起动发电机（精选8篇）
起动发电机 篇1
0概述
低温起动性能是柴油机正常使用中首先要解决的问题。柴油机低温起动系统由起动电机、柴油机、蓄电池、起动开关等主要部件组成。由蓄电池经开关向起动电机供电, 带动柴油机实现低温起动。近年来, 随着柴油机向多缸、小缸径、轻量化、高转速等方面发展, 要求起动电机体积小、功率大、成本低, 还要求起动电机与柴油机的性能匹配高。低温工况时, 柴油机的润滑油、柴油的粘度增大, 燃油雾化困难, 导致起动阻力矩增加、最低起动转速提高, 起动功率也相应增大。因此低温起动电机应同时具备如下性能[1]:足够的起动转矩, 克服各系统的阻力矩;有足够的起动功率, 克服各系统的起动阻力;有合适的转速比, 起动电机在最高功率附近能使柴油机达到最低起动转速。只有这样, 才能低温下成功起动柴油机。
1优化分析
柴油机能否顺利低温起动主要取决于起动电机特性与柴油机起动性能是否匹配, 而起动电机特性指起动功率、起动转矩和转速与电枢电流的关系。本文以永磁直流起动电机为例, 进行优化计算。
1.1起动电机功率
起动电机功率特性与柴油机低温起动性能相匹配条件为
Pem≥Pc (1)
式中, Pem和Pc分别为起动电机和柴油机的起动功率, Pc由柴油机最低起动转速nmin和起动阻力矩Tr来确定, 柴油机最低起动转速nmin通过试验测量。
柴油机的起动阻力矩Tr计算式[2]为
undefined (2)
式中, v0为标准状态下润滑油的运动粘度;λ=3.6×10-2;t为柴油机润滑油的实际温度;t0为标准状态下的温度, 25 ℃。
柴油机起动功率为
undefined (3)
式中, k为安全系数, 1.7;Vn为气缸总工作容积, 2.8 L;τ为柴油机冲程数, 4;η为起动电机与曲轴的传动效率, 0.98。
由式 (1) ～式 (3) 可得起动电机起动功率
undefined (4)
电机的起动功率[3]
undefined (5)
式中, P为电极数;N为每相绕组匝数;ai为极弧系数;Φ为每极磁通量;n为起动电机转速;Ia为电枢电流。
1.2起动电机转矩
柴油机低温起动性能优劣通常用最大起动阻力矩和最小起动转速来衡量。因此要求起动电机起动转矩必须克服柴油机最大起动阻力转矩, 同时具有足够的加速度, 使柴油机在规定时间内达到最低起动转速。
起动电机输出转矩Tem通过传动比为i的起动磁圈传递给柴油机, 其最小值应大于柴油机起动扭矩Tcq。
Tem≥Tcq (6)
柴油机低温起动扭矩[4]为
undefined (7)
式中, J为所有折合到柴油机轴上的转动惯量, undefined;θ为柴油机曲轴转角。
由式 (6) 和式 (7) 可得起动电机起动转矩
undefined (8)
假如忽略功率管开关过渡过程和电枢绕组电感, 则起动电机起动转矩[5]为
undefined (9)
式中, CT为转矩常数;R为每相电阻;Φ为每极气隙磁通;U为电机的端电压;ΔU为电机电压调整率。
由式 (9) 可知:在任意时刻, 电机的起动转矩由两相绕组的合成磁场与转子磁场相互作用产生, 当电源电压、功率管管压降、ΔU和转速一定时, 起动转矩与R、Φ等参数有关。
1.3起动电机转速
起动电机转速特性与柴油机起动性能的匹配条件是柴油机拖动转速大于最低起动转速。直喷式柴油机在低温下最低起动转速为130～160 r/min。
起动电机起动转速[6]为
undefined (10)
式中, Ra为电枢回路总电阻;CE为电动势常数。
起动电机转速由电枢回路电阻压降IaRa和CEΦ这2部分来决定。
2优化匹配
2.1RBFNN-GA算法
RBFNN是单隐层的前向网络, 由3层构成:第1层是输入层;第2层是隐层;第3层是输出层。输入层到隐层按RBF计算隐层输出, 从隐层到输出层按线性网络计算输出节点的输出。RBFNN不仅具有全局逼近性质, 而且具有最佳逼近性能, 同时训练方法快速, 不存在局部最优问题。
遗传算法 (genetic algorithm, GA) 是1种基于生物遗传和进化机制的寻优搜索算法, 具有全局寻优能力和较好的稳定性, 在函数优化等方面得到了广泛的应用。因此, 利用GA和RBFNN融合理论, 提出RBFNN-GA算法, 通过GA动态调整RBFNN的参数, 能在一定程度上克服过学习现象, 增强其全局搜索能力, 避免陷入局部极小点。
RBFNN-GA型求解优化问题的数学模型为
undefined
(11)
式中, x为RBFNN的输入;y为RBFNN的输出;f为非线性优化指标综合评价函数。
图1为RBFNN拓扑结构图, 图2为RBFNN-GA算法程序流程图。由图1和图2可知, RBFNN-GA算法的具体过程:对建立好的RBFNN模型输入样本数据, 即输入向量X (输入向量X的各分量必须在各自值域内) , 通过RBFNN求得相应的输出向量y, 再由评价函数f计算出各个输出向量y的目标适应度, 利用GA算法, 通过适应度值重新调整输入向量X, 调整方法为遗传操作:选择、交叉、变异等, 在给定的综合评价函数f的指导下 (通过适应度值选择个体) 产生种群, 新产生的输入向量X具有更好的适应性。通过遗传计算后, 可得到具有最优目标y, 相应的X也是此目标的优化结果。
2.2优化结果及分析
采用RBFNN-GA算法, 对起动电机在低温-25 ℃下的起动性能进行优化。
约束条件:公式 (4) 和 (5) 、公式 (8) 和 (9) 、公式 (10) 分别是优化起动电机起动功率、起动转矩和转速的约束条件。
优化变量:根据电机自身和起动性能的特点, 选取8个影响因子作为优化变量, 分别是定子的内外径 (Di1、D1) 、铁心长和轭高 (La、hc1) 、转子轭高 (hj2) 、永磁体径向高度 (hm) 、每相电阻与匝数 (R、N) 。
目标函数:由于效率η是评价起动电机性能优劣的关键指标, 故目标函数选为η。
忽略机械损耗和杂散损耗, 电机效率[7]为
undefined (12)
式中, ωr为电机角频率;Ploss为电机可控损耗。
undefined
(13)
式中, ψr为电机转子的磁链;Rs为电机的定子电阻;Lm为电机电阻;Rr为电机转子的电阻;Rfe为电机损耗电阻;Lr为电机的转子电阻;np为电动机极对数。
RBFNN-GA算法的各参数取值如下:种群大小L=50, 迭代次数G=300, 交叉率P0=0.25, 变异率Pm=0.05。优化后的RBFNN拓扑结构为8-8-4, 即网络输入层神经元为8个, 分别代表起动电机的8个影响因子;隐层神经元为8个;输出层有4个神经元, 分别为电机的效率、起动功率、起动转矩和起动转速。
起动电机结构参数优化结果如表1所示。由表1可知:通过优化, 起动电机效率从87%提高到92%, 达到了预测结果。
