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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、

减速电机过热原因分析

1.电源故障

如果电源发生问题,导致减速电机发热是常见的。电影发生什么问题呢?要检查三相是否平衡,电压波动值是否大于或者小于10%,否则会产生三相不平衡电流,引起电机损耗增加,电机发热。

2.电机过载

负载过大或电机扫膛内均会引起三相电流超过额度值导致减速电机发热,要注意电机的负载量,了解减速电机的情况。

3.缺相运转

如果当减速电机发生缺相运转,先要查找原因,如果不清楚要咨询专业人士,不能自己盲目动手解决,如果是小问题可以自行解决。

4.绕组故障

绕组是铁心上绕有一个原绕组和几个副绕组的变压器。各个副绕组的匝数不一样,则其端电压各不相同,因此多绕组变压器可以向几个不同电压的用电设备供电。在电力系统中最常用的是三绕组变压器。用一台三绕组变压器连接3种不同电压的输电系统比用两台普通变压器经济、占地少、维护管理也较方便。绕组出现故障的时候必须及时修理。

5.冷却风路堵塞

如果冷却风路堵塞会发生减速电机过热的现象,所以冷却风路要及时修理,避免有类是情况出现。

总结:减速电机发生过热现象一般就是以上几种情况:电源故障、电机过载、缺相运转、绕组故障、冷却风路堵塞等原因。



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2、

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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3、

这有几个关于电机的小问题

1、为什么一般电机不能用于高原地区?

海拔高度对电机温升,电机电晕(高压电机)及直流电机的换向均有不利影响。应注意以下三方面:

(1)海拔高,电机温升越大,输出功率越小。但当气温随海拔的升高而降低足以补偿海拔对温升的影响时,电机的额定输出功率可以不变;

(2)高压电机在高原使用时要采取防电晕措施;

(3)海拔高度对直流电机换向不利,要注意碳刷材料的选用。

2、电机为什么会产生轴电流?

电机的轴——轴承座——底座回路中的电流称为轴电流。

原因:

(1)磁场不对称;

(2)供电电流中有谐波;

(3)制造、安装不好,由于转子偏心造成气隙不匀;

(4)可拆式定子铁心两个半圆间有缝隙;

(5)有扇形叠成的定子铁心的拼片数目选择不合适。

危害:

使电机轴承表面或滚珠受到侵蚀,形成点状微孔,使轴承运转性能恶化,摩擦损耗和发热增加,最终造成轴承烧毁。

预防:

(1)消除脉动磁通和电源谐波(如在变频器输出侧加装交流电抗器);

(2)电机设计时,将滑动轴承的轴承座和底座绝缘,滚动轴承的外圈和端盖绝缘。

3、电机为什么不宜轻载运行?

电机轻载运行时,会造成:

(1)电机功率因数低;

(2)电机效率低。

4、为什么在寒冷环境中不能启动的电机?

电机在低温环境中过长会:

(1)电机绝缘开裂;

(2)轴承润滑脂冻结;

(3)导线接头焊锡粉化。

因此,电机在寒冷环境中应加热保存,在运转前应对绕组和轴承进行检查。

5、为什么60Hz的电机不能用50Hz的电源?

电机设计时一般使硅钢片工作在磁化曲线的饱合区,当电源电压一定时,降低频率会使磁通增加,励磁电流增加,导致电机电流增加,铜耗增加,最终导致电机温升增高,严重时还可能因线圈过热而烧毁电机。

6、点击软启动,是否能节能?

软启动节能效果有限,但可以减少启动对电网的冲击,也可以实现平滑启动,保护电机机组。根据能量守恒理论,由于加入了相对复杂的控制电路,软启动不但不节能,还会加大能量的消耗,但它可以减小电路的启动电流,起到了保护的作用。

7、为什么漏电断路器,在使用变频器时易跳闸呢?

这是因为变频器的输出波形含有高次谐波,而电机及变频器与电机间的电缆会产生泄漏电流,该泄漏电流比工频驱动电机时大了许多,所以产生该现象。



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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、

浅议电动机常见故障的分析与检修

为保证时机的正常工作对运行的电动机要进行检修,对于电动机的运转环境要做到防砸、防淋、防潮。对于环境不良,经常挪动、频繁起动、过载运行等要加强日常维护和保养,及时发现和消除隐患。

