齿轮电机（精选5篇）
齿轮电机 篇1
0 引言
井下胶带输送机驱动系统, 主要分为两种, 一种采用矿用隔爆型笼式异步电动机, 经液力偶合器、减速器传动滚筒带动胶带运动, 这种传统的传动方式具有明显的缺点。另一种是经技术改造后的驱动系统采用了无齿轮永磁同步电机变频驱动系统, 即驱动系统由永磁同步电机与变频器相结合实现动力传递。它的研发及成功应用, 起到了节能减排的作用, 为我矿运输生产效率奠定了基础。绿色矿用设备将成为一种趋势。
1 无齿轮永磁电机变频驱动系统的原理及应用
系统采用的是自控式交直交电压型电机控制方式, 由整流桥、三相逆变电路、控制电路、三相交流永磁电机和位置传感器构成。50 Hz的市电经整流后, 由三相逆变器给电机的三相绕组供电, 三相对称电流合成的旋转磁场与转子永久磁钢所产生的磁场相互作用产生转矩, 拖动转子同步旋转, 通过位置传感器实时读取转子磁钢位置, 变换成电信号控制逆变器功率器件开关, 调节电流频率和相位, 使定子和转子磁势保持不乱的位置, 才能产生恒定的转矩, 定子绕组中的电流大小是由负载决定的。定子绕组中三相电流的频率和相位随转子位置的变化而变化, 使三相电流合成一个与转子同步的旋转磁场, 通过电力电子器件构成的逆变电路的开关变化实现三相电流的换相, 代替了机械换向器。
正弦波永磁同步电机属于自控式电机, 电念头的定子反电势和电流波形均为正弦波, 并且保持同相, 其可以获得与直流电机相同的转矩特性, 而且能实现恒转矩的调速特性。本位置伺服系统是通过正弦波永磁同步电机来实现位置伺服功能的。通过与井下胶带滚筒的配合运行。
2 紫金煤业无齿轮永磁电机变频系统应用的优越性
传统的带式输送机驱动系统采用异步电动机经液力耦合器, 减速器将动力传送给滚筒带动皮带运动, 这种传统驱动方式的缺点是: (1) 异步电动机→液力耦合器→减速器→传动滚筒, 要经两道机械环节, 传动环节多, 机械效率低。 (2) 重载起动困难:当胶带输送机满载运行中, 因故停止运转时, 再次起动非常困难, 造成停产时往往要调大量人员清理胶带上的煤炭, 才能重新起动胶带输送机。 (3) 常对液力耦合器、减速器等部件进行保养、维护、且更换频率较高。 (4) 驱动系统能耗高、噪音大。
无齿轮永磁同步变频驱动系统即驱动系统由永磁同步电机与变频器相结合实现动力的传递。它具有以下特点: (1) 高效、节能:取消了液力耦合器和减速器, 与原系统效率相比提高7%, 所需永磁同步电机功率为34 k W。 (2) 低噪音、免维护:取消了减速器和液力耦合器, 系统震动和噪声大大降低;节约了因更换、检修、日常维护减速器和液力耦合器及齿轮等磨损零部件投入的费用;节约了由于起动不平稳造成皮带被拉裂而投入的采购费用。 (3) 输出转矩大、运行平稳:利用变频器的调速功能实现带式输送机的缓慢起动, 可实现重载起动。 (4) 结构紧凑、体积小、重量轻:单台永磁同步电机, 单台变频器。
现以我矿1206材料巷综掘工作面用的DSP1080/1000型带式输送机为例来分析减少成本、节能问题。
1) 节约成本:该系统节省了传统皮带机系统中购买减速器、液力耦合器的成本, 以DSJ1080皮带机为例, 所需减速器的价格为8 000元, 液力耦合器价格为5 000元, 1台皮带机需要2台减速器及2台液力耦合器, 因此, 可以节省26 000元。由于该系统是变频起动, 因此, 可以减小起动过程对皮带的冲击, 经计算皮带材料可由原先的PVC800S降低为PVC680S。PVC800S价格为150元/m, PVC680S价格为130元/m, DSJ80皮带机一般皮带长为800 m, 皮带可以节省16 000元。每台DSJ80皮带机节省的直接成本为42 000元。
