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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、

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、

我国多种高效节能电机的发展状况

“十二五”国家战略性新兴产业发展规划已明确将节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料、新能源汽车作为战略性新兴产业。电机系统与战略性新兴产业的发展密切相关,发展高效节能电机及拖动设备是节能环保产业的重要内容之一。伺服电机及其控制系统在数控机床、工业机器人中的应用是高端装备制造产业的基础。大型风电机组、核电电机的研发与制造是新能源产业的重点。高性能电池、驱动电机与控制技术是电动汽车产业发展的关键。

YE4系列超超高效三相异步电动机

2010年4月IEC启动了对IEC60034-30标准的修订工作,决定将IEC60034-30标准分为2个标准,IEC60034-30-1《在线运行交流电机能效分级(IE代码)》和IEC60034-30-2《变速交流电机能效分级(IE代码)》。IEC60034-30-1已经于2014年3月发布,与IEC60034-30相比,主要变化如下:

(1)电机的效率分为IE1、IE2、IE3、IE4、IE5级,IE5效率最高,IE1效率最低;

(2)延伸了功率范围,从0.75~375kW延伸为0.12~1000kW;

(3)扩大了极数范围,从2P、4P、6P扩大到2P~8P;

(4)扩大了电机种类,从单速三相笼型感应电动机扩大到所有在线运行的交流电机;

(5)环境运行温度为-20℃~+60℃。高效率电机的开发仍然是今后电机技术发展的方向之一,为了填补我国GB18613—2012标准中1级能效电机产品的空白,同时也为了配合国家实施能效“领跑者”计划,有必要开展IE4效率电机的研发,以满足今后国内及出口高效电机市场的需要。

总体目标是完成IE4超超高效系列产品设计,并制订产品技术条件。系列产品机座号:H80~H355;功率范围为0.75~355kW;极数为2,4,6,8极;效率平均值为95%,比普通产品高6%。

超高速三相永磁同步电动机

(1)开发超高速三相永磁同步电动机的必要性:填补国内空白,引领电机行业技术进步;促进高端装备制造的国产化,提升我国高端装备制造业水平;促进电机配套材料(硅钢片、电磁线、绝缘)、电力电子(磁悬浮轴承、变频控制器)等行业的发展;大容量、超高速电机的推广应用具有显着的节能减排效益。(2)产品开发阶段目标:先针对离心压缩机在制冷、气体输送等领域的应用,开发配套用超高速三相永磁同步电动机,功率范围10~300kW,转速范围1000~50000r/min。将超高速电机设计、制造与测试技术向机床主轴电机、微燃发电、高速储能等领域扩展。

低速大转矩永磁同步电动机

低速大转矩一般是指转速<500r/min,额定输出转矩>500N˙m的传动系统。这样的传动系统在许多工业传动领域中常见(如球磨机驱动系统属于典型的低速大转矩传动系统),此外还包括油田机械、矿山机械及塑料机械等。

目前,此类设备仍然采用传统的电机加减速机的驱动模式,由于减速机齿轮等机械原因降低了系统的整体传动效率。永磁电机可以实现低速大转矩直驱运行,该特性使得永磁电机在低速大转矩的传动系统中的应用前景非常广阔。低速大转矩永磁电机应用于球磨机,可去除减速机、直驱小齿轮与传动部的大齿轮啮合,实现球磨机可靠运转,系统节能10%以上。

产品开发的阶段目标如下:(1)完成球磨机配套专用电机的开发,电机功率范围为2.2~400kW,转速范围为10~60r/min。(2)开发提升机、皮带机、螺杆泵、抽油机等设备专用的低速大转矩永磁同步电动机。(3)制订球磨机等设备专用的低速大转矩永磁同步电动机产品标准。

高性能永磁伺服电机系统

2005年以来,我国交流伺服电机市场进入高速发展期,年增长率超过25%;2011年市场容量60多亿元,预计2015年可达150亿元。但目前国内伺服电机系统总体技术水平比较落后,日、欧、美伺服产品完全占据国内高端伺服市场,国内伺服产品只能在中低端领域竞争。国内交流伺服电机市场份额的前四名均被外资品牌占据,2011年外资品牌市场份额近80%,国内品牌市场份额只有近20%,特别是大功率交流永磁伺服系统,基本上被国外产品垄断。目前,交流伺服电机系统应用最多的领域是机床,约占25%,纺织机械占20%、包装机械占10%、印刷机械占7%;国家政策支持中高档数控机床产业化发展,高档数控机床已列入国家科技发展重大专项;进行机床用高性能永磁伺服电机系统的技术研究及产业化,带动伺服电机系统朝着高精度、高性能、快响应的方向发展,对提高我国装备制造的整体水平有重要意义。

