统运行的稳定性和可靠性得到了进一步提高,井下通风温湿度指标也能满足实际煤炭开采需求。在现代变频调速控制技术的进一步完善和成熟下,变频调速节能改造电机拖动系统将成为煤矿井下通风系统节能升级改造的重要方法之一。



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9、

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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