2) 节约能量:传统的DSJ80皮带机由2台轻载效率为80%的55 k W三相异步电机驱动, 而现有的DSP1080/1000型带式输送机用1台效率为93%的160 k W无齿轮电机驱动, 皮带机每年生产330 d, 每天16 h, 每度电0.6元。表1是两种配置的能量损耗与各种费用对比。
皮带机每年生产330 d, 每天16 h, 每度电0.6元。由表1可知, 在电机生命周期内无齿轮永磁同步变频驱动系统可以节约电能1 351 680 k Wh, 节约总费用1 061 008元。
由上图可知, 传统驱动系统在其生命周期内, 一次投入所占比重少, 仅为2%, 但后期电费、维护成本很高分别为85%和13%, 因此, 传统驱动系统的各项费用分配不合理, 总费用很高。无齿轮驱动系统在其生命周期内, 一次投入所占比重为9%, 后期电费、维护成本分别为88%、3%, 因此, 无齿轮驱动系统各项费用分配比较合理, 一次投入比例稍大, 但维护费用所占比例低, 总费用节省很多, 该系统的各种费用所占总费用的百分比, 与发达国家相接近。
该传动系统, 根据工矿实际将原系统的双驱 (2台电机, 每台电机电流为30~40 A) 改为现在的单驱 (单台电机电流仅为20~30 A) , 比原系统的电流降低了40~50 A, 节能效果显著。
3 结语
该项目的实施可以促进紫金煤业降低成本, 有计划地进行整个运输设备的改革。将高科技技术手段与煤矿安全生产结合在一起, 既减少了生产资金投入, 减少了皮带动力的运行环节;同时方便了矿井皮带输送机的维修, 加快了生产步伐。
大型风力发电机齿轮的接触分析 篇2
本文做的是某兆瓦级风力发电机齿轮箱中行星增速级的太阳轮和单个行星轮啮合时的接触分析[1]。对直齿轮进行有限元分析时,建立力学模型是分析的第一步,建模的合理与否也决定着接触边界迭代求解的结果是否收敛,是否出现单元溢出。这对啮合的齿轮中,小齿轮是太阳轮,大齿轮是行星轮,各自参数见表1。
采用材料17CrNiMo6合金钢,是硬齿面齿轮的代表性钢种。其部分参数为:杨氏模量EX=2.l0e5 MPa,密度ρ=7930kg/m3,泊松比μ=0.3。因为直齿轮问题可以转换为平面应力问题,而ANSYS中建立齿轮模型比较麻烦,所以利用其完善的接口技术;首先在CAXA电子图板里面利用齿轮库建立齿轮线型图,再以IGS文件格式导入到ANSYS中。
1.1 模型简化
模型简化时,为适当减少所需内存空间及计算时间,保证计算精确度,在对分析结果不会产生过大影响的条件下,可以略掉某些次要细节部分,仅考虑大部分主要因素进行建模,如凸台、全部螺栓孔等都被忽略。并且在ANSYS中画出齿轮内孔。
1.2 有限元模型的建立
本计算采用四节点面单元Plane182进行网格划分。利用Meshtool自由化分,Smart Size采用默认6,这个数值是定义网格划分时智能尺寸的等级,包括1～10级,划分网格越来越粗;并对网格进行局部细化。分网后的有限元模型如图1所示。
2 定义接触对、加载并求解
2.1 定义接触对
涉及到两个边界的接触问题,对于刚体一柔体的接触,“目标”面总是刚性的,“接触”面总是柔性面,这两个面合起来叫作“接触对”,程序通过相同的实常收号来识别“接触对”。由于小齿轮表面刚度比大齿轮稍大,所以定义太阳轮为目标面,行星轮为接触面。利用ANSYS接触向导将可能有接触的位置设置为接触对,如图2所示,目标单元采用TARGEL169,接触单元采用CONTACT172[2]。
2.2 定义关键字和实常数
程序使用9个实常数和多个单元关键字来控制面一面接触单元的接触行为。每种接触单元有相应的关键字,对大多的接触问题默认的关键字是合适的。相关实常数设置如下:法向接触刚度因子FKN:1.0,最大渗透范围FTOLN:0.1,初始靠近因子ICONT:1E-10,最大的接触摩擦TAUMAX::1.0E20。