产品开发阶段目标如下:(1)完成数控机床进给伺服系统的研究与产品开发,电机功率范围为3~15kW,性能水平与国外同类产品相当;完成永磁伺服驱动系统在数控机床上的应用示范。(2)完成永磁伺服驱动系统在纺织机械、包装机械、印刷机械等设备上的应用研究与典型规格产品开发。(3)制订部分设备专用的永磁伺服电机产品标准。

永磁同步磁阻电动机

永磁同步磁阻电动机综合了永磁同步电动机和开关磁阻电动机的特点,具有效率高、功率因数高、功率密度高、调速范围宽等优点。目前在汽车驱动电机上应用较多,需要进一步拓展永磁同步磁阻电动机在工业领域中的应用,开发永磁同步磁阻电动机系列产品。产品开发阶段目标为开发无稀土同步磁阻永磁电机系列产品,效率达到IE3(超高效)能效水平,同时成本与YE3系列三相异步电动机相当,能够替代风机、水泵和压缩机配套的变频调速三相异步电动机。系列产品功率范围为0.55~315kW;机座号为H80~H355;极数为4极;标称转速为3000r/min;调速范围100~5000r/min。

结语

“十二五”国家战略性新兴产业发展规划已明确将节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料、新能源汽车作为战略性新兴产业。电机系统与战略性新兴产业的发展密切相关,发展高效节能电机及拖动设备是节能环保产业的重要内容之一。伺服电机及其控制系统在数控机床、工业机器人中的应用是高端装备制造产业的基础。大型风电机组、核电电机的研发与制造是新能源产业的重点。高性能电池、驱动电机与控制技术是电动汽车产业发展的关键。电机及系统技术的研究和产品开发要与我国战略性新兴产业的发展需求相结合,通过节能环保、高端装备制造、新能源、新能源汽车等重点领域的新产品开发,解决电机在设计、制造、测试、应用等方面的关键技术难题,从而推动电机技术的进步和电机行业的发展。



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4、

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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5、

电机扭矩试验台的软件功能

电机扭矩测试台软件主要是控制硬件部分协同工作,控制伺服转速、方向,控制气缸松开、压紧,并实时采集输出信号数据,将所数据实时保存并绘制测试报告,以反映各参数之间的特性,并完成数据的分析处理。

软件主要有如下几个模块:

(1)数据存储模块:系统运行配置文件存储为ini配置文件;EPS电机的基本参数信息、伺服控制参数、实时采集数据等存放于SQLSERVER数据库,方便查询修改。

(2)基本设置模块:主要用来设置包括转速、产品型号、产品名称、判定参数、采集卡的各模拟量、数字量和计数器采集通道与实际参数的对应关系,以及用于测试绘制图表的各项坐标参数值如:角度、电压等。产品编号支持自动编号和扫描枪输入。

(3)权限管理模块:因系统配置比较灵活,为避免不恰当的误操作,以及测试数据结果的保密要求等分配相应的权限。

(4)测量功能模块:启动测试后将按照规定的流程进行一次完整的检测并计算测试结果、绘制图件报告,测试过程中可以手动干预退出检测。

测试程序流程如下:

①检测EPS电机是否安装,自动寻找起测点。

②伺服逆时针回转45°,稳定200ms,然后顺时针转动45°,并启动采集线程,实时绘制扭矩与角度关系曲线;伺服先回转45°是为了消除伺服启动过程加速时造成扭矩跳动,影响测试的真实性。

③伺服顺时针回转45°,稳定200ms,然后逆时针转动45°,并启动采集线程,实时绘制扭矩与角度关系曲线。

④正反行程测试完成后,伺服电机回到系统初始零位并松开气缸,根据测试数据计算正、反形成的损耗扭矩和波动扭矩,与基准值比较后判断产品是否合格。



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6、

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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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、