一、电动机电气常见故障的分析和处理

(一)接通后,电动机只嗡嗡不起动。可能原因:电源没有全部接通成单相起动;电动机过载;被拖动机械卡住;绕线式电动机转子回路开路成断线;定子内部首端位置接错,或有断线、短路。处理方法:检查电源线,电动机引出线,熔断器,开关的各对触点,找出断路位置,予以排除;卸载后空载或半载起动;检查被拖动机械,排除故障;检查电刷,滑环和起动电阻各个接触器的接合情况;重新判定三相的首尾端,并检查三相绕组是否有灿线和短路。(二)电动机起动困难,转速低。可能原因:电源电压较低;原为角接误接成星接;鼠笼型转子的笼条端脱焊,松动或断裂。处理方法:提高电压;检查铭牌接线方法,改正定子绕组接线方式;进行检查后并对症处理。(三)电动机使用时超温。可能原因:电源电压过低,电动机在额定负载下造成温升过高;电动机通风不良或环境湿度过高;电动机过载或单相运行;电动机起动频繁或正反转次数过多;定子和转子相擦。处理方法:测量空载和负载电压;检查电动机风扇及清理通风道,加强通风降低环温;用钳型电流表检查各相电流后,对症处理;减少电动机正反转次数,或更换适应于频繁起动及正反转的电动机;检查后遗症处理。(四)动电机运转时噪声大。为了调整滑差电机动平衡,其电枢和磁极转子的两端分别装有配重装置。如果这部分装置稍有松动,那么滑差电机在高速转动时就会偏离原?的位置。故障如果发生在主传动电机的外瑞面,就会造成电枢和磁极转子的局部摩擦,使噪声加大。这时就需要停机修理,恢复电枢和磁极转子的动平衡,并重新找好原动平衡配重的位置并将其固定好,使主传动电机正常运转。通风不良。如风扇脱落、通风道堵塞等。过载。致使电流过大而使定子绕组过热。定子绕组匝间短路或三相电流不平衡(五)动电机制动电磁离合器烧毁。必须保持胶印机制动离合器的磁轭、衔铁、摩擦片等部位的清洁,无油污和任何杂物。工作时间一长、接触不良,而且摩擦片中的这些杂质加大了离合器在工作时的摩擦负荷。电气元件由于接触不良而不吸合,使其温度升高,制动电磁离合器线圈的绝缘便会过早受到损害,以致最后被烧毁。因此要特别注意维护保养,离合器散热通风,减少损耗,降低工作温度,延长电气元件使用寿命。(六)绝缘电阻低。可能原因:绕组受潮或淋水滴入电动机内部;绕组上有粉尘,油圬;定子绕组绝缘老化。处理方法:将定子,转子绕组加热烘干处理;用汽油擦洗绕组端部烘干;检查并恢复引出线绝缘或更换接线盒绝缘线板;一般情况下需要更换全部绕组。(七)电动机外壳漏电。可能原因:电动机引出线的绝缘或接线盒绝缘线板;绕组端部碰机壳;电动机外壳没有可靠接地。处理方法:恢复电动机引出线的绝缘或更换接线盒绝缘板;如卸下端盖后接地现象即消失,可在绕组端部加绝缘后再装端盖;按接地要求将电动机外壳进行可靠接地。(八)电动机运行时声音不正常。可能原因:定子绕组连接错误,局部短路或接地,造成三相电流不平衡而引起噪音;轴承内部有异物或严重缺润滑油。处理方法:分别检查,对症下药;清洗轴承后更换新润滑油为轴承室的1/2―1/3。(九)电动机使用时发生振动。可能原因:电动机安装基础不平;电动机转子不平衡;皮带轮或联轴器不平衡;转轴轴头弯曲或皮带轮偏心;电动机风扇不平衡。处理方法:将电动机底座垫平,时机找水平后固牢;转子静平衡或动平衡;进行皮带轮或联轴器校平衡;校直转轴,将皮带轮找正后镶套重车;对风扇校静。

二、电动机机械常见故障的分析和处理

(一)定、转子铁芯故障检修。定、转子都是由相互绝缘的硅钢片叠成,是电动机的磁路部分。定、转子铁芯的损坏和变形主要由以下几个方面原因造成。1、轴承过度磨损或装配不良,造成定、转子相擦,使铁芯表面损伤,进而造成硅钢片间短路,电动机铁损增加,使电动机温升过高。2、拆除旧绕组时用力过大,使倒槽歪斜向外张开。3、因受潮等原因造成铁芯表面锈蚀,此时需用砂纸打磨干净,清理后涂上绝缘漆。4、因绕组接地产生高热烧毁铁芯或齿部。可用凿子或刮刀等工具将熔积物剔除干净,涂上绝缘溱烘干。5、铁芯与机座间结合松动,可拧紧原有定位螺钉。若定位螺钉失效,可在机座上重钻定位孔并攻丝,旋紧定位螺钉。(二)轴承故障检修。转轴通过轴承支撑转动,是负载最重的部分,又是容易磨损的部件。1、故障检查。运行中检查:滚动轴承缺油时,会听到骨碌骨碌的声音,若听到不连续的梗梗声,可能是轴承钢圈破裂。轴承内混有沙土等杂物或轴承零件有轻度磨损时,会产生轻微的杂音。拆卸后检查:先察看轴承滚动体、内外钢圈是否有破损、锈蚀、疤痕、是否磨损等。2、故障修理。轴承外表面上的锈斑可用砂纸擦除,然后放入汽油中清洗;或轴承有裂纹、内外圈碎裂或轴承过度磨损时,应更换新轴承。更换新轴承时,要选用与原来型号相同的轴承。