2.3 施加位移载荷和边界条件
分析齿轮接触应力,采用固定一个齿轮,然后给另一个齿轮施加转角位移的方式实现模拟两齿轮间相对转动。本分析中载荷为太阳轮的转角位移,位移边界条件是太阳轮内孔边缘节点的径向位移固定,行星轮内孔边缘节点的各向位移固定,见图3。注意:要在主坐标系下各施加边界条件[3]。
2.4 设置求解选项并求解
对于非线性问题ANSYS的方程求解器采用带校正的线性近似来求解。它将载荷分成一系列的载荷向量,可以在几个载荷步内或者一个载荷步的几个子步内施加。本分析采用一个载荷步,最大迭代次数为20进行分析。根据结果收敛批示图,可以判断出结果是收敛的。
3 查看结果及分析
求解完成后,利用ANSYS生成的结果文件进行后处理。接触是非线性静力分析,采用通用后处理器POST1处理和显示感兴趣的结果数据[4]。
1)查看von Mises stress等效应力
图4就是等效应力图,可以得到最大应力值为808.804MPa。
2)查看接触应力
图5是接触应力图,可以得到最大应力值为1155MPa,通过对照表1数据可知在许用范围之内,并且通过传统计算方法得到的接触应力为1215.07Mpa,两者相差不到5%,足可验证ANSYS分析结果的可信度。
4 总结
(1)利用有限元理论和ANSYS软件能有效的进行一对齿轮的接触模拟仿真,这样可以减少实验费用,提供可信的分析结果,将为齿轮的动态分析、优化设计和可靠性设计打下基础。根据操作者有限元和齿轮知识的丰富程度,完全可以做更深入的分析和仿真模拟。
(2)在利用ANSYS分析软件做接触分析时,建模一定要合理,否则计算结果很难收敛。另外,设定合适的实常数也是影响结果的重要因素之一。
(3)齿轮在转动过程中,啮合部位其实是在发生变化的,因此齿轮的接触应力也在时刻发生变化,经过多次试验,分析时候设置接触区域为单个齿廓接触时接触应力最大,接触应力为1306 MPa,所以最好也进行这种情况的分析,以确保结果的可靠性和全面性。
摘要：运用CAXA电子图板和有限元分析软件ANSYS进行建模，对某大型风力发电机齿轮箱内部某对啮合齿轮模型作了接触应力分析，并与传统计算结果对比以确定ANSYS接触分析的可信性，最后得到相应分析结论。
关键词：CAXA电子图板,ANSYS,大型风力发电机,齿轮,接触分析
参考文献
[1]孙黎，王碧石，王春秀．大型风力发电机齿轮箱的有限元分析[J]．华东电力．2008(7)：74-75．
[2]周秦源，孔远翔，米建龙等．基于Pro/E和ANSYS的齿轮接触应力的有限元分析[J]．沈阳航空工业学院学报．2007(8)：34-36．
[3]王庆五，左昉，胡仁喜．ANSYS10．0机械设计高级应用实例(第2版)[M]．北京：机械工业出版社．2006．
齿轮电机 篇3
现代机械制造 (特别是批量生产) 要求在保证产品质量的前提下提高生产率、降低劳动成本[1]。电机作为机械领域重要动力来源之一, 其生产质量稳定性直接影响着机械的使用寿命。通常, 电机输出扭矩较小时, 电机与主动轮采用过盈配合传递动力, 这样主动轮转动十分平稳, 尤其适用于电机高速旋转的场合。但主动轮与电机轴之间过盈配合要求较高, 尤其是冷态下的装配, 往往因缺乏导向而使装配发生困难。在这种情况下, 就需要采用专用夹具进行装配, 使装配过程导向好, 工作平稳, 可大大提高产品合格率, 同时降低工人的劳动强度。
1 技术背景