图3为电机起动功率、起动转矩和起动转速的性能优化结果。根据柴油机低温起动特性可知:起动功率应在最大功率曲线80%～95%的区域内最为合理[8]。此区域内起动电机随时有更大的储备功率发挥, 有利于柴油机低温起动。同时在该区域还可看出起动电机的转速输出范围、相应的起动功率、起动转矩, 甚至还可看出起动电机的起动电流、起动电压、最大阻力矩及判断出使用的蓄电池容量的大小等。由图3a可知:优化后的起动电机功率均比原始功率和柴油机功率大。起动电机优化后的最大功率为2.6 kW, 优化前为2.18 kW, 柴油机低温起动要求的最大功率为1.75 kW。起动电机优化前后的起动功率完全满足柴油机低温起动的性能要求。由图3b可知:随着电流增大 (即负载增大) , 起动电机优化前、后的起动转矩均比原机起动转矩大;优化后的平均起动转矩达到65 N·m, 最大起动转矩为110 N·m, 同时也看到优化后起动电机承受的负载比原机大。由图3c可知:随着电流增大, 起动电机的起动转速下降很快。其原因由式 (10) 可知:当Ia (相当于柴油机阻力矩) 增加时, 端电压U下降, 但CEΦ增大, 结果使n快速下降。比较发现:优化后的起动转速明显高于原机;优化后的平均拖动转速为225 r/min, 最大拖动转速为270 r/min, 满足柴油机较低温度下的起动要求。
3试验验证
试验在低温起动试验室内进行, 环境温度由制冷机组调控。蓄电池供给起动电机电量, 试验对比了原机和优化起动电机, 并测量柴油机低温起动转矩、起动电压、电流与转速等性能参数。
3.1起动电压和电流性能试验
图4为柴油机在-25 ℃起动过程中, 优化的起动电机的电压和起动电流变化曲线。由图4可知:柴油机起动时间为7.1 s;起动电压为9.3～12 V, 波动率为22.5 %;起动电流为398～1 100 A, 满足起动机的要求。在整个起动过程中, 起动电流、电压的瞬时参数的变化规律、波动情况均可采集、记录、处理, 可以对起动机的低温起动特性进行评价和分析。
3.2起动试验
图5为环境温度为-25 ℃、起动转速控制在180 r/min时, 起动电机优化前、后的拖动力矩曲线。由图5可知:优化后起动电机的拖动力矩明显大于原机, 且波动率小于原机, 原因是通过优化, 改变了定、转子的结构和绕组, 这对电机工作特性, 尤其是转矩特性有着明显影响。试验测得原机和优化后起动电机的平均拖动力矩分别为98 N·m和105 N·m, 优化后比原机提高了7.1 %。
图6为环境温度-25 ℃时, 优化前、后的起动电机拖动转速曲线。由图6可知:用原机和优化后的起动电机分别拖动柴油机低温起动时, 平均拖动转速分别为194 r/min和225 r/min, 优化后比原机提高了16 %;起动时间有所缩短。满足了柴油机低温起动的要求, 为柴油机、起动电机和蓄电池的低温起动优化匹配提供了依据。
4结论
(1) 利用RBFNN和GA融合理论, 对起动电机结构参数进行了优化, 通过对起动电机的主要特性 (起动功率、起动转矩和转速) 进行优化分析, 实现了起动电机与柴油机的合理匹配, 保证了低温工况下柴油机可靠、快速地起动。
(2) 柴油机低温起动试验的结果表明:优化后的起动电机起动功率、起动转矩、起动转速分别比优化前提高了18.3 %、7.1 %、16 %, 性能参数均满足柴油机低温起动要求。
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新型汽车起动发电合二为一 篇2
关键词：新型；起动；发电；合二为一
中图分类号： U472.4 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）17-183-2
0 引言
随着经济水平的不断提高，人民对生活质量的要求也不断提高，就发电机功率不足的问题从技术上来讲是可以通过使用起动机和发电机集成工作来解决，但是，从经济效益上来讲，两台机器的就需要扩展空间和升级配套设备，显然这就不能收回其经济价值了。从实际应用上来讲，想要设计一套完整的驱动方案必须要综合考虑其他配套设备的结构，例如需要考虑发动机体积是否符合汽车设计结构、发动机在转速范围内发电的最大功率能否满足车载电器的需求等等。
1 新型汽车起动发电合二为一概述
稍微熟悉一点汽车构造的朋友都知道，汽车引擎盖底下除了发动机之外，还必须有发电机和起动马达。发电机在汽车引擎运转的时候向电瓶充电，而在发动汽车的时候要依靠电瓶的电让起动马达通过专门的传动装置起动汽车的发动机。几家汽车公司，正在研究把电机和起动马达合二为一的技术，用一台安装在汽车发动机内的单感应电动机，代替起动马达以及它跟发动机之间的专门传动装置和靠皮带驱动的发电机。这个启动发电机的定子装在曲轴箱上，转子则安装在曲轴上，整个发电起动机跟汽车的引擎成为一个整体。由于新型起动机要直接带动引擎，而一般的21伏特汽车电瓶没有这么大的力量，汽车还要增加一个63伏特的电瓶，它能够以每分钟50转的速度起动引擎，比普通起动机的速度高出8倍以上。这样，汽车引擎几乎在起动机转动的同时发动，减少了起动时的废气排放。相关人士认为，由于新型起动机起动速度快，这种汽车在城市内行驶遇到交通信号的时候可以随时熄火，而不给驾车者造成不便，从而进一步减少空气污染。下面针对西门子的高效起动发电机进行分析和研究。
2 西门子的高效起动发电机
德国西门子公司是世界公认电器产品行业领导者，不久前，位于雷根斯堡的汽车技术研发部发布了一台性能较优的起动发电机，根据实验数据报告，此次发布的这台机器的峰值功率已经达到8000W，而且可以保证正常运转功率超过百分之八十。相比之下，传统机器的1500W最大功率和百分之七十的工作效率实在是不值一提。设计人员表示，在设计过程中进行的技术革新和新技术的组合使用是提高机器功率的法宝。
2.1 概念设计
在设计中，采用科技最前沿的自动起停脉冲装置，这种装置的优势在于能够高效的利用电能，因此能够最大程度的降低油耗和减少大气污染物的排放。尽管这台起动机如此“完美”，但是，其最大的缺点就是不能使用现在汽车常规使用的12V电源，也就是说使用这种新型起动机的代价就是要重新配置包括传输功率设备、耗能设备等在内所有配套设置的更新换代，这样的代价改革明显在实际操作中会遭到封杀的，没有一家汽车企业愿意在汽车市场平民化的今天为了更新一个部件大幅的提升自己产品价格。而且在体积方面也受到了限制，由于这台机器需要较大的空间，因此必须将其装在发动机和变速器的曲轴上才较为合理。不过解决空间问题的同时把原本外部配置的电子式动力控制系统打入“冷宫”，成为“鸡肋”装置，与此同时，起动发电机的功率在低转速时就可以达到较高水平，所以就不需要关闭一些耗电设备来保障启动功率了。除此之外，这台起动发电机还有一个较大的优势就是在运行过程中采用无刷模式，也就是说这台机器在工作中几乎处于无磨损状态，能够最大程度的改善汽车的行驶状态。
2.2 扭矩问题
在扭矩问题上，研发人员也是煞费苦心，依靠扭矩控制系统和蓄电池控制系统的配合使用，恰好能在加速过程和减速过程中处于充电状态，另外再考虑回热式制动系统，那么一台汽车的所有制动系统必须形成统一协调的运行机制，这台起动发电机通过局域网和总域网与扭矩控制总线一起工作，合理计算实际扭矩，在汽车的行驶过程中不会出现任何卡顿现象。
3 辅助功能开发
3.1 起动效率的优势
