双三相异步电动机

双三相异步电动机（精选8篇）

双三相异步电动机 篇1

1 引言

双三相异步电动机是研究多相电机领域中重要的一部分, 原理为将三相异步电机的60°相带绕组等分为2个相带, 得到2套互差30° (电角度) 、中点隔离的对称三相绕组[1]。转子为标准鼠笼型结构 (见图1) 。双三相异步电机特点为消除了6阶梯波电压源逆变器供电过程中, 三相异步电机电磁转矩中存在的6次谐波脉动转矩, 同时消除了气隙磁链中6k ±1次谐波[2,3]-3]。从而降低了逆变器开关器件功率等级要求并提高其可靠性, 在大功率/大电流研究中, 应用多相驱动技术可使船舶推进, 航空航天, 电动/混合动力汽车领域中的驱动技术水平得到提高[4]。

本文研究的控制策略为直接转矩控制 (DTC) 方式[5]。三相异步电动机DTC控制技术可分为:DTC的磁滞控制技术 (HC-DTC) 和DTC脉宽调制技术 (PWM-DTC) 。

HC-DTC技术中包括了经典DTC理论, 采用空间矢量的分析方法, 直接在坐标系下计算并控制交流电机的转矩, 采用定子磁场定向控制, 借助于离散的两点式调节 (Band-Band控制) 产生PWM信号[6], 直接对逆变器的开关状态进行最佳控制, 以获得转矩的高动态性能。

PWM-DTC技术, 优点为逆变器开关频率可以达到恒定, 功率器件工作在开关饱和和导通状态时通过改变功率器件驱动脉冲信号/开通关断时间, 从而调控负载两端平均电压大小, 实现了电动机调压调速控制[7]。并通过预测算法控制定子电流形成正弦波, 从而达到良好的控制效果[8]。

综上所述, 本文将研究双三相异步电动机PWM-DTC技术, 采用PI控制器由定子磁场实施同步控制[9]。

本文主要研究的内容为:电机模型、DTC控制策略、ASFO方法、仿真分析等。

2 电机模型

双三相异步电动机是一个六维空间系统, 可以使用矢量空间分解 (VSD) [10]的方法, 使原始的六维空间立体系统通过变换矩阵[T6]能够分解成3个正交子空间 (α, β) , (μ1, μ2) 和 (z1, z2 ) , 其中基波分量被映射到 (α, β) 子空间, 它们将提供气隙磁链和转矩。

k= 6n±1次谐波 (n=1, 3, 5, …) 被转换成 (α, β) 子空间, 这些谐波是5, 7, 17, 19次谐波, 不利于气隙磁链 (α, β) 和 (μ1, μ2) 的子空间正交, 零序分量的映射 (z1, z2 ) 子空间。异步电机的等效电路如图2所示。

电机模型静止参照系可以归结为2个解耦方程相对应的电机子空间 (α, β) 和 (μ1, μ2) 。在电机模型里 (α, β) 子空间。

以上描述可用以下2个方程组表示

$\{\begin{array}{l}\overline{u}{}_{\text{s}}=R{}_{\text{s}}\cdot \overline{i}{}_{\text{s}}+\frac{\text{d}}{\text{d}t}\overline{\Psi }{}_{\text{s}}\\ 0=R{}_{\text{s}}\cdot \overline{i}{}_{\text{r}}+\frac{\text{d}}{\text{d}t}\overline{\Psi }{}_{\text{r}}-\text{j}\cdot \omega {}_{\text{r}}\cdot \overline{\Psi }{}_{\text{r}}\\ \overline{\Psi }{}_{\text{s}}=L{}_{\text{s}}\cdot \overline{i}{}_{\text{s}}+{\rm M}\cdot \overline{i}{}_{\text{r}}\\ \overline{\Psi }{}_{\text{r}}={\rm M}\cdot \overline{i}{}_{\text{s}}+L{}_{\text{r}}\cdot \overline{i}{}_{\text{r}}\\ {\rm T}{}_{\text{e}}=3\cdot \frac{p}{2}\cdot \left(\Psi {}_{\text{s}}\cdot i{}_{\text{s}\beta }-\Psi {}_{\text{s}\beta }\cdot i{}_{\text{s}\alpha }\right)\end{array}(1)$