图1是我公司曾经生产的一种断路器电操用微型电机。电机与主动齿轮通过过盈配合传递动力 (一般过盈量为0.02mm-0.03mm) 。由于微型电机的轴很细长, 一般直径为3mm, 长75mm, 长径比达到了25:1, 直接把齿轮敲入电机轴时, 将电机竖直放于工作台上, 用手将齿轮中心孔与电机输出轴对准后, 在齿轮端面上敲击将齿轮装入电机输出轴中, 这种方法存在两个问题:一是导向差, 二是受力不均衡, 结果使齿轮装入电机轴后, 电机轴发生弯曲变形, 电机转子与定子互相干涉, 转子转动不灵活, 即使勉强使用其寿命也达不到要求, 而且使用时电机转子不灵活也容易引起电机烧毁, 影响电操使用安全。因此这种方法生产的产品质量无法保证, 产品废品率高, 经济效率低下, 若采用齿轮热套法[2], 则又容易将热量通过电机轴传递给电机线圈, 破坏电机的绝缘性能, 同时也容易使电机沾染油污, 为了解决上述问题, 我们特意设计了一种专用的装配夹具, 如下图2所示:
2 夹具工作原理
夹具主要由11个零件组成, 夹具主体支架由连接板2将盖板1与底板11连接起来, 并分别用两只内六角螺钉将其紧固。支架9用四只十字螺钉固定在盖板1上, 在支架9与盖板1之间设有一对齿轮副, 主动齿轮12由齿轮与轴焊接而成, 齿轮轴下端与盖板配合, 上轴端与铆接在支架9上的铜套配合, 并设有挡圈槽定位, 主动齿轮上轴端开有一孔, 穿过手柄4后可方便转动主动齿轮。顶块7下部为一削扁的圆柱体, 上端为螺杆, 其左端导入连接板2的凹槽中, 下端设有一孔与微型电机6配合。从动齿轮8通过中心螺纹孔与顶块7上端螺杆连接, 其上设有一平面轴承10。底板11上设有一定位套5, 齿轮3装在其阶梯孔中。
工作时, 先把齿轮3装入定位套5中, 手持微型电机6导入顶块7中, 旋转手柄4, 主动齿轮12即带动从动齿轮8旋转, 通过从动齿轮8中心的螺纹副和连接板2凹槽的导向作用, 逼使顶块7向下移动, 使微型电机6下端细长轴导入齿轮3的孔中, 继续旋转手柄4, 即可使微型电机6的细长轴平稳压入齿轮3配合孔中。避免因齿轮3装入时受力不均而导致微型电机3细长轴弯曲。图中平面轴承10是为了减小从动齿轮8旋转时向上移动与支架9产生的端面摩擦。更换定位套5和顶块7可将夹具适用于不同规格的齿轮3与微型电机6的装配。
3 夹具主要特色
1) 结构简单, 操作方便。本夹具由一对齿轮副和一对螺纹副组成。齿轮副可以减小手柄的操纵力, 减轻操作工人的劳动强度。螺纹副则把手柄的旋转运动转换成为直线运动, 完成齿轮压入微型电机细长轴的动作[3]。整个结构设计简单明了。产品装配时只需一人便可完成全部操作, 装配时先将齿轮3放置在定位套5的孔中, 用左手把微型电机6导入顶块7凹槽内, 右手转动手柄4, 使顶块7向下推动微型电机6至齿轮3中心孔中, 继续旋转手柄4即可完成齿轮3与微型电机6的装配。
2) 制作方便。齿轮副采用直齿即可, 用仿形法也可用展成法加工。螺纹副采用细牙螺纹 (可适当减小手柄的操纵力, 同时提高微型电机压入齿轮的平稳性) 。内螺纹可采用常用的细牙丝锥加工, 外螺纹可用车削加工即可。支架则用数控折弯机加工, 整个夹具零件加工简单, 组装和拆卸方便。
3) 夹具具有一定的通用性。通过更换定位套5和顶块7, 可以装配不同规格的齿轮与微型电机。
4) 成品率高。使用夹具后齿轮压入时受力均匀, 所生产的产品无次品, 经济效率显著提高。
4 结束语
生产部门使用夹具装配电机一段时间后效果很好, 所生产的微型电机完全符合出厂规范, 齿轮的装入对电机几乎没有影响, 电机工作时运行平稳, 寿命长。同时夹具制作容易, 组成的零件加工方便, 夹具组装也十分方便。并且夹具操作简单, 一人即可完成电机与齿轮的装配过程, 如更换定位套5和顶块7, 还能用于不同规格的齿轮与电机的装配。因此, 此类专用夹具十分适用于微型电机与齿轮的装配。
摘要：介绍一种微型电机与齿轮连接的装配夹具, 本装配夹具可避免齿轮装入时电机细长轴的弯曲。具有结构简单, 操作方便等优点。
关键词：装配夹具,齿轮啮合,螺纹适合,导向
参考文献
[1]王西来, 陈燎原, 艾子健.装配夹具的设计及应用[J].工具技术, 2008, 12:64-65.