德国机械以精密著称，西门子公司的设计产品尤为出色，在这台起动发电机的设计中辅助使用了自动起动——停机装置，在一定程度上保障了设备机构的无磨损工作，能够延长这台机器的使用寿命。经过对比试验，在系统设备零负荷的状态下，关闭发动机然后再起动至转速达到关闭前水平，所用时间较现在配置较好发动机所用时间减少一半。如果用户仍然不满足这种工作效率，可以使用脉冲起动技术就可以使发动转速提升的时间再缩短一半，这样的工作方式不仅节省了原料，而且还在很大程度上减少了尾气污染物的排放，保护了环境。
3.2 其他项目的优势
在起动发电机从低转速逐渐加速到高转速的过程中，处于助工状态的发电机部分会作为又一个起动器来进行启动工作，记过测算，在这种双起动器的工作状态下这台机器的工作效率可以达到“1+1>2”的效果。在控制减速的工作状态中，这台起动发电机依然能够表现出色，不仅能够高效率的把制动还能够把动能转化为电能储存在蓄电池中，不得不说，这种科技创新在实际应用中已经取得了非同凡响的社会效应。
4 社会使用调查
行内专业人士经过反复的论证，表示这种起动速度较快的起动发电机非常适用于交通拥挤的一线城市，尤其是在交通信号灯较多的路段和对驾驶水平较差的司机朋友来讲，出现意外熄火或者是主动熄火已经不会引起其他不便了，与此同时，减少尾气排放是环保部门所倡导的，有了这种起动发电机，熄火等红灯成为一种新的行车文明。
在时间紧张的现代社会，汽车俨然成为一种非常重要的出行方式。人们驾车出行一向是把安全放在第一位的，在现在的很多汽车上，虽然安装了很多防护措施，但是在紧急情况下很有可能会因为电机的功率不足而不能打开防护措置，这样的失败无疑是致命的。使用这种新型的起动发电机就必然不会出现这样的情况，首先是由于大功率电机的保障，其次是由蓄电池的保障，这样的双重保障就是给安全上了一道双保险。同时根据西门子公司发布的起动发电机配套设备，加入了两种新型的防护措施：第一是充气式窗帘，这种设计的会在汽车发生碰撞的0.025秒完成充气并形成保护，主要是保护驾驶员和乘客的头部和肩部，这在以前的汽车设计中是从未出现的，而且采用的新型复合材料更能够保障安全；第二是汽车座椅上安装的碰撞倾斜装置，也就是把驾驶员的重要部位避开撞击发生点，从根源上进行保护。
5 总结
目前，很多著名汽车公司已经研制出较为成熟的起动发电机，在接下来的时间里，不仅要继续完善起动发电机的各项性能，例如工作稳定性、体积等，还要进行配套延伸研发与之关联的各项设备。根据研究现状可以确定的是，必须要把整个引擎系统做一个大面积的革新才能基本实现起动发电机的量产应用，著名生产商宝马预期用五年的时间完成这项计划。人们消费水平不断提高，对于汽车的质量要求比价位的要求高得多，这样高质量的起动发电机一进入市场必然引起驾驶员的兴趣。
参 考 文 献
[1] 王秋荣.无轴承开关电机的分析与设计[D].北京：北京交通大学，2007.
[2] 苏丽英.汽车专业学组学术会议动态[J].汽车工程，1980（03）.
起动发电机 篇3
在我国石油石化企业中, 应用广泛的电力拖动设备主要是异步电机, 异步电机在起动时的电流是额定电流的6~7倍, 因而在起动时常给其它电气设备带来影响和危害。为了限制异步电机较大的起动电流, 在电机轻载和空载时常采用降压起动的方法 (例如抽油机电机的Y-Δ换接起动、输油泵电机采用变频器降压降频起动[1]和注水电机软起动[2,3]等) , 也即是在起动时使得电机实际电压Uσ低于电机额定电压UN, 当转速上升到额定转速后再换接额定电压UN继续运行。本文主要分析了降压起动后异步电机的起动时间、起动功率和起动损耗参数的变化规律, 并得出具有实际指导意义的结论。
1 异步电机在降压起动过程中起动时间的分析
异步电机的起动时间tst是指电机自转速n=0逐渐上升到额定转速nN, 也即n=nN所用的时间。如图1所示[4]。如果用转差率表述的话, 即指转差率S由1到SN (额定转差率) 所用的时间。
综合计算机电传动系统的运动方程, 可得出在空载情况下, 电机的拖动方程近似表示为:
在额定电压UN下, 空载起动时, 由式 (2) 积分可得电机的起动时间tN:
上式st为起动转差率, 通常st=1, 则有:
在此假设电机起动电压为Uσ, 则降压系数σ=Uσ/UN, 0<σ<1。由于最大转矩与电压的关系Tm∝U2[3], 所以降压时电机最大转矩Tm′为:
当拖动系统与电机电压均确定时, 则sm、sN、GD2和n0不变, 降压后的机电时间常数T′MA为:
由于σ<1, tσ>tN, 以采用星-角 (Y-Δ) 换接方式对电机降压起动为例, 则有, tσ=3tN, 所以可得出额定电压起动时间为降压起动时间的1/3。
2 异步电机在降压起动过程中起动功率的分析
在起动过程中, 电机由零转速上升到额定转速时电机所消耗的功率ΔP定义为电机的起动功率, 由异步电机机械转矩T的表达式[3]
画出电机固有机械特性曲线, 如图2所示。
据功率的基本关系式, 利用n= (1-s) n0的关系可得:
通过式 (9) 可以看出, ΔP为图2中阴影部分的面积, 则任意一台电机对应电压U时, 电机在起动过程转差率均为1→SN, 式 (9) 结果为定值, k、r2、X20和n0均为常数, 故可得:
设额定电压UN起动时起动功率为ΔPN, 则ΔPN∝UN2, 由于降压起动时Uσ=σUN, 降压起动功率ΔPσ为
3 异步电机降压起动过程中起动损耗的分析
一般情况下, 设Uσ<UN, 在起动后电机转速为nσ (0<nσ<nN) 时, 换接到额定电压运行, 则起动损耗ΔW可表示为:
由图3可见, ΔPσ′为四边形0T′stTσnσ的面积;ΔPN′为四边形nσtN′TNnN的面积。四边形0TstTN′nσ相当于电机额定电压起动达到nσ时所消耗的功率ΔPN″, 设所用时间为tN″, 由式 (7) 和式 (11) 可知:
由图3可见, 四边形0TstTN′nσ与四边形nσTN′TNnN相加, 即是额定电压起动时电机所需要的总功率ΔPN, 所用时间为tN=tN′+tN″, 损耗为ΔW=ΔPN·tN, 则有:
对上述分析讨论如下:
(1) 由于所设Uσ为任意值 (0<Uσ<UN) , 所以无论Uσ如何变化, 降压起动时总的损耗等于直接额定电压起动的损耗ΔPNtN, 同理由于所设nσ为任意值, 因此无论在何处换接到额定电压UN, 降压起动时总的损耗也等于直接额定电压起动的损耗ΔPNtN。如图4、图5所示, 可知采用换接降压起动过程, 不能减小起动损耗。
(2) 当Uσ=UN时, 电机在额定电压UN下起动, 显然nσ=0, ΔPσ′=0, tσ′=0, ΔWσ=0, ΔPN′=ΔPN, tN′=tN, 起动功率ΔPN相当图2中阴影部分的面积, 起动损耗仍为ΔW=ΔPNtN, 此时起动时间最短, 起动功率最大。
4 结论
通过分析可以看出, 电机采用降压起动虽然减小了电机的起动电流, 降低了起动功率, 但延长了起动时间。同时由于起动损耗不变, 若采用降压起动为节能考虑, 则将不能实现这一目的。
摘要：在生产生活中, 异步电机的使用占用很大一个部分, 而异步电机在起动瞬间会产生较大的电流, 所以, 经常采用降压起动的方法。本文在电机理论分析的基础上, 深入分析机械特性曲线, 针对异步电机起动瞬间的时间、功率、损耗等参数进行研究, 得出异步电机在起动时的一系列特性关系, 对工程实践起到了一定的指导作用。