$\{\begin{array}{l}\overline{u}{}_{\text{s}}=u{}_{\text{s}\alpha }+\text{j}\cdot u{}_{\text{s}\beta }\\ \overline{i}{}_{\text{s}}=i{}_{\text{s}\alpha }+\text{j}\cdot i{}_{\text{s}\beta }\\ \overline{i}{}_{\text{r}}=i{}_{\text{r}\alpha }+\text{j}\cdot i{}_{\text{r}\beta }\\ \overline{\Psi }{}_{\text{s}}=\Psi {}_{\text{s}\alpha }+\text{j}\cdot \Psi {}_{\text{s}\beta }\\ \overline{\Psi }{}_{\text{r}}=\Psi {}_{\text{r}\alpha }+\text{j}\cdot \Psi {}_{\text{r}\beta }\end{array}(2)$

式中:ωr为转子角速度;p为电机极对数;Ψs, Ψr为定子和转子磁链;Ls, Lr为定子和转子自感;M为互感。

在电机模型中 (μ1, μ2) 子空间电压为

$(\overline{u}{}_{\text{s}}){}_{\mu {}_1‚\mu {}_2}=R{}_{\text{s}}\cdot (\overline{i}{}_{\text{s}}){}_{\mu {}_1‚\mu {}_2}+L{}_{\text{l}\text{s}}\cdot \frac{\text{d}}{\text{d}t}(\overline{i}{}_{\text{s}}){}_{\mu {}_1‚\mu {}_2}(3)$

3 DTC控制策略

DTC控制主要目的是获得一个快速的响应结果, 双三相异步电动机的HC-DTC驱动技术产生了含有高次谐波分量的电流, 使其驱动控制造成了偏差, 这是由于在 (μ1, μ2) 这两个子空间产生了电流谐波降低了驱动装置的效率。但利用PWM技术的预测算法与 (μ1, μ2) 子空间最小化电流结合起来用, 可优化结果得到近似正弦的电流波形。双三相异步电机与三相异步电机的DTC原理类似, 只是采用了PWM-DTC方法引入了PWM技术, 可以采用三相常规方法系统控制原理如图3所示。

在 (d, q) 同步坐标系与定子磁链矢量结合中, 定子磁链的q轴分量Ψqs等于零 (即Ψds=Ψs ) ;转矩的表达式为

${\rm T}{}_{\text{e}}=3\cdot \frac{p}{2}\cdot \Psi {}_{\text{s}}\cdot i{}_{q\text{s}}(4)$

q轴电流分量和定子磁链如下:

$\{\begin{array}{l}\frac{\text{d}}{\text{d}t}\Psi {}_{\text{s}}=-R{}_{\text{s}}\cdot i{}_{d\text{s}}+u{}_{d\text{s}}\\ \frac{\text{d}}{\text{d}t}i{}_{q\text{s}}=-\frac{1}{\sigma }\cdot \left(\frac{1}{\tau {}_{\text{s}}}+\frac{1}{\tau {}_{\text{r}}}\right)\cdot i{}_{q\text{s}}-\omega {}_{\text{s}\text{l}}\cdot i{}_{d\text{s}}-\\ \omega {}_{\text{r}}\cdot \frac{1-\sigma }{\sigma \cdot {\rm M}\cdot {\rm K}{}_{\text{s}}}\cdot \Psi {}_{\text{s}}+\\ \frac{1-\sigma }{\sigma \cdot {\rm M}\cdot {\rm K}{}_{\text{r}}}\cdot u{}_{q\text{s}}\end{array}(5)$

式中:ωsl为转差率;Ks, Kr, σ分别为定子和转子的耦合系数和总漏磁系数;τs, τr 为定子和转子的极距。

磁链和转矩调节原理框图如图4所示。

图4中所得同步电压基准参照系指令u*ds和u*qs, 其中前馈可添加到PI输出, 提高动态性能。

在弱磁效应区的控制环节与转矩的辨识作用需要与定子磁链相对应, 以保证系统的稳定性。

4 速度自适应定子磁链观测

线性动态系统可描述为以下状态方程

$\{\begin{array}{l}\frac{\text{d}}{\text{d}t}[x]=[A]\cdot [x]\cdot [B]\cdot [u]\\ [y]=[C]\cdot [x]\end{array}(6)$