[2]卢自州.牵引电动机主动齿轮热套的改进建议[J].内热机车, 2007, 7:34-35.
齿轮电机 篇4
随着人们生活质量的日益提高, 噪音污染问题越来越得到人们的重视。调查显示, 在很多工业及民用产品中使用带塑料注塑和粉末冶金金属压铸齿轮的直流减速电机的数量相当惊人, 该类电机的特点是转速高、负载大, 其减速齿轮机构在传动中产生的齿轮噪音对人们的工作、生活环境产生了比较严重的影响。因此, 很多用户把直流减速电机的噪音等级大小作为一个重要指标来考核, 对电机生产厂家提出了进一步改善直流减速电机噪音的强烈要求[1,2]。本文以常州宝来电器有限公司生产的NEX6-F00-1-01型直流永磁减速电机为整改实例, 详细分析直流永磁减速电机减速齿轮机构产生较大噪音的原因, 研究降低减速齿轮机构噪音的方法, 并通过实践验证方法的有效性。
1 NEX6-F00-1-01型直流永磁减速电机噪音原始情况分析[2]
1.1 用Mode l8925数位式噪音计测量库存的NEX6-F00-1-01型直流永磁减速电机的实际噪音, 寻找正反转噪音差2 dB以内的电机。通过噪音测试, 在1000台库存电机中找出了3台符合该要求的电机。这三台电机的实测噪音数据如下表1所示。
1.2 分析以上3台电机的零部件质量状况
(1) 测量电机的正反转转速并计算转差率, 测量数据见表2。
(2) 测量电机的0号、1号、2号齿轮公法线变动、齿形误差、齿距误差、齿向误差, 齿面粗糙度, 单位:um。测量数据见表3。
(3) 测量电机的齿轮端面与齿轮箱端面粗糙度Ra, 实测数据见表4。
(4) 测量电机的齿轮轴中心距, 数据见表5
由以上测试可知:直流电机的减速齿轮箱正反转噪音要控制在2dB以内, 电机的正反转速转差必须在5%以内、同时控制好齿轮精度, 对照国家标准需达到GB2363-90的7级精度要求、齿轮箱轴中心距偏离理论中心距在0.02mm以内, 齿轮端面的表面粗糙在1.6um以内, 机壳端面与齿轮接触的表面粗糙度在2.0um以内。
1.3 在噪音良好的3台直流减速电机中任取一台在HSS660X型噪音振动测量分析系统中做频谱分析, 找出齿轮减速箱噪音最大频率点并分析原因[3]。频谱分析测试结果见表6、表7及图2和图3。
由以上测试可知:2号齿轮的大齿轮用非金属材料聚甲醛代替原来的金属齿轮, 有效降低了齿轮箱的整体噪音 (在50dB以下) 。
2 降低直流减速电机噪音的方法
通过对噪音指标符合要求的3台电机进行的测试数据结果分析来看, 要降低NEX6-F00-1-01直流永磁减速电机负载时的噪音, 须做好以下几方面的工作:
(1) 提高齿轮箱齿轮精度, 按GB2363-90的7级精度要求设计、加工、制造0号、1号、2号齿轮和齿轮端面粗糙度。
(2) 控制好电机额定负载下的转速。
(3) 控制好齿轮箱体齿轮轴孔中心距和与齿轮配合的齿轮箱体端面的粗糙度。
(4) 用非金属齿轮代替金属齿轮并验证其强度和寿命。
下面就控制齿轮变形和提高齿轮模具精度作详细分析。
2.1 计算机模拟成型