关键词：异步电机,降压起动,机械特性,起动性能
参考文献
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浅谈异步电机起动控制及其保护 篇4
异步电机具有结构简单、经济可靠、运行维护方便的优点,且有良好的机械特性,能够满足大多数生产机械的要求,因此在电气传动系统及生产领域得到广泛应用。对交流电机拖动的控制及保护是达到节约能源、简化控制、优化国家资源的重要手段。交流异步电机面临的主要问题有:(1)选型问题,合理选型是使用的前提,可以减少故障及电能消耗;(2)起动问题,包括起动时的电流冲击及起动转矩冲击,合理起动能避免电机因此发生故障;(3)综合保护问题,如过载、过流、短路、缺相等动态保护。
1 异步电机选型
异步电机的选型应从实用、经济、安全的原则出发,根据生产机械的性能、安装位置、工作环境以及运行方式等因素综合考虑,并满足以下基本要求:
(1)电机的机械特性、起动性能和调速性能等应能完全适合生产机械的要求;
(2)电机的结构型式应能适合使用场所的环境条件;
(3)电机容量能得到最大限度的利用;
(4)电机额定电压、频率应根据生产机械工作场所的电源情况选择;
(5)根据生产机械的运行速度及传动情况选择电机的转速。
2 异步电机起动方式
异步电机在起动过程中会产生过大的起动电流,对电网和其他用电设备造成冲击,因此,受电网容量限制并出于保护其他用电设备正常工作的需要,要在电机起动过程中采取必要的措施。异步电机的起动方式有2种:全压起动和降压起动。
2.1 全压起动
全压起动也叫直接起动,即电机通过开关或接触器直接接到电网加上额定电压的起动方法。全压起动设备简单、投资省,起动时间短、方式可靠,起动转矩大,是异步电机最简单的起动方法。其缺点是起动电流大,大容量电机的大起动电流会导致电网电压瞬间剧降,影响其他电气设备的正常运行。
异步电机能否全压起动需根据电网的容量、起动次数、允许干扰程度以及电机的型式决定。异步电机在满足下列条件时应优先采用全压起动:
(1)机械能承受电机直接全压起动的冲击转矩。
(2)端子上的计算电压在电机频繁起动时不宜低于额定电压的90%,电机不频繁起动时不宜低于额定电压的85%;电机不宜与照明或者其他对电压波动敏感的负荷合用变压器,且不频繁起动时端子上的计算电压不应低于额定电压的80%;当电机由单独的变压器供电时,其端子电压允许值应按机械要求的起动转矩确定;对于低压电机,其端子上的计算电压还应保证接触器线圈的电压不低于释放电压。
(3)电机起动时应不影响其他负荷的正常运行。
一般情况下规定,异步电动机的功率低于7.5 kW时允许直接起动,如果功率大于7.5 kW,在条件不允许的情况下,就需要采用其他方法进行起动。
2.2 降压起动
降压起动即利用起动设备将电压适当降低,然后加在电机的定子绕组上起动,以限制起动电流,待电机转速上升到正常值后,再使电机的电压恢复到额定值的起动方式。由于电机转矩与电压平方成正比,所以降压起动时的起动转矩相对较小,起动电流小,起动时间长,电机绕组温升高,起动设备复杂、投资大。降压起动的方法适用于空载或者轻载且起动次数不太频繁的电机,或者不允许全压起动时才能考虑降压起动。常用的降压起动方法有:
2.2.1 星形—三角形(Y—△)起动
Y—△起动适用于定子绕组为△连接的电动机,采用这种方式起动时,可使每相定子绕组相电压降低到直接起动时电压的,起动电流为直接起动时的1/3,起动转矩为直接起动时的1/3。起动电流小,起动转矩小。
2.2.2 定子回路串电阻或电抗器降压起动
异步电机定子回路串电抗器或者电阻起动指在电机起动过程中,利用串联电抗器或电阻减少绕组电压以达到限制起动电流的目的。电机起动完毕后,串联电抗器或电阻被短接,电机接入额定电压正常运行。该起动方式仅仅适用于对起动转矩要求不高的生产机械,而且因采用了起动电阻,每次起动都要消耗大量的电能,目前这种起动方式在现场应用已经很少了。
2.2.3 自耦变压器降压起动
电机起动时,使定子绕组和自耦变压器副边相连接,进行减压起动,起动完毕,定子绕组与自耦变压器脱离,直接和电源相连接,使电机进入额定电压下正常运行。自耦变压器降压起动相比定子回路串电抗器(或电阻)起动,当限定的起动电流相同时,起动转矩损失较小;相比Y—△起动,有几种抽头供选用,比较灵活,可以拖动较大的负载起动。但自耦变压器体积大,价格高,同样不能带重负荷起动。
2.2.4 软起动器降压起动
软起动器是一种新兴的降压起动方式,其通过降压和限流的方法,使电机在整个起动过程中实现无冲击平滑起动,而且这种起动方式可以根据电机负载的特性来调节起动过程参数,如限流值、起动时间等,还具有短路保护、缺相保护、过热及欠压保护等功能。其特点是起动平稳,对电网冲击少,不必考虑对被起动电动机的加强设计,起动装置功率适度,一般只为被起动电动机功率的5%～25%,允许起动的次数较高。其相比变频器造价较低,在大型机组及重要场所现已得到广泛应用。
2.2.5 变频降压起动
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电机控制(调速)装置,为现代电动机控制领域技术含量最高、控制功能最全、控制效果最好的电机控制装置。变频器不但有软起动的功能,而且可以在电机运行中进行无极调速,而它的调速是改变电机的频率,这样就可以起到节能的作用。因为涉及到电力电子技术、微机技术,因此其成本高,对维护技术人员的要求也高,故主要用在需要调速并且对速度控制要求高的领域。
3 异步电机的保护
异步电动机的保护是个复杂的问题。在实际使用中,应按照电动机的容量、型式、控制方式和配电设备等不同来选择相适应的保护装置及起动设备。
3.1 传统电机保护装置
传统的电机保护装置以熔断器、热继电器为主。熔断器主要用于短路保护,熔断器电流的选择需考虑电动机的起动电流,所以单独使用熔断器保护电动机是不可取的。热继电器是应用最广的电机过载保护装置,但热继电器对电机发生通风受阻、扫膛、堵转、长期轻过载、频繁起动引起的电机过热等故障不能起保护作用,且重复性能差,大电流过载或短路故障后不能再次使用,调整误差大,易受环境温度的影响误动作或拒动作,功耗大、耗材多,国家已经立法将其淘汰。事实也正是这样,尽管许多设备安装了热继电器,但电机损坏而影响正常生产的现象仍普遍存在。
3.2 温度继电器
温度继电器结构简单、动作可靠、保护范围广,但动作缓慢、返回时间长,3 kW以上的△形接法电机不宜使用。目前,温度继电器在电风扇、电冰箱、空调压缩机等方面大量使用。
3.3 智能电机保护器
电机保护器是最近十多年才发展起来的一种新型电子式多功能电动机综合保护装置。它集过(轻)载保护、缺相、过(欠)压、堵转、漏电及三相不平衡保护等低压保护于一身,具有设定精度高、节电、动作灵敏、工作可靠等优点,是传统继电器保护装置的理想替代产品。
3.4 变频器、软起动器
