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节能改造关注问答
1、

关于电动机节能的几点问题思考

目前,我国电动机的效率跟国外相比仍然低下,也不能够达到很好的节能降耗的效果。每年由于电动机的消耗的能源占据一大部分比重。虽然我国是能源大国,但同时能源浪费的现象也是数不胜数,造成了能源紧张。因此必须急迫解决这一问题,改善这一尴尬局面,大力倡导节能降耗。

1电动机的效率和功率因数

1.1电动机的效率

效率=×100%=×100%

在实际运用中,电动机的效率还包括额定效率、最高效率、负载效率。额定效率和空载损耗是固定值,所以,电动机的效率高低与负载率的高低有关。负载率过低的时候,电动机的效率也就下降。而负载率高的时候,电动机就会快速运行下去。

1.2电动机的功率因数

功率因数=

电动机的功率因数与负载率有关联,所以也是间接影响电动机的效率因素。当电动机在空载的情况下运作的话,其功率因数非常低,仅仅是0.1-0.2之间。而如果电动机的负载率增加,其功率因数也跟着增大。所以要注意的是,电动机在空载的情况下运行其效率也会大大降低。

2电动机节能的几点思考

2.1选用合适的电动机类型

要想提高电动机的效率,达到节能的目的。首先就必须要选择合理的电机类型。不同类型的电动机的容量、负载率、降耗性有所不同。所以在选择电动机时要选择那些新型的、效率高、节能好、降耗性强的电动机。

首先,选择节能型电动机,最受欢迎的是y系列的电动机。其性能好,启动性强并且效率高,节能性强,在工业中被广泛使用。

其次,要选择匹配的电动机。如果工厂要使用负荷率较高的电动机,就可以选择yx系列的三相异步电动机。该系列的电动机相对y系列的效率更高,且降耗更低。

最后,还应注意电动机额定容量的问题。工厂在选择电动机时还存在一个误区,由于工厂的连日工作制,机器不断高速运转,所以采购者认为大容量的电动机才可以有效完成工作,实则不然。在实际运用中,很多电动机都存在空载的情况,这样会加大电动机的耗损情况,浪费能源。所以在选择电动机时,不需要选择那些大容量的电动机,只需要和工厂作业匹配的电动机即可。

2.2正确运用无功补偿方式

无功补偿主要是对电动机的功率补偿,通过提高功率因数从而提高电动机的负载率,因此可以提高效率,降低损耗。一般情况下,采用无功补偿方式都会就近设置装置,让电容器和电动机一起运行,有效的补偿功率。无功补偿技术的优势很多,被广泛应用,具体如下:

(1)对于配电变压器和低压配电线路的负荷电流能够有效减小,降低损耗。

(2)电动机在启动时电流很大,运用无功补偿技术,可降低电流。

(3)对于配电网功率和配电变压器的损耗可以大幅度的降低。

(4)运用无功补偿技术还可以有效的减少容量,节能降耗。

2.3改善电动机的运行管理

在电动机运作的过程中,改善其功率因数,防止电动机空载运行的情况,可以大大降低损耗。在改善功率因数时,要在电源母线上进行,不能分散,将功率因数调整到90%以上,这样才能大幅度的节约能源。

电动机运作时,要杜绝其空载运行的现象,因为在空载运行下,其输入的电能都会变为损耗,不能有效的输出。因此,要避免这类现象出现。电动机不工作时要尽快关闭电源,同时还要停止电动机冷却用风扇及直流电动机励磁等的供电。这样,才能避免机器做无用功,有效的节约了能源,降低损耗。

在机器运转时,工作人员还要不定时的进行巡查、监视,避免电动机出现异常现象。而且还要做好日常的维护工作,定期进行维修和加油,这样才能使机器的使用寿命延长,在一定程度上节约了能源。