对于注塑和压铸齿轮来说, 模具的设计、制造与装配以及注塑、压铸过程都会影响齿轮制品的精度, 其中模具的设计精度起到了奠基的作用。现在产品上用的齿轮设计方法原理是进行等距放大得到模具的型腔尺寸, 所以外齿轮廓误差较大, 为了改变热变形引起的齿廓形状误差的影响, 在齿轮改进中采用了反向工程的方法, 以常温下 (30℃) 标准渐开线齿轮形状为基础, 逆向求取到注塑、压铸齿轮材料达到固化临界点时的齿廓曲线, 并在此基础上进行注塑、压铸齿轮模具的设计精度分析, 使齿轮成型后符合理论渐开线。首先在SOLIDWORKS中准确建立注塑齿轮的模型, 然后将其导入ANSYS软件, 进行注塑齿轮的热变形分析, 得出齿轮廓面在特定温度时的形状变化结果, 按此开模, 齿轮渐开线精度高。
2.2 线切割模具齿片外圆和齿廓面全部采用慢走丝 (精度0.005mm) 图, 以前普通线切割 (精度0.025mm) , 齿廓面保证镜面, 保证成型齿轮的中心和外圆的同轴度。
2.3 塑料齿轮模具浇口的设定, 以前一个, 齿轮冷却变形较大, 现在增至三个, 齿轮冷却均匀、变形较小。
为了进一步降低齿轮箱噪音, 同时还进行了以下改进:
(1) 增加齿轮轴的刚度。齿轮轴由原来的2mm改为2.3 m m, 因为齿轮轴在传动负载下的变形会使轮齿面在齿宽方向上接触长度缩短, 造成啮合刚性下降, 由此产生的传动误差也会产生噪音。
(2) 润滑油的选用。用E356油脂 (油脂混合均匀, 齿轮润滑较均匀) 代替原来的白色特种润滑脂 (油脂分离大, 黏附性较差) , 以稳定噪声等级。
3 整改后的直流减速电机噪音性能测试
为了验证上述改进方法的有效性, 常州宝来电器有限公司按照上述整改方法新生产了1000台直流减速电机, 并进行了相关指标的测试, 具体情况如下:
3.1 从1000台直流减速电机生产线上随机抽取3台进行噪音测试, 测试数据见表7。
3.2 从1000台直流减速电机生产线上随机抽取1台进行噪音频谱分析, 测试结果见表8、表9和图4、图5。
从以上测试数据可以看出, 整改后的直流减速电机噪音得到了明显改善, 噪音指标达到了更高的要求。同时, 考虑到2号齿轮改成塑料齿轮后, 齿轮机械强度的降低, 可能会影响到电机的使用寿命, 于是对整改后的电机的2号塑料大齿轮进行了寿命试验考核。即在额定电压12V, 额定负载40N.cm, 额定转速7600rpm下, 连续运转了800小时, 试验结果证明, 齿轮变形和磨损较小, 其寿命达到了设计技术要求。
4 结论
直流减速电机的齿轮传动噪音与齿轮的精度息息相关, 要提高齿轮精度, 首先必须从齿轮的设计与齿轮模具的设计和齿轮的加工工艺入手, 同时, 在齿轮强度允许的条件下大胆采用非金属材料制造齿轮也是降低齿轮整体噪音很有效的手段。其次, 直流电机本身的正反转差异, 齿轮中心距的严格控制, 齿轮轴的刚度强弱, 齿轮润滑油的质量等也是影响齿轮噪音好坏的因素。另外, 齿轮传动噪音有30%以上的原因来自毛刺、磕碰伤等, 因此, 在齿轮箱的装配过程中一定要做好质量控制, 轻拿轻放。
摘要：本文针对直流永磁减速电机减速齿轮机构产生较大噪音的原因, 以常州宝来电器有限公司生产的直流永磁减速电机为试验研究对象, 分析并研究了直流永磁减速电机的齿轮结构、制造材料、加工工艺、刚度强弱等影响齿轮噪音的因素, 提出了降低直流永磁电机减速齿轮机构噪音的有效方法, 通过生产实践验证, 效果良好。
关键词：直流减速电机,噪音,减速齿轮机构
参考文献
[1]陈世坤.电机设计[M].北京:机械工业出版社.1990.