变频器及软起动器虽属于电机调速、起动装置,但其除具有控制、监测功能外还具有电机保护功能:(1)过载保护功能:引进了电流控制环,因而随时跟踪检测电机电流的变化状况。通过增加过载电流的设定和反时限控制模式,实现了过载保护功能,使电机过载时,关断晶闸管并发出报警信号。(2)缺相保护功能:工作时随时检测三相线电流的变化,一旦发生断流,即可作出缺相保护反应。(3)过热保护功能:通过内部热继电器检测晶闸管散热器的温度,一旦散热器温度超过允许值后自动关断晶闸管,并发出报警信号。
3.5 电动机微机保护
随着电力系统微机继电保护的不断发展,并由于其与传统保护明显不同的特点,微机保护在电机保护中得到不断发展应用。微机型电机保护装置只需要通过采集电机各序分量,经过计算就可判断保护动作与否,非常简单、实用和可靠。微机型电机保护装置逐渐被广大用户所接受,并逐渐取代传统的保护方式成为电机保护中的主流。
4 结语
电动机的保护应根据电动机的类型、功率大小、使用场合以及所拖动的生产机械的工作情况与重要程度等因素综合考虑。保护装置不能影响电动机拖动生产机械的正常工作。
参考文献
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[3]计鹏.工业电气安装工程实用技术手册[M].北京:中国电力出版社,2004
Y-△起动电路电机绕组连接分析 篇5
对于Y-△起动电路, 控制电路介绍较多, 而电机的各种接法却不见介绍。 其实, Y-△ 起动电路有15 种接法, 各种接法对应电机三相绕组各种连接形式, 有的可以正常工作, 有的不能正常工作, 电机的正转、反转还与电压相序相关。本文将分析电机绕组的各种接法, 从而确保现场接线中能选用正确的接法。
1 主接触器与三角形连接接触器的接法
在Y-△起动柜的安装中, 用粗导线连接主接触器和三角形连接接触器时, 一般采用同相序连接, 如图1所示;而用铜排连接时, 一般采用不同相序连接, 如图2所示。同相序接法中, KMC与KM△进线与出线从左到右均按红、绿、黄三色导线排列;不同相序接法中, KMC进线与出线从左到右按红、绿、黄三色铜排排列, KM△进线与出线从左到右均按黄、 绿、 红三色铜排排列。KMC、KM△、KMY分别指起动电路中的主接触器、三角形连接接触器、星点短接接触器。
2 绕组2种头尾连接方式与电机转向的关系
电机△接法是三相U、V、W绕组头尾闭环连接。绕组头尾连接有2种方式:图3 (a) 是前一相的尾与后一相的头连接, 即U2-V1、V2-W1、 W2-U1; 图3 (b) 是前一相的头与后-相的尾连接, 即U1-V2、V1-W2、W1-U2。
图2中U相绕组承受的线电压为:
图2与图3 (a) 的相序不同。由于相序不同, 电机的转向就不同, 因此设图3 (a) 为正转, 则图3 (b) 就为反转。
3 电机接法对绕组连接的影响
无论KMC与KM△是否同相序, 同相都需接同种颜色的电缆线芯, 以避免接线处于无序状态, 导致电机接错线而短路。电机绕组U、V、W上排端子是绕组的尾, 从左到右排列U2、V2、W2;电机绕组U、V、W下排端子是绕组的头, 从左到右排列U1、V1、 W1。 上排端子接KMC出线 (红、 绿、 黄) ; 下排端子接KM△ 出线 (红、绿、黄) 。
上排、 下排端子的3 个红、 绿、 黄线芯各有6 种接法。上排、下排端子有15种接法。下面介绍15种电机接法对绕组连接的影响, 颜色组合均指从左到右排列。
3.1 上红绿黄、下红绿黄
上红绿黄、下红绿黄接法的电路和绕组连接如图4所示。该接法中电机绕组连接与图3 (a) 相同, 电机正转。
3.2 上红绿黄、下红黄绿
上红绿黄、下红黄绿接法的电路和绕组连接如图5所示。该接法中电机三相绕组只有U、 W两相绕组首尾相连, V相绕组被黄导线短接, 电机两相运行, 不能正常工作。
3.3 上红绿黄、下绿红黄
上红绿黄、下绿红黄接法的电路和绕组连接如图6所示。该接法中电机三相绕组只有V、 W两相绕组首尾相连, U相绕组被绿导线短接, 电机两相运行, 不能正常工作。
3.4 上红绿黄、下绿黄红
上红绿黄、 下绿黄红接法的电路和绕组连接如图7所示。 该接法中电机三相绕组U、V、 W分别被绿、黄、红导线所短接, 电机三相绕组不相连, 等同于没通电。
3.5 上红绿黄、下黄红绿
上红绿黄、下黄红绿接法的电路和绕组连接如图8所示。该接法中电机绕组连接与图3 (b) 相同, 电机反转。
3.6 上红绿黄、下黄绿红
上红绿黄、下黄绿红接法的电路和绕组连接如图9所示。该接法中电机三相绕组只有U、V两相绕组首尾连接, W相绕组被红导线短接, 电机两相运行, 不能正常工作。
3.7 上红黄绿、下绿红黄
上红黄绿、下绿红黄接法的电路和绕组连接如图10所示。该接法中电机绕组连接与图3 (b) 、图8相同, 电机反转。
3.8 上红黄绿、下黄红绿
上红黄绿、下黄红绿接法的电路和绕组连接如图11所示。该接法中电机绕组连接与图6 相同, U相短接, V、W两相首尾连接, 电机不能正常工作。
3.9 上红黄绿、下黄绿红
上红黄绿、下黄绿红接法的电路和绕组连接如图12所示。该接法中电机绕组连接与图7相同, 三相绕组U、V、W分别被黄、 绿、 红导线短接, 电机三相绕组不相连, 等同于没通电。
3.10 上绿红黄、下黄绿红
上绿红黄、下黄绿红接法的电路和绕组连接如图13所示。该接法中电机绕组连接与图3 (b) 、 图8、 图10 相同, 电机反转。
3.11 上绿红黄、下黄红绿
上绿红黄, 下黄红绿接法的电路和绕组连接如图14所示。该接法中电机绕组连接与图9相同, 电机不能正常工作。
3.12 上绿红黄、下黄绿红
上绿红黄、下黄绿红接法的电路和绕组连接如图15所示。该接法中电机绕组连接与图3 (b) 、图8、图10、图13相同, 电机反转。
3.13 上黄红绿、下黄绿红
上黄红绿、下黄绿红接法的电路和绕组连接如图16所示。该接法中电机绕组只有U相和W相头尾连接, 电机不能正常运行。
3.14 上红黄绿、下红黄绿
上红黄绿、下红黄绿接法的电路和绕组连接如图17所示。该接法中电机绕组连接与图3 (a) 、图4相同, 电机正转。
3.15 上绿红黄、下绿红黄
上绿红黄、下绿红黄接法的电路和绕组连接如图18所示。该接法中电机绕组连接与图3 (a) 、 图4、 图17 相同, 电机正转。
4 三相异步电机两相绕组头尾串接、一相绕组悬空试验
三相异步电机两相绕组头尾串接, 一相绕组悬空, 与图5、图6、图9、图11、图14、图16接法相同。在实际使用电路中, 即使出现故障, 也不会形成这种接法的故障状态。常见的是缺相运行, 此时, 电机的3个绕组仍是三角形接法。
电机在两相绕组头尾相接、另一相悬空时通入两相电源 (AC 380V) 能否运行, 运行电流是多少, 发出的响声是怎样, 目前文献中尚未提及。为此, 进行模拟试验。试验电机型号为Y132S-4, 额定功率为5.5kW, 额定转速为1 440r/min, 额定电压为380V, 额定电流为11.6A, 额定频率为50Hz, △ 接法, 防护等级为IP44, 工作方式为S1。试验时, 电网供电电压为385V, 测量电流仪表为ET-6052数字式钳形电流表;电机绕组U相与V相头尾连接, W相悬空, 即U2接V1, U1和V2接AC 380V电压。