总之,电动机具有结构简单,运行可靠,使用方便,价格低廉等特点。它在我们的生活中用途及其广泛,对于日常检修,及故障的排除尤为重要。



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6、

电机与电力拖动在经济中的作用与发展趋势

在工农业中,国防事业和人们的日常生活中,电能是最重要的能源之一。电机在日常生活中起着重要作用,在电机中,电机碳刷,电机滑环是不可缺少的。与其他能源相比,电能具有转换经济、传输和分配容易、使用和控制方便等优点外。

自然界中不存在可以直接使用的电源,电能通常是由其他形式的能量转换而来的。其中将机械能转换为电能的装置就是发电机。

我们碳刷、滑环厂家以为电能的传输和分配离不开变压器。发电厂的碳刷质量十分重要,发电厂发出的电能通过电力网应能够实现远距离传输,一般碳刷发电机传输的电压为10-20KV,为了实现远距离传输、减少传输损耗,常用变压器将发电机发出的电压升高至110KV/220KV/330KV/500KV,甚至更高。

输送到用电地区后,要经过变压器将至用户能承受的数值,才能供用户使用。

电能的利用就是将电能转换为其他形式的能量。利用电动机将电能转换为机械能,拖动生产机械工作是电能利用的一个重要方面。用电动机拖动生产机械所组成的系统称为电力拖动系统。电力拖动系统具有以下几个优点:传动效率高、运行经济;电动机种类和规格繁多,具有良好的特性,能满足不同机械的需要;电力拖动系统操作和控制方便,能实现自动控制和远距离控制。

在现代工业企业中,几乎所有生产机械都是由电动机拖动的,如各种机床、生产线、风机、水泵等。可以毫不夸张的说,没有电动机、没有电力拖动技术,就没有现代化工业。

迄今为止,世界上几乎所有的电能是有同步发电机发出来的,发电机生产的大部分电能是通过电动机消耗的。因此,电机和电力拖动技术在国民经济中具有极其重要的作用。



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7、

浅谈IDirve矢量控制四象限高压变频器


2.3.2、矢量控制算法

其矢量系统的控制系统框图为:

在基于转子磁场定向的矢量控制系统中,首先把电机三相电流等同于两相静止的α-β轴坐标系,然后再转换成旋转的D-Q轴坐标系,此时:

注:

并使D轴与转子磁通方向重合,此时转子磁通的Q轴分量为零,可以得到:

把此式带入上式,经过化简可以得到:

矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能,而最终实施仍然是对定子电流的控制。借助于坐标变换,使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系,站在同步旋转的坐标系上观察,电动机的各空间矢量都变成了静止矢量,在同步坐标系上的各空间矢量就都变成了直流量,可以根据上述转矩公式的几种形式,找到转矩和被控矢量的各分量之间的关系,实时地计算出转矩控制所需的被控矢量的各分量值——直流给定量。按这些给定量实时控制,就能达到直流电动机的控制性能。由于这些直流给定量在物理上是不存在的,是虚构的,因此,还必须再经过坐标的逆变换过程,从旋转坐标系回到静止坐标系,把上述的直流给定量变换成实际的交流给定量,在三相定子坐标系上对交流量进行控制,使其实际值等于给定值。在矢量变换的控制方法中,需用到静止和旋转的坐标系,以及矢量在各坐标系之间的变换,交流电机的矢量控制,需要把电机的ABC三相定子静止坐标系的电流Ia、Ib、Ic、变换成α和β两相静止坐标系(Clarke变换),也叫三相-二相变换,再从两相静止坐标系变换成同步旋转磁场定向坐标系(Park变换),等效成同步旋转坐标系下的直流电流Iq、Id(Id相当于直流电动机的励磁电流);Iq相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标逆变换(Park逆变换)(Clarke逆变换),实现对电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交解耦控制,实现低频大转矩能力。

IDrive矢量控制四象限变频器,可广泛应用于提升类负载、对转速控制精度及速度要求苛刻、要求低频大转矩等复杂工况,帮助用户进一步提高工艺自动化水平,节能减排,增加更多的经济收益。