2.4对电动机进行调速实现节能目的

对电动机进行调速可以采用变频调速的方式实现,适当的调速不仅可以保障机器更好、更快速的运行,而且能够避免电动机由于速度不均匀而导致的能源浪费现象,以达到节能的目的。变频调速方式简单、操作性强,可靠性高,调速范围较广,可以有效的让电动机稳定、高速的运行。

如果是那些对于调速要求不高的水泵、风机等电动机就可以采用液体调速的方式来达到节能的目的。而且该种方式的费用较低,节能效果较好。

2.5有效管理

能源是关系到国计民生的重要资源,而我国还是一个需求量较大的国家,能源稀缺,供求关系紧张。因此,我们要更加合理利用资源,节约能源。目前,我国还处于工业化发展的国家,高能耗的设备仍然在持续使用,这不仅极大的浪费了能源,还不利于生态环境,是我国走可持续发展之路的重要瓶颈。因此,政府部门应制定出行之有效的规章制度和行业准则。对各个工厂以及各种高能耗的电动机要进行准确的测试和评估,对于那些浪费能源、污染严重的用电设备予以取缔,对于节能不足的设备加以改造,以此达到节能降耗的目的。地方政府还应积极支持地方企业,让工厂引进新的节能电动机,采用高效节能的产品,提高工作效率。

3结束语

综上所述,节能降耗已经是当前工业有效发展的重要举措,同时也是发展经济的迫切需求。因此,我国应大力发展科技,借鉴国外优秀的经验,为解决我国能源短缺问题、能源供求紧张问题提供相应的技术支持,提出有效的战略措施。同时还要规范工厂的工作流程和用电设备,杜绝使用浪费资源的设备,更新节能降耗的电动机,采用高科技来改造设备,提高其工作效率,实现节能的目的。



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2、

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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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、

三相异步电动机调速方式

三相异步电动机转速公式为:n=60f/p(1-s)

从上式可见,改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。从调速的本质来看,不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。

在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机,改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。

从调速时的能耗观点来看,有高效调速方法与低效调速方法两种:高效调速指时转差率不变,因此无转差损耗,如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法(如串级调速等)。有转差损耗的调速方法属低效调速,如转子串电阻调速方法,能量就损耗在转子回路中;电磁离合器的调速方法,能量损耗在离合器线圈中;液力偶合器调速,能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加,如果调速范围不大,能量损耗是很小的。

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:具有较硬的机械特性,稳定性良好;无转差损耗,效率高;接线简单、控制方便、价格低;有级调速,级差较大,不能获得平滑调速;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:效率高,调速过程中没有附加损耗;应用范围广,可用于笼型异步电动机;调速范围大,特性硬,精度高;技术复杂,造价高,维护检修困难。

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: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;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;调速装置故障时可以切换至全速运行,避免停产;晶闸管串级调速功率因数偏低,谐波影响较大。

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。



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5、

电机拖动中变频调速系统的常见故障及排除措施

电机是一种实现电能量转换的电磁装置,包括电动机和发电机。电机拖动是指由原动机带动生产机械运动,以电动机作为原动机并且按照人们通常给定的规律带动生产机械的运转,就称为电机拖动。电机拖动系统是用电动机来拖动机械运行的系统。

随着计算机和电子技术的发展,PLC、变频器等自动化产品在电机拖动领域得到了广泛应用。电机拖动中采用PLC-变频器调速在近几年得到了推广和普及。随着变频器使用的普及,在日常工作中会经常遇到变频器报警跳闸等故障情况,为了更好地使用变频器,减少设备停机时间,本文总结了一些变频器常见故障及排除措施。

1.变频调速系统的优点

调速范围宽,可实现有精确控制;软启动、软停止的功能降低了机械传动冲击;组件高度集成以及采用可靠性高的低压电器,有效解降低设备故障率,而且容易维护。提高了系统的功率因数和工作效率而且有明显的节能效果。

2.变频器对工作环境的要求

变频器的工作电源电压应相对稳定,环境温度为-10℃~45℃,湿度应在95%RH以下、无腐蚀性气体和导电尘埃等清洁干净的场所。当变频器在电源电压波动幅度大和潮湿高温多尘的恶劣环境下工作时,容易出现过压、欠压、过流、短路等故障。