试验结果:电机能旋转, 转速慢, 声响较大, 有撞击声, 运行电流为25.6A, 接近2倍额定电流。由此判断, 这种接法在生产线上无法带动大负荷, 热继电器过载保护会动作;如果电机过载保护失效, 电机将烧毁。
5 结束语
起动发电机 篇6
汽车起动电机于汽车启动瞬间工作, 一般启动一次不超过5 s, 部标JB2741-80规定最多不超过0.2 min (12 s) [1]。现代汽车对起动电机提出了体积小、质量轻、性能可靠、功率大和寿命长等要求, 从而推动了永磁起动电机的发展。永磁起动电机的定子材料采用永磁材料励磁, 永磁材料的磁电特性决定了电动机的性能, 最常用的永磁材料有铁氧体和钕铁硼两种。
铁氧体是一种具有铁磁性的金属氧化物。就电特性来说, 铁氧体的电阻率比金属和合金磁性材料大得多, 而且还有较高的介电性能;铁氧体的磁性能还表现在高频时具有较高的磁导率。钕铁硼作为稀土永磁材料发展的最新成果, 因具有优异的磁性能而被称为“磁王”, 作为电动机的磁极材料, 其性能远优于铁氧体。目前这种材料磁能积的试验研究水平高达558kJ/m3, 钕铁硼永磁材料25℃的性能:Br可达1.29T, Hc可达987KA/M。另外, 这种永磁材料的退磁曲线基本成线性, 因此是制造电动机用磁极的理想材料。然而, 永磁材料中含有大量铁元素, 很容易氧化和腐蚀, 所以需要对其进行表面处理。目前常用的处理工艺有电镀、喷涂和沉积3种方法。但增加了永磁材料制造的复杂性, 从而使其造价提高。本文主要分析两种永磁材料对捷达轿车起动电机空载特性的影响。
2 分析方法和条件
2.1 分析方法
采用有限元法对汽车起动电机样机进行仿真与分析。气隙磁通的确定是影响起动性能计算准确性的主要因素, 因此等效主磁路模型对计算结果准确性有较大影响。起动电机的主磁路由定子轭部、主极、气隙、电枢齿槽区和电枢轭部组成。建立了图1的主磁路模型, 在定、转子轭部, 通过位置1、2、3的磁通不同, 应分解计算轭部磁路。这里将轭部磁路分成A、B、C三段, 得到图1所示的主磁路图。
2.2 分析条件
建立2D电机模型如图2。
2.2.1 样机的主要用材
样机主要用材如下。
a.电枢叠片导磁材料D23-50为常用的硅钢型号。
b.永磁材料分别采用铁氧体和钕铁硼。
c.机座 (外壳) 磁轭材料为steel1008 (GB 08钢) 。
d.绕组导线和导体为矩形截面铜材。
2.2.2 样机尺寸
(1) 机座尺寸
a.外径Dj=7.30 cm。
b.厚度hj=0.20 cm。
c.长度Lj=9.20 cm。
(2) 永磁体尺寸
a.厚度hM=0.70 cm。
b.轴向长度LM=0.475 cm。
c.磁瓦圆心角θp=40°。
(3) 电枢尺寸
a.直径Da=5.733 cm。
b.长度La=2.576 cm。
(4) 电枢冲片参数
a.槽数Q=28。
b.每槽导体数NS=1.25。
c.每槽元件数u=2。
d.每元件匝数W′S=1。
e.极距τ=4 cm。
(5) 导线尺寸
a.导线裸线线径di=2.900 mm。
b.导线绝缘后线径di=2.906 mm。
(6) 转子槽型及其尺寸
转子槽采用平行槽, HS0=0.50 mm, HS1=0.80 mm, HS2=6.6 mm, BS0=0.85 mm, BS1=3.60 mm, BS2=3.60 mm, RS=0。
2.2.3 仿真过程中的主要相关设置
仿真过程中的主要相关设置如下。
a.设置solution type (求解类型) 为Transient (瞬态场分析) 。
b.设置电动机转子部分的运动状态, 以空载转速0 r/min为起始, load Torque (负载转矩) 设为0, 即起动机外接负载为0。
c.设置相关边界条件和网格剖分。
d.求解运行结果, 以0.02 s为步长, 计算至2.5 s。
3 分析结果
3.1 铁氧体起动电机
铁氧体起动电机的空载转速仿真曲线见图3。从中可见, 转速从0开始快速稳定攀升, 在2 s左右达到稳定值3 000 r/min, 接近样机的额定转速。
铁氧体起动电机的空载线圈电流曲线见图4。在电动机启动过程中, 换向器换向导致电流有明显波动。由于是空载运行, 电流波动幅值较大, 但铁氧体起动电机的空载电流在2 s内达到稳定。
铁氧体电动机的空载转矩曲线见图5。电动机驱动2 s左右, 空载扭矩达到稳定值77 N m。铁氧体电动机样机仿真分析结果符合其额定参数, 证明分析方法正确、有效。
3.2 钕铁硼电动机
由于磁极材料改变和钕铁硼优异的磁电特性, 使得达到同样额定功率的起动电机定子外径尺寸减小, 改进后的机座外径Dj=6.295 cm, 机座厚度hj=0.300 cm, 机座长度Lj=9.188 cm;永磁体厚度hM=0.2 cm, 永磁体轴向长度LM=2.8 cm, 瓷瓦圆心角θp=40°;辅助磁极厚度0.2 cm, 辅助磁极所对圆心角2°, 辅助磁极轴向长度2.8 cm。根据上述参数应用Ansoft Maxwell软件重新建模 (图6) 。
钕铁硼起动电机的空载转速曲线见图7, 可以看出, 转速在1 s左右基本达到稳定, 说明电动机能够达到正常工作的要求。空载线圈电流曲线见图8, 电流曲线在仿真时间内有较大波动, 原因可能是电动机运行在最大去磁工作点附近, 导致电流变大且波动明显, 还需要进一步研究。空载转矩特性曲线见图9, 转矩曲线在仿真时间内有比较明显的波动, 这是由于电动机不带负载运行时会产生一定的振动, 导致转矩输出不够稳定。
4 结论
(1) 仿真分析结果表明, 钕铁硼起动电机的电气时间常数较小, 缩短了启动时间。说明改变磁极材料后, 起动电机性能没有下降, 表明钕铁硼起动电机具有优良的特性。钕铁硼起动电机没有励磁绕组, 因此没有励磁损耗, 铜耗可以减少50%左右, 电动机效率可上升10%左右。
(2) 钕铁硼起动电机空载电流的波动较铁氧体起动电机大, 其中原因需要进一步的分析研究, 说明具体应用还存在相应的问题。
(3) 与样机铁氧体启动电动机相比, 钕铁硼电机的体积显著减小。铁氧体起动电机的体积为383.71cm3, 改良后钕铁硼电动机的体积为285.72cm3, 体积减小了25.5%。可以进一步降重及降低成本。
摘要：为比较捷达轿车铁氧体和钕铁硼两种磁极材料起动电机的空载特性, 应用AnsoftMaxwell电磁场分析软件对两种起动电机的性能进行了分析。结果表明:钕铁硼磁极材料的起动电机能够在短时间内达到额定转速, 且转速上升比较平稳;空载线圈电流在2 s左右基本达到稳定;空载转矩比铁氧体磁极材料起动电机提高5倍以上;同时起动电机的体积和质量均降低, 为汽车内部设计节省了空间。
关键词：磁极材料,汽车起动电机,钕铁硼,铁氧体
参考文献
[1]孙昌志, 李革, 耿连发.钕铁硼永磁电机[M].辽宁科学技术出版社:1996, 12.
[2]辜承林, 陈乔夫, 熊永前.电机学 (第二版) [M].华中科技大学出版社:2005, 8.