[2]陈永校, 诸自强, 应善成.电机噪音的分析与控制[M].杭州:浙江大学出版社, 1987.
齿轮电机 篇5
目前国内常规的齿轮箱试验台采用的驱动方式是用全功率变频器驱动2台变频器进行对拖的方法,其中一台电机工作在电动状态,另一台电机工作在发电状态,2台电机互为负载。采用这种方式的优点是控制性能好、控制精度高、调节方便。但是由于大功率变频器的造价太高,所以导致该方案的成本很高。
为了节省成本,有的厂家采用2台同步电机对拖的方法来进行齿轮箱的试验,2台同步电机的定子直接短接,不接入电网。利用第3台电机将系统拖动到所需要的速度,调节2台同步电机的转子励磁电流来进行功率调节,见图1。
但是由于齿轮箱加载后的弹性变形,使得两台电机转子的耦合角加载后发生变化,这时只调节励磁电流不能加载到所需的功率,必须调节2台电机之间的转子角度对电机的功角进行补偿,来达到调节功率的目的。一般采用机械方式调节一台电机的定子角度,这种方式的优点是成本低,比较经济,容易被用户接受;缺点是控制性能差、操作麻烦、不安全,而且由于同步电机的定子角度必须能够调整,所以电机必须是特制的电机。
我们结合以上2种方式的优缺点,提出了采用双馈电机对拖方式,即2台双馈电机的定子直接连接,不接入电网,用变频器来控制2台电机的转子。通过分别调节电机转子的电流和频率来达到调节齿轮箱输出功率的目的。该方式兼有以上2种方式的优点,性价比高。
2 双馈电机对拖原理
2.1同步电机对拖原理
同步电机的原理就是在转子绕组(即励磁绕组)中通入直流电流后建立恒定磁场,如果这时拖动转子以转速n旋转时,在定子绕组中便产生感应交流电动势E0,这就是同步发电机的原理。而如果在定子绕组中通入频率为f的三相交流电时,则转子就以转速n旋转,这就是同步电动机的原理。
将2台同步电机转子用联轴器连接起来,2台电机的定子直接短接,这样2台电机在机械上和电气上都互相耦合。如果同时给2台电机通入相同的励磁电流,再用拖动电机将这2台电机拖动起来,这样这两台电机就有一台为发电机,另一台为电动机。作为发电机运行时,有一个超前的功角,作为电动机运行时,有一个落后的功角。两台电机功角之和为耦合角。如果忽略损耗,此时2台电机的功率相等,即
Pem1=Pem2
式中:E01,E02分别为2台电机的励磁电动势,δ1,δ2分别为2台电机的功角。
从上式可以看出,2台电机之间的功率与2个电机的功角和励磁电动势有关,而励磁电动势又与励磁电流有关,可以通过调节励磁电流和电机功角的方法来调节2台电机之间的功率。
2台同步电机转子一旦轴联之后,δ(δ=δ1+δ2为2台电机之间的耦合角)就是一个固定值,随着功率的加大,由于齿轮箱的弹性改变,耦合角δ也逐渐加大。如果通过改变励磁电流的方式不能加载功率到最大值时,必须通过改变耦合角δ的方法进行功率调节,一般采用改变一台电机的定子角度来改变δ的大小。采用特殊的同步电机,电机的定子不是固定安装的,而是通过涡轮机构安装在固定座上,当需调节δ时,通过涡轮蜗杆来调节定子慢速转动来调节定子与转子之间的角度,即可改变电机的功角。若不需要改变δ时,将涡轮蜗杆锁住,固定电机定子。一般采用伺服电机或变频电机来驱动涡轮蜗杆,有的现场则通过手动葫芦进行调节。