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8、

基于MCF51EM256的智能电动机保护器的设计及应用

采用Freescale公司Coldfire-V0架构内核的32位处理器MCF51EM256芯片,设计了一款高性能的ARD2L智能电动机保护器,并对该保护器的硬件和软件设计方案进行详细介绍。该保护器集众多保护功能于一体,提高了电动机运行的可靠性,减少了因电动机运行故障带来的经济损失。

引言

现代工矿企业中,以电动机作为动力的比例占全部动力的90%以上,它们已是当今生产活动和日常生活中最主要的原动力和驱动装置[1,2],为此检测与保护电动机的正常运行有着非常重要的意义。保护器经历了热继电器、熔断器、电磁式电流继电器、模拟电子式电机保护器,最后发展到数字电子式电机保护器即当今的智能电机保护器。本文设计了一款针对电动机在运行过程中出现的起动超时、过载、欠载、短路、断相、不平衡、接地/漏电、堵转、阻塞、外部故障等情况进行保护的ARD2L智能电动机保护器(以下简称ARD2L),可有效提高电动机运行的安全性,降低生产损失,是传统热继电器的理想替代品[3]。

1硬件设计

ARD2L的硬件电路包括主控芯片MCU,频率信号、电流信号、零序电流信号采集电路,开关量输入模块,继电器输出模块,变送输出模块,RS-485通讯接口,人机交互单元(状态指示灯、数码管/液晶显示),硬件电路框图如图1所示。

1.1主控芯片

MCU芯片采用freescale公司的Coldfire-V0架构内核的32位处理器MCF51EM256,时钟频率最高可达50.33MHz,内置256K的Flash、16K的RAM、4个独立16位A/D通道、3路定时器、3路SCI通讯接口以及内置RTC时钟、I2C、SPI、KBI接口等多种资源,具有极高的性价比。

1.2电源

电源是设备能否正常、稳定、可靠工作的关键部分,ARD2L采用安科瑞的通用开关电源模块。该模块输入电压为AC85V~265V,输入频率45Hz~60Hz,具有多路隔离电压输出,满足多种功能对不同供电电压的要求。其输出电压稳定、故障率小,输出纹波<1%;电源输入部分设计加入压热敏电阻、TVS管、防反接二极管等器件,对过压、过流等有一定的保护作用,同时能使产品通过严酷的EMC测试。该模块经现场实际使用,具有很高的稳定性、可靠性和抗干扰能力[4]。

1.3信号采集电路

信号采集电路负责采集电流信号、频率信号和零序电流信号。其中,电流信号采用互感器隔离输入,将交流信号抬高后送入CPU进行软件差分运算,电流采样电路如图2所示。以A相6.3A规格为例,采用的电流互感器变比为100A:20mA,5P10保护型。该方案电流测量在1.2倍范围内达到0.5S精度,在8倍范围内满足5S精度,而其过载能力按8倍计算,即给互感器加上50.4A电流,通过取样电阻R1的电流为10.08mA,两端电压为0.886V。同时,给采样信号抬高电压UREF=1.2V,使交流信号的幅值大于零,便于A/D采样;在电路的输出端加入限压二极管,使输入电压限制在3.3V以下,能对A/D采样通道起到很好的保护作用。

频率采样电路如图3所示。该电路采用MCP6002双运放进行两级放大,初级放大倍数较小,且在初级与次级之间进行滤波处理,次级运放将交流信号整形为方波信号,通过边沿触发方式捕捉,然后在CPU内部计算测量频率。

1.4人机交互界面

人机交互界面的显示采用数码管或液晶两,用户可以根据实际需要选择显示方式,输入采用按键方式。其中,数码管显示采用动态扫描方式,其驱动电路采用74HC595和三极管构成;液晶显示采用拓普威公司LM12832BCW的128点阵中文液晶,其数据传输采用SPI串口,可极大地节省CPU资源。同时,LED和LCD显示采用同一个SPI接口控制,使得两种显示方式可以通用。

1.5控制模块

控制模块主要由开关量输入、输出组成,如图4所示。其中,开关量输入用于监测断路器、接触器的开关状态和采集现场的工业联锁状态,也可根据客户要求用于电动机的起停控制;开关量输出主要用于输出脱扣信号、报警信号和远程起/停信号。

1.6通讯/变送模块

通讯模块采用RS-485模块ModbusRTU通讯规约,能实现遥测、遥控、遥信等功能。而变送是将我们需要的电流信号转换为DC4~20mA模拟量输出,方便与PLC、PC等控制机组成网络系统,实现电动机运行的远程监控。



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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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