式中:[x], [u], [y]分别为系统状态变量、输入与输出向量;[A], [B], [C]为系统状态矩阵。

如果系统输入向量[u]为已知, 则有可能重建系统状态变量[x], 通过测量系统的输出向量[y], 卢恩伯格状态观测器如图5所示。图5中[L]为增益矩阵。

式 (5) 的系统状态变量、输入与输出向量为

$[x]=\left[\begin{array}{l}\overline{\phi }{}_{\text{s}}\\ \overline{i}{}_{\text{s}}\end{array}\right][u]=\overline{u}{}_{\text{s}}[y]=\overline{i}{}_{\text{s}}(7)$

输入与输出矩阵被定义为

$[A]=\left[\begin{array}{l}0-R{}_{\text{s}}\\ \frac{1}{\sigma L{}_{\text{s}}}\cdot (\frac{1}{\tau {}_{\text{r}}}-\text{j}\cdot \omega {}_{\text{r}})-\frac{1}{\sigma }\cdot (\frac{1}{\tau {}_{\text{s}}}+\frac{1}{\tau {}_{\text{r}}})+\text{j}\cdot \omega {}_{\text{r}}\end{array}\right](8)$

$[B]=\left[\begin{array}{l}1\\ 1/\sigma L{}_{\text{s}}\end{array}\right][C]=[01](9)$

式 (6) 离散形式为

$\begin{array}{l}\{\begin{array}{l}[x(k+1)]=[A{}_d]\cdot [x(k)]+[B{}_d]\cdot [u(k)]\\ [y(k)]=[C{}_d]\cdot [x(k)]\end{array}(10)\\ \{\begin{array}{l}[A{}_d]=\text{ϕ}({\rm T}{}_{\text{s}})\\ =\text{e}{}^{|A|\cdot {\rm T}{}_{\text{s}}}\cong [{\rm I}]+[A]\cdot {\rm T}{}_{\text{s}}+\\ \frac{([A]\cdot {\rm T}{}_{\text{s}}){}^2}{2}\\ [JX-*2][B{}_d]=[JX*2]{\displaystyle {\int }_0^{{\rm T}{}_{\text{s}}}\text{ϕ}}(\tau )\cdot [B]\text{d}\tau \cong [B]\cdot {\rm T}{}_{\text{s}}\\ [C{}_d]=[C]\end{array}(11)\end{array}$

式中:Ts为采样时间。

为了减少计算量, 式 (11) 中引入一阶离散输入矩阵形式。

图6为ASFO离散状态观测系统, 其中Z-1代表一个单位延迟, adxy与bdxy为[Ad][Bd]矩阵。

通过观测而得到的$\overline{\mathit{{\rm K}}}{}_{\text{λ}}$和$\overline{\mathit{{\rm K}}}{}_{\text{i}}$为定子与转子的增益矩阵。图6中的观测极点能够保证稳定性。图6中的观测方程可以写为

$\begin{array}{l}[\widehat{x}(k+1)]=([A{}_{\text{d}}]-[L])\cdot [\widehat{x}(k)]+[B{}_{\text{d}}]\cdot \\ [u(k)]+\cdots +[L]\cdot [y(k)](12)\end{array}$

其中, [L]是增益矩阵, 定义为

$[L]=\left[\begin{array}{l}\overline{{\rm K}}{}_{\text{λ}}\\ \overline{{\rm K}}{}_{\text{i}}\end{array}\right](13)$

所需位置的观测极点可以得出以下特征值

det ([Ad]-[L]-p·[I]) =det ([Aob]-p·[I]) =0 (14)

它对应于二阶方程

$(p-\overline{p}{}_{\text{i}})\cdot (p-\overline{p}{}_{\text{λ}})=0(15)$

其中, $\overline{p}{}_{\text{λ}}$与$\overline{p}{}_{\text{i}}$观测极点为单位圆内的两点。通过式 (14) 、式 (15) 的结果与[L]可以计算出理想观测极点。如图7极点对应的电流方程几乎不变, 而极点对应磁链方程对转子的转速影响很大。