3.常见故障及排除措施

3.1过电流、过载

一般是由于变频器的输出电流超过过电流检测值(约为额定电流的200%)、变频器的输出电流超过电机或变频器的额定负载能力(约为额定值的160%)。应检查输入三相电源是否出现缺相或不平衡、电机接线端子(U、V、W)电路之间有无相间短路或对地短路;检查电机和编码器电缆及相序是否正确;检查电机功率是否匹配、在电机电缆上是否含有功率因数校正电容或浪涌吸收装置、变频器输出侧安装的电磁开关是否误动作;检查变频器的加速时间以及变频器的参数设定是否正确。

3.2过电压

一般是由于变频器的中间电路直流电压高于过电压的极限值。应检查电源电压是否在规定范围内、变频器的减速时间是否设置过短,如过短,延长减速时间;是否正确使用制动单元、降低负载惯量或放大变频器容量。

3.3欠电压

一般是由于变频器的中间电路直流电压低于欠电压的极限值。检查电源电压是否在规定范围内、电源是否存在停电、瞬间停电、主电路器件故障、接触不良等情况、供电变压器容量是否合适、系统中是否存在大启动电流的负载。

3.4接地故障

一般是由于变频器输出侧的接地电流,超出变频器的整定值。检查电机和电机电缆的对地绝缘是否正常。

3.5输入电源缺相

一般是由于变频器直流环节电压波动太大输入电源缺相。检查变频器的供电电压是否缺相、输入三相电源电压不平衡度是否超过4%、负载波动是否过大、变频器的三相输入电流是否平衡。

3.6输出缺相

一般是由于变频器检测输出某相无输出电流,而另两相有电流。检查电机、变频器和电机之间的接线;检查变频器三相输出电压是否平衡。

3.7过热故障

一般是由于变频器的散热器温度,超出变频器的整定值。检查环境温度是否超过标准;检查变频器的散热风机工作是否正常,散热风道有无堵塞;检查变频器散热器的温度显示值。

3.8整流模块损坏

一般是由于电网电压或内部短路引起的,在排除内部短路情况下,更换整流桥。在现场处理故障时,应重点检查用户电网情况,如电网电压,有无电焊机等对电网有影响的设备等。

3.9逆变模块损坏

一般是由于电缆或电机损坏及驱动电路故障引起。在修复驱动电路之后,测驱动波形良好状态下,更换模块。在现场服务中更换驱动板之后,还必须注意检查马达及连接电缆。在确定无任何故障下,运行变频器。

3.10上电无显示

一般是由于开关电源损坏或软充电电路损坏使直流电路无直流电引起,如启动电阻损坏,也有可能是面板损坏。

4.日常维护检查应注意事项

变频器上电之前应先检测周围环境的温度及湿度,温度过高会导致变频器过热报警,严重时会直接导致电路短路、变频器功率器件损坏;空气湿度过大会导致变频器内部直接短路。在变频器运行时要注意其冷却系统工作是否正常:风道排风是否流畅,风机是否有异常噪音。IP20以上的变频器可直接敞开安装,IP20以下的变频器一般应采用柜式安装,变频柜散热效果好坏将直接影响变频器的正常运行。保护柜尽可能安装在周围温度不易上升的地方;保护柜应通风、防尘、防雨性能良好;频器在柜内应该纵向安装,而且上下、左右方向应留有足够的空间,方便变频器通风散热;柜内应安装温湿度传感器、散热风扇、加热除湿装置;经常检查进风口是否有灰尘及阻塞物,变频器的排风系统如风扇旋转是否流畅都是我们日常检查不可忽略的地方。电动机变压器、电抗器等是否过热以及有异味;变频器和马达是否有异常响声;变频器面板电流显示是否偏大或电流变化幅度太大,输出UVW三相电压与电流是否平衡等。