起动发电机 篇7
关键词：开关磁阻电机,负载转矩追踪,恒加速度起动
0引言
开关磁阻电机简称SRM。该电机转子无绕组、无永磁体,因此具有结构简单坚固、可靠性高等特点,此外还有起动转矩大、控制方式灵活、调速性能好、功率密度大、易冷却等优点,因此被广泛应用于各种工业驱动场合[1]。
随着多/全电飞机(MEA/AEA)成为未来航空的发展趋势,以往的低压直流、恒速恒频和变速恒频发电系统在可靠性、容错性、环境的适应性以及发电机大容量、高功率密度等重要指标上已渐渐无法满足飞机的总体要求,因此,270 V高压直流电源相比起传统电源优势明显。而由于在可靠性、功率密度等方面的优点前SR电机在270 V航空高压起动/发电系统的应用上面临极大的机遇。
但SR电机较大的起动转矩在有利于发动机起动时,也对轴系系统产生较大负荷。在某些极端环境下,当飞机发动机进行多次频繁起动时,轴系将会积累较大损伤,甚至会造成断轴[2]。从电源特性分析,就是绕组电流快速上升时会产生较大冲击力,当其超过电机薄弱环节的扭矩极限时,电机轴断裂,这种情况是要极力避免的。
本研究试图探讨通过对SR电机起动转矩进行控制,以避免负荷过大或断轴情况的产生,提高起动/发电系统的可靠性。
1传统起动方案
现代航空发动机起动/发电系统在实际应用中,常采用的是限功率起动方式(恒转矩+恒功率)。在这种方法下,电机启动速度快,时间短。根据输出电磁转矩不同情况,可分为3个阶段:①恒转矩环节,此时根据电机及系统元器件性能,选择电流斩波限,输出转矩恒定;②恒功率环节,当到达一定转速后,发动机点火,提供正转矩,功率恒定,继续加速,此时根据P=T∙ω ,输出转矩下降;③直到到达脱开转速,电机与发动机脱开,开始进行发电工作[3-5]。
本研究以一台12/8的SR电机作为实验对象。其电源电压为270 V,电流限取值为开关管可流过最大电流值160 A,此时开通角为0°,关断角为20°,设定负载转矩随转速变化特性在500 rad/s时等于给定转矩。转速和转矩波形如图1所示,转速迅速上升,当输出转矩与负载转矩相等时,进入匀速状态。
转矩在起动瞬间从0升至最大值。虽然这种大起动转矩提供了较大的起动加速度,但也会对轴承造成损害。为了克服这一缺点,实现平稳起动,就需要对输出转矩进行控制。
2恒加速度起动控制方案
环境的不同使得发动机的阻转矩特性有很大不同,为了使得同一型号的起动/发电系统工作于不同类型和不同工作条件的发动机上,需要使输出电磁转矩随负载转矩变化。开关磁阻电机机械方程如下式:
式中:J —转动惯量,ω —转速,Kc—阻尼系数,TL— 负载转矩。阻尼系数较小,进行分析时可以视为0,如下式:
当输出转矩随负载转矩变化时,表现为加速度恒定。为了减小起动转矩过冲,可在限功率起动方式基础上增加一个恒加速度环节,限功率与恒加速度SR电动机转矩—转速特性对比如图2所示。
其中负载转矩是随转速变化的。可以设为:
2.1负载转矩已知情况下起动控制方案
如果负载发动机机械特性稳定,工作环境对负载转矩随转速变化特性影响不大,即可认为负载转矩随转速变化曲线已知,可考虑直接控制输出转矩。
在对SR电机的研究中,瞬时转矩的控制相对比较复杂,实际应用性较差。一般往往将一个周期的平均转矩作为控制对象。
开关磁阻电机电动运行时,输出转矩是电流与定转子相对位置的函数。所以可以以电流为控制对象, 利用Ansoft等电磁仿真软件模拟不同电流下一个单周期的平均转矩,以此建立电流-平均转矩二维表。
负载转矩与转速关系已知情况下的控制系统如图3所示,在负载转矩曲线已知的情况下,本研究建立负载转矩-转速的二维表。需要注意的是,由于开关磁阻电机的控制特性,此时得到的转速为前一个检测周期的平均转速。因此,所能得到的也是一个周期内的平均转矩。
根据式(2),将其离散化,可得:
这样,本研究就可以获得下一个控制周期内所要输出的平均电磁转矩,再利用电流—平均转矩二维表,查表得到斩波电流限。这样就实现了对输出转矩的控制。
本研究在Simulink上按照这种情况进行模拟仿真,根据实际情况反馈,获得一定情况下的负载转矩- 转速表,以此按式(4)设计电流斩波控制方案,此时设定负载转矩曲线TL=K∙v2。仿真结果如图4所示,在这种情况下电机起动加速度可以有效跟随给定加速度。相对地,起动时转矩较缓慢上升,直到可输出的最大转矩,避免了转矩过冲。
2.2负载转矩未知情况下起动控制方案
在许多情况下,SR电机负载转矩随速度变化曲线并不可知。如飞机发动机,在高原或沙漠等不同工作环境下,所产生的负载转矩变化趋势就有差异。所以不可能获得准确的负载转矩-转速曲线。但可以确定,负载转矩随转速的变化是连续的。
SR电机电动运行时,能够得到的控制量为电流(电压)和转速。定子中通电流,转子产生电磁转矩, 电磁转矩与负载转矩的差值决定电机的转动状态。 一般来说,要对电机转矩进行控制,电流(电压)是首选的控制量。但在负载转矩未知情况下,很难得到在某一转速下应该提供的电磁转矩。用这种方法控制输出转矩较为困难。
因此,可以考虑将转速作为控制对象。
根据式(2)可以发现,如果对SR电机加速度进行控制,使其保持恒定,也可实现输出转矩对负载转矩的追踪。
基于SR电机高度非线性,负载转矩随转速变化, 以加速度作为控制对象的系统是时变的,系统参数随转速变化。所以,在这里考虑采用电压PWM控制[6]。 但在控制加速度时,有以下几个问题需要考虑:
(1)对于SR电机在计算转速时,一般采用光电传感器,获得转过一个固定角度的时间,以此求得在这个时间内的平均转速,而并不是实时转速。此时已经存在一阶延时。若将加速度作为控制对象,需要对转速再次微分离散化,又会产生一次延时。这就造成了加速度闭环控制极大的滞后性。笔者在仿真中也发现以采集的加速度进行控制时,存在较大的振荡。
因此必须进行降阶。可以将恒定加速度下与时间对应的转速斜坡作为参考对象,令检测到的实际转速跟踪斜坡转速,以此来实现恒加速度控制,负载转矩曲线未知情况下的控制系统如图5所示。
(2)在实际仿真实验过程中会发现,在电机刚起动阶段,在采用同一套PID参数控制时,在某些负载转矩曲线下,会产生超调,反映到转矩上就是在开通瞬间仍会有部分转矩过冲。
这是由于SR电机的转速检测并不是连续的,必须由光耦产生的位置信号来进行计算。这就导致初起动时,因为转速较慢,在若干个控制周期内无法获得有效位置信号。即虽然实际转速已经产生,但检测转速在一段时间内却持续为0,由于PID调节的性质, 误差积分不断积累,就会产生较大的开通占空比,导致了初起动时的转矩过冲。因此本研究要考虑在刚起动时对进行转矩补偿以减小初期的转矩过冲。
通过在起动初期低速情况下调节开通关断角,改变开通时间,对输出转矩的影响更明显[7-8],同时也可以减小换相期间转矩脉动[9]。
由图6、图7可以发现,开关管开通时间较短的情况下,起动初期转矩过冲较小,但随着转速上升,会有较大的转矩脉动;而开通时间较长情况下,转矩特性与之相反[10-11],即开通初期有较大转矩脉动,但较高速后脉动较小。
(3)在PID调节中,一般不同系统参数对应不同的最适合PID参数。以航空发动机作为转矩为例,一般认为其理想负载特性为:转矩与转速的平方成正比,或与转速指数函数成正比。但由于工作环境复杂,虽然实际负载特性整体变化曲线没有较大改变, 但与理想特性存在偏差。
根据式(2),在恒加速度情况下,经过一段时间, SR电动机转速发生变化时,引起的转矩变化为:
按照航空发动机的负载特性,随着转速上升,经过相同控制周期后产生的转矩差会越来越大:
即不同转速下,若需转速提高相同的值,所要输出的转矩差值不同,即所需的电压差也不同。虽然PID调节中积分调节本身具有误差积累的作用,但由于加速度控制时系统整体是时变的,如果仍采用同一套PID参数,会削弱PID的控制效果[12]。