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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9、

异步电动机软启动的特点

电动机作为重要的动力装置,已被广泛用于工业、农业、交通运输、国防军事设施以及日常生活中。直流电动机其调速在过去一直占统治地位,但由于本身结构原因,例如换向器的机械强度不高,电刷易于磨损等,远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。而交流电动机,特别是三相鼠笼式异步电动机,由于其结构简单、制造方便、价格低廉,而且坚固耐用,惯量小,运行可靠等优势,在工业生产中得到了极广泛的应用,也正在发挥着越来越重要的作用。


交流电动机和直流电动机相比存在许多优点,但当异步电机在起动过程中又有许多弊病。所谓起动过程是在交流传动系统中,当异步电动机投入电网时,其转速由零开始上升,转速升到稳定转速的全过程。如不采用任何起动装置的情况下,直接加额定电压到定子绕组起动电动机时,电机的起动电流可达额定电流的4~8倍,其转速也在很短时间内由零上升到额定转速。同时三相感应电动机起动时的转矩冲击较大,一般可达额定转矩的两倍以上。

起动时过高的电流一方面会造成严重的电网冲击,给电网造成过大的电压降落,降低电网电能质量并影响其他设备的正常运行。而过大的转矩冲击又将造成机械应力冲击,影响电动机本身及其拖动设备的使用寿命。因此,通常总是力求在较小的起动起动电流下得到足够大的起动转矩,为此就要选择合适的起动方法。在选择起动方法时可以根据具体情况具体要求来选择。

对三相鼠笼式异步电动机的起动电流的限制,通常有定子串接电抗器起动、Y-△起动、自藕变压器将压起动、延边三角形起动。而对绕线式交流电动机,常采用转子串接频敏变阻器起动、转子串电阻分级起动。但这些传统的起动方法都存在一些问题。

1.定子串接电阻起动:由于外串了电阻,在电阻上有较大的有功损耗,特别对中型、大型异步电动机更不经济,因此在降低了起动电流的同时、却付出了较大的代价—起动转矩降低得更多,一般只能用于空载和轻载。

2.Y--△起动:丫一△起动方法虽然简单,只需一个Y一△转换开关。但是Y--△起动的电动机定子绕组六个出线端都要引出来,对于高电压的电动机有一定的困难,一般只用于△接法380v电动机。

3.自祸变压器将压起动:自祸变压器将压起动,比起定子串接电抗器起动,当限定的起动电流相同时,起动转矩损失的较少;比起卜△起动,有几种抽头供选用比较灵活,并且巩/峨较大时,可以拖动较大些的负载起动。但是自祸变压器体积大,价格高,也不能拖动重负载起动。

4.延边三角形起动:采用延边三角形起动鼠笼式异步电动机,除了简单的绕组接线切换装置之外,不需要其他专用起动设备。但是,电动机的定子绕组不但为△接,有抽头,而且需要专门设计,制成后抽头又不能随意变动。

随着电力技术(尤其是集成电路、微处理器以及新一代电力电子器件)的不断发展,异步电动机起动过程中的起动电流过高,起动转矩过小等问题得到了很好的解决。

电子软起动器相对于传统的起动方式,其突出的优点体现在:

1.电力半导体开关是无电弧开关和电流连续的调节,所以电子软起动器是无级调节的,能够连续稳定调节电机的起动,而传统起动的调节是分档的,即属于有级调节范围。

2.冲击转矩和冲击电流小。软起动器在起动电机时,是通过逐渐增大晶闸管的导通角,使电机起动电流限制在设定值以内,因而冲击电流小,也可控制转矩平滑上升,保护传动机械、设备和人员。

3.软起动器可以引入电流闭环控制,使电机在起动过程中保持恒流,确保电机平稳起动。

4.根据负载情况及电网继电保护特性选择,可自由地无级调整至最佳的起动电流,节省电能。

5.由于采用微机控制,可在起动前对主回路进行故障诊断,且数字化的控制具有较稳定的静态特性,不易受温度、电源电压及时间变化等因素的影响,因此提高了系统的可靠性,有助于系统维护.

同时,软起动器还能实现直接计算机通讯控制,为自动化控制打下良好的基础。



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