变频器由多种部件组成,有些部件在长期工作后其性能会逐渐降低、老化,这也是变频器发生故障的主要原因,为了保证设备长期的正常运转,冷却风扇以及滤波电容应定期进行更换。

4.1冷却风扇的更换

变频器的功率模块是发热最严重的器件,其连续工作所产生的热量必须要及时排出,一般风扇的寿命大约为10kh~40kh。按变频器连续运行折算为2~3年就要更换一次风扇,直接冷却风扇有二线和三线之分,二线风扇其中一线为正极,另一线为负线,更换时应注意不要接错;三线风扇除了正、负极外还有一根检测线,安装错误的话会引起变频器过热报警。

4.2滤波电容的更换

中间直流回路滤波电容:又称电解电容,其主要作用就是平滑直流电压,吸收直流中的低频谐波,它的连续工作产生的热量加上变频器本身产生的热量都会加快其电解液的干涸,直接影响其容量的大小。正常情况下电容的使用寿命为5年。建议每年定期检查电容容量一次,一般其容量减少20%以上应更换。

5.定期保养应注意事项

应至少一年进行一次定期检查。检查螺丝钉、螺栓和即插件等是否松动。定期清扫空气过滤器冷却风道及内部灰尘。相间电阻以及输入输出电抗器的对地是否有短路现象,必要时应用绝缘电阻测试仪进行测量,正常应大于几十兆欧。在条件允许的情况下,要用示波器测量开关电源输出各电路电压的平稳性,如:5V、12V、15V、24V等电压。U、V、W相间波形是否为正弦波。导体和绝缘体是否有腐蚀现象,如果有的话要及时用酒精擦拭干净。测量驱动器电路各路波形的方法是否有畸变。接触器的触点是否有打火痕迹,严重的要更换同型号或大于原容量的新品。确认保护显示回路无异常;确认控制电压的正确性,进行顺序保护动作试验;确认变频器在单独运行时输出电压的平衡度。

6.结束语

在电机拖动中选择适合的变频器,合理运用变频调速技术总结并且对容易出现问题的地方定期进行维修和保养工作,及时更换易损件可以保证变频器正常运行减少故障。



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6、

电力拖动的虚拟实验技术探讨

随着社会经济的发展,以及人们素质的普遍提高,社会对人们的要求也日益提高。但是由于种种方面的限制,诸如资金的不足,实践活动的缺乏等种种因素,导致实际操作能力与创新能力缺乏。而虚拟实验技术的引用能够大大缓解以上种种因素的限制。具体到电力拖动的虚拟实验技术当中,MATLAB等软件的运用,成为了虚拟实验开发与创新技术培养的全新方式。

1虚拟实验

1.1概述

虚拟实验是在计算机仿真基础上发展起来的一项应用技术。利用计算机的强大功能可虚拟仿真实际的物理系统。众多计算机仿真软件的不断被研发出来,并应用于科研技术设计之中,做出了极为巨大的贡献。PISPCE和MATLAB是当今较为常见的计算机仿真软件,其中MATLAB是虚拟实验的主要开发软件。

1.2优势

在如今大多电机课程实验设备条件下,运用直流电机作为调速对象,仅仅只能开出直流调速系统实验。传统实验虽然拥有众多优势,但是劣势也显而易见,诸如体积巨大,维护繁琐,故障频出,购置需要大量资金等。同时在培养方面也具有巨大局限,如容纳人数的数量方面受到限制,对实验计划和方案制定会提出很高的要求,容错率很低,难以满足人才培养的需求。因此,由于传统实验存在的种种不足,衬托出了虚拟实验多种优势。基于计算机平台上的虚拟实验技术将以上劣势化为优势,对仪器和设备几乎没有需求,同时节省资金和空间。

2具体运用

通过在计算机外接设备上的点击与拖动,将虚拟的各种仪器,按实验的目标与步骤整合成一个完整实验系统的过程,就是虚拟实验。而实验条件的变动,数据的收集汇总,实验结果的分析归纳三个方面全部完成,才意味着整个实验的达成。本文以带有RLC滤波器的交流电机变频调速实验作为实例,实验中包括电机、电力电子、驱动控制三个方面,分析虚拟实验的强大作用,并与传统实验进行比较。