采用同步电机对拖方式可以达到调节电机功率的目的,但是由于电机定子不是固定安装的,具有一定的安全隐患。而且该方式调节精度也不高,操作比较麻烦。虽然成本较低,但是很少采用。
2.2双馈电机对拖原理
双馈电机的转子接入三相交流电源时,在转子上产生旋转磁场,磁场的幅值大小与电流大小成正比,磁场的旋转速度与三相电流的频率成正比。
如果逐渐减小电流的频率直至到零,此时转子磁场相对于转子来说就是静止磁场,电机相当于一个同步电机。和同步电机一样,将2台双馈电机转子用联轴器连接,定子直接短接,用变频器给2台电机转子通零频电流,此时双馈电机的特性就跟同步电机的特性相似,通过变频器调节转子电流就可以调节电机功率。
如果给一台电机的转子一个低频电流时,此时该电机的转子磁场就是一个慢速的旋转磁场,而该电机的功角就随着变大或减小,这样就可以达到调节功率的目的。
3 系统构成
3.1驱动部分
如图2所示,整个测试台的驱动部分由3台电机构成,其中M1,M2为双馈电机,M3为变频电机。M3电机的作用是为试验机组提供稳定的测试速度和机组的功率补偿。2台双馈电机定子通过1台断路器进行短接,设置电流电压互感器进行定子电流、电压、功率等电能参数的测量。在每个同步电机和齿轮箱之间设置1台转矩仪进行转矩和转速的测量。
M1,M2双馈电机的额定功率为3 400 kW,定子电流电压分别为2 978 A,750 V,转子电流电压分别为246 A,87(157)V,电机的转速范围为0～2 200 r/min。
M3变频电机的额定功率为630 kW,电压为690 V,电流为630 A,转速范围为0～2 200 r/min。
M3电机变频器采用西门子公司的4象限6SE70变频器,M1,M2采用2象限变频器。
3.2控制部分
如图3所示,测试台的控制部分由PLC和上位机监控系统构成。PLC采用西门子公司的S7-300产品,上位机软件采用WINCC。试验台的操作、参数设定全部通过画面进行,试验台的所有状态显示也是通过画面显示。
上位机监控与PLC通讯采用以太网通讯,PLC与3台变频器以及转矩仪等传感器之间采用Profibus-DP通讯。
3.3控制过程
系统启动后,通过人机接口选择操作模式,再启动辅助机构,然后将双馈电机的定子断路器合闸,再启动M3电机,最后启动M1,M2电机的转子回路,转子频率和电流给定都为零。逐渐增加M3速度,将试验台拖动到额定速度,然后再逐渐增加2台双馈电机转子电流,观察转矩仪的数值变化,使转矩仪输出的功率达到所需功率。如果转子电流已经达到最大励磁电流,而所需要的功率还要继续增加时,就要调节电机转子频率。给1#电机转子一个很小频率,观察转矩仪的功率变化,这时功率应该慢慢增加,当功率达到设定功率时将1#电机转子频率给定变为零。若实际功率超过设定频率,给1#电机转子一个负的频率,功率慢慢减小,实际功率与设定功率相等时将1#电机转子频率变为零。
以上操作全部通过画面手动操作,也可以选择自动模式,全部由程序自动完成。如图4所示。
在运行过程中可以定时记录齿轮箱的各种数据,包括温度、速度、转矩等。
4 结论
本系统已于2010年9月投入使用,目前运行状况良好。系统性能稳定、便于操作,各项指标均达到了设计要求,工作稳定。
参考文献
[1]陈季权,肖鸿杰,宋金煜,等.电机学[M].北京:中国电力出版社,2008.