因此应针对不同的负载转矩类型,在不同转速阶段有各自适合的PID参数。以风机类负载转矩为例: 低转速时,选取较低的比例系数,可减小开通时的转矩超调,但这是以减缓反应时间为代价的,高速后稳定速度会变慢,这时就要增大比例系数和积分系数。 因此变参数PID是一种较为可行的办法[13]。
因此本研究考虑将开通/关断角调节与PID调节结合起来,随转速变化采用不同的开通/关断角;同时再加以可变PID参数,在不同速度阶段采用不同的参数。以此优化起动阶段的转矩波形。
3起动仿真分析
本研究主要针对负载转矩—转速关系未知条件下,设置不同负载转矩曲线,采用PWM方法控制加速度。仿真时设置负载转矩最大值为电流斩波限对应的平均转矩。在带载起动时,假设5 000 r/min时的负载转矩为给定电流斩波限下所能输出的的最大平均电磁转矩16 N·m。按转速变化设置5组PID参数,以及3组开通/关断角:转速低于150 rad/s,开通角5°,关断角19°;转速低于400 rad/s,开通角2°,关断角20°;转速高于400 rad/s,开通角0°,关断角20°。随转速变化, 采用不同的参数组。两种不同带载情况下仿真得到的转速和转矩波形如图8、图9所示:① 空载情况下仿真波形;② 风机类负载,即负载转矩与转速的平方成正比(TL=K2∙v2)。
通过仿真可以看出,对不同的负载转矩曲线,通过采用可变PID与开通关断角结合的方法,可使SR电动机转速跟随给定斜坡曲线,与之相对,输出的电磁转矩波形与负载转矩波形一致,与一般恒转矩以及限功率起动方式相比,可有效减小SR电机起动时的转矩过冲。
4结束语
本研究主要探讨了SR电动机起动阶段控制转矩过冲,使电机输出转矩随负载转矩变化的方法,着重分析了在负载转矩与转速关系已知情况下如何通过电流对平均电磁转矩进行控制;以及在负载转矩与转速关系未知情况下,如何通过电机的恒加速度起动对转矩进行控制。
起动发电机 篇8
1 高压绕线电机软起动技术
高压绕线电机在采用直接起动时将会产生很大的电流冲击、大转矩冲击以及操作过电压, 尤其是电机在全压起动过程中, 其产生的起动转矩将达到额定转矩的2倍左右, 直接对电机的使用寿命与电网稳定造成危害。所以, 通常不允许大型电机直接全压启动, 而是采用软起动的方式抑制电机直接起动过程中带来的大电流、转矩冲击。
常用到的绕线电机软起动方法包括转子串电阻起动、钉子串电抗器起动、星形转三角形转换起动、转子串频敏变阻器起动、自耦降压起动、磁饱和软起动器、定子侧晶闸管串联降压软起动、定子侧晶闸管串联分级变频软起动以及变频器等起动方式。
其中, 变频器作为近些年变频调速技术的代表, 其工作过程中, 电机定子电压与频率都能够实现从零持续调节, 达到起动电流小、起动转矩大的目的, 具有良好的起动性能。这对于负载功率大、起动载荷重的高压电机起动尤为重要, 但是变频器的成本价格较高, 而且维修费用较高, 一般用于重要部分的电力驱动。
随着电力电子技术的迅速发展, 在对应控制理论以及电子功率器件的发展下, 高压绕线电机的软起动系统逐步趋于智能化。通常, 典型的智能软起动设备包括主电路、控制系统两个主要部分。其中, 主电路一般包括继电器、电力电子功率器件、交流接触器以及开关等构成。而且大部分的电力电子功率器件多采用晶闸管, 利用晶闸管触发角的改变实现电动机定子电压的变化, 从而对起动电流的大小近些年来控制, 最终实现电动机的软起动。当完成起动之后, 将切换至接触器, 使得晶闸管退出起动系统, 电机将自动进入正常运行状态。起动控制系统通过对电力电子功率器件触发角的控制实现对电机起动过程的控制, 同时还能够实现故障警报、保护处理以及显示等功能。
晶闸管软起动器通常采用使得定子电压逐渐增大, 直到增加至额定电压的方式, 使得电机得以平滑起动, 减少了起动冲击电流。晶闸管软起动器的结构较为简单、体积较小, 而且其输出电压能够持续可调, 便于对软起动器中的未处理器进行控制, 从而实现对系统任意电压值的输出。因为微处理器的存在, 使得晶闸管软起动器同时还包括节能、保护等多项功能。但是, 晶闸管软起动器也具有对应的缺点, 其依然属于降压起动方式, 而且由于三相交流绕线电机定子电压下降时, 电机的电磁转矩将会与电压成平方的方式下降, 最终造成了电机的负载能力下降的现象, 这在一定程度上限制了其应用场合, 使得其主要用于空载或者轻载起动的场合, 例如水泵、风机等机械的拖动。
2 高压绕线电机调速技术
当前, 高压绕线电机的调速方法主要包括转子串电阻调速与转子斩波调阻调速、变频调速、串级调速、双馈调速等。
2.1 转子串电阻调速与转子斩波调阻调速
该方法就是在绕线电机的转子上串入附加电阻, 或者改变斩波器的占空比的方式达到调速目的。其中, 串入的电阻值越大时, 电机的转速将越低。该种调速方法控制简单, 但是其转差功率都以发热的方式消耗, 不利于节能, 而且电机的损耗较大, 工作效率较低。
2.2 串级调速
串级调速就是讲绕线电机的定子接到频率固定的三相电网中, 然后将转子回路串入到幅值可调的直流电源上, 以通过改变转子回路汇总直流电源复制的方式改变电机的转差率, 从而达到调节电机转速的目的。在串级调速系统当中, 定子的旋转磁场同步速度恒定不变, 其通过改变转子与定子之间的转速差实现对电机转速的控制。但是, 其余调阻调速原理不同的是转子速度下降之后的转差功率并没有完全以热量的形式消耗掉, 而是重新返回至电网被利用, 所以该种控制系统的电能利用效率较高, 在我国得以大量应用。一般, 在电机的调速范围要求不高的情况下, 调速系统变频器容量与转子的转差功率相当, 而且变频器自身的容量可以大、小变化, 尤其是在转子电压较低时, 整个调速系统的成本要远低于当前的变频调速方案。但是, 该种方案的公路因数较低、调速范围较小, 容易产生高次谐波, 从而对电网形成一定的污染。
2.3 双馈调速
若串级调速的转子回路通过变流器产生的三相交流电源是幅值、相位与频率皆可调时, 则此时的串级调速为双馈调速。在该系统中, 转差功率在经过整流之后将逆变为交流电再反馈至电网。或者直接将转差公路变流处理自豪和反馈至感应电机。对于高压绕线式电机, 其双馈调速效率较高, 不但能够调节电机定子的侧功率因数至1, 而且还可以向电网发出无功功率。同时, 因为电力电子变流器与转子侧相连, 其传递的为较小的转差功率, 所以可以采用容量很小的变流器, 降低了系统成本。另外, 利用双馈调速方式能够显著提高电网的功率因数, 甚至还可以向电网发送滞后无功功率。因此, 其广泛应用于高压大容量绕线式异步电机的速度控制中, 包括风机、泵类等负载。
2.4 变频调速
变频调速技术时通过连续改变电机定子电源频率的方式达到度电机转速控制的目的。虽然该种方式能够得到持续平滑的无极调速, 但是其制造价格昂贵, 因此一般用于重点场合的被拖动电机调速中。
摘要：在对探讨高压绕线电机软起动及调速技术的必要性进行探讨的基础上, 分别分析了高压绕线电机软起动技术以及调速技术, 为提高电机工作效率、减少对电网污染、节约能源, 同时为部分企业的技术改造项目提供一定的指导。
关键词：高压电机,绕线电机,软起动,智能调速
参考文献
[1]李凯, 陈兴林, 宋申民.基于神经网络的感应电机软起动控制器设计[J].中南大学学报 (自然科学版) , 2009, 40 (1) :19-24[1]李凯, 陈兴林, 宋申民.基于神经网络的感应电机软起动控制器设计[J].中南大学学报 (自然科学版) , 2009, 40 (1) :19-24