2.1模型的建立

将电压源型逆变器、电动机主回路以及RLC滤波器通过使用MATLAB中PSB库中的元件模型完成建立。一般出现超过功率变换电路的情况,并产生多环节控制,多信号反馈,多非线性环节的特征,说明控制电路规模较大,需要大量运用集成电路。但是,基于对电路的控制,其输入输出特性是我们研究所要了解的主要目标,而其内部的电压与电流则是可有可无的旁枝末节,导致无法使用虚拟实验来进行电路的控制。所以想要实现仿真的方式,可以通过SIMULINK数学函数进行SPWM的调制电路模型的驱动控制。而右图即为所示。

2.2模型参数的构建

通过鼠标对元件图标的点击,在出现的参数设置对话框输入诸如电机的额定电压、功率、频率、转动惯量和定转子数据等各种必要参数。通过滤波效果进行滤波器的RLC参数的设计与运算。在接收变频调速的恒压频比所产生的调制信号之后,通过SPWM调制和驱动模块内部函数的计算,再与设计的三角载波进行比较。

2.3设置仿真模型

设置仿真参数是在仿真模型开始之前必须完成的步骤。包括对开始与终止的时间、步长以及解电路运算方式等仿真类型和相对与绝对的误差等方面进行设置。较快模拟速度的得出需要使用如ode23tb、ode15s这样的刚性系统的参数运算方式。同时,MATLAB软件参数锁设定的虚拟时间与现实的时间并不一致,只是一种对于时间流逝的表现手段。若是缩小步长,则会造成采样点数的增加,使得现实中的执行时间变长。

2.4实验成果观测验证参数设计以及电路结构是否合理,是虚拟实验的主要目标。而上述实验能够经过观测器观测电机速度的变化方式与电压的波形,并依靠给定频率的大小,在进行理论的分析之后,对结果的正确性进行判断。而下面两图中的前者是电机转速的变化图,后者则是在固定的载波频率与固定的调制频率之下的逆变器输出线电压幅度频谱。两张图示将谐波各次的大小、总谐波的有效值和基波有效值三个方面十分明了的展示出来。由于电机的运行效率和机器寿命受到谐波的影响,因此,为了减少电机受高次谐波损害,将RLC滤波器安装于电机与逆变器的中间成为了有效的解决方法。总谐波畸变率在经过RLC参数的设计与电机端电压频谱的观测之后可以保持在10%之下。

2.5实验结果总结

由上面的实验可以得知,作为旋转机械的电机设备,作为是大功率电力开关的逆变器设备等传统实验设备,存在损耗高、构建繁琐、危险性强、价格昂贵等种种弊端。因而既可以对已有系统展开研究又能对处于构想中的设备进行探索,虚拟实验展现了极为显着的优越性。比如上述实验中,在模型库中虽然并不存在满足观测要求的频谱分析仪,但是在运用MATLAB函数展开构建之后,使不可能成为了可能。而虚拟实验的自定义、自主性强的特点,成为了其另一个巨大的优势。同时,虚拟实验具有良好的通用性、与其他系统开展数据交换的便利性以及升级与扩展的成长性,使其在实验数据的分析处理方面显得极为高效迅速。

3结束语

虚拟实验的优越性,通过上文的分析与具体的实验体现的淋漓尽致。但是,十全十美的系统终归是不存在的,虚拟实验尽管在各个方面上都具有显着的优势,然而也无法取代传统实验。建立极为准确的数学模型,始终是虚拟实验仿真技术中的一个难关,各种限制会使之与实际情况产生差异,这也是传统实验存在的必要性体现。因此,只有现实实验与虚拟实验相互配合,才会使电力拖动等电子电路设计技术得以真正的进步与发展。



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7、

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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8、

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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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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