5 实验结果及其分析

本文对以10 kW双三相异步电动机DTC控制进行实验研究。控制器为1套六相IGBT所构成, 其逆变器开关额定频率为10 kHz, 逆变器直流母线电压为120 V。

PWM调制器采用双零序注入调制技术, 在 (μ1, μ2) 子空间里减少了谐振使运行得到简化。转矩与磁链频宽限定为700 Hz。

双三相异步电机的DTC控制要通过两次测控来证明其暂态性能, 第1次测控时, 额定转矩为 (50 N·m) 如图8所示, 定子磁链与定子idqs电流分量图的暂态响应体现在图8中。得出的实际转矩在阶跃之后与额定转矩值一致 (同为50 N·m) 。

第2次测控时, 每个三角波的速度 (额定) 参考值为-500～500 r/min, 在驱动器的暂态响应方面, 与转子ωr同步的 (d, q) 定子电流idqs与其定子磁链Ψs的图形如图9所示。图9中在 (d, q) 同步参考系中定子电流不能够解耦。因此q轴电流分量的暂态 (转矩变化的结果之前) 会影响到d轴电流分量。定子磁链通过电流调节器保持其参考值不发生变化。最后计算定子磁链, 并限制参考额定转矩, 使双三相异步电机运行的转速达到安全稳定。2次测控方法保证了电流环稳定, 降低了转矩和磁链的脉动, 有效的消除静差, 获得了理想的暂态响应性能。

6 结论

本文分析了双三相异步电动机的驱动方法。提出了PWM-DCT对其控制产生的优化方案, 可以使PI调节器对定子磁场实施同步控制, 逆变器开关频率可以达到恒定, 通过建模10 kW双三相异步电机对其仿真得到了电机相电流为正弦波形, 提高了其稳定性并有效地降低了脉动, 可使驱动方案达到优化目的。

参考文献

[1]谢卫, 万永良.电压型逆变器供电六相双Y移30°绕组同步电动机的动态数字仿真[J].电机与控制学报, 2004, 8 (1) :13-18.

[2]王步来, 顾伟, 褚建新, 等.双三相异步电动机的建模和仿真研究[J].电机与控制学报, 2008, 12 (6) :667-669.

[3]姜华, 伍小杰, 韩晓春.基于Matlab/Simulink的双三相异步电机的仿真模型及性能研究[J].大电机技术, 2006, 4 (6) :34-37.

[4]Bojoi R, Chiado Caponet M, Grieco G, et al.Computationand Measurements of the DC Link Currentin Six-phaseVoltage Source PWM Inverters for AC Motor Drives[C]//Conf.Rec.PCC2002, Osaka, Japan April, 2002:953-958.

[5]李山, 肖蕙蕙.基于预测控制的双三相异步电机直接转矩控制策略[J].电机与控制应用, 2008, 35 (10) :31-32.

[6]李擎, 杨立永, 李正熙, 等.异步电动机定子磁链与电磁转矩的逆系统解耦控制方法[J].中国电机工程学报, 2006, 26 (6) :147-150.

[7]孙立志.PWM与数字化电动机控制技术应用[M].北京:中国电力出版社, 2008.

[8]Lee J-H, Kim C-G, Youn M-J.A Dead-beat Type DigitalController for the Direct Torque Control of an InductionMotor[C]∥IEEE Trans.on Power Electron, 2002 (5) :739-746.

[9]Lai Y S, Chen J-H.A New Approach to Direct TorqueControl of Induction Motor Drives for Constant InverterSwitching Frequency and Torque Ripple Reduction[C]∥IEEE Trans.on Energy Conversion, 2001 (3) :220-227.

[10]Zhao Y, Lipo T A.Space Vector PWM Control of DualThree-phase in Duction Machine Using Vector Space De-composition[C]∥IEEE Trans.on Ind.Appl., 1995 (5) :1100-1108.

双三相异步电动机 篇2

课题：三相异步电动机的启动方式

一、教学目的：掌握:三相异步电动机全压启动三种控制方式的工作原理。

了解:三种控制方式的组成以及应用。

重点:自锁控制的工作原理以及线路设计。

二、教学重点、难点：要求学生掌握自锁的概念以及作用并会根据题目要求设

计线路。

三、教学方法：1采用讲授法。

2多媒体演示辅助教学。

四、课时安排：1课时

五、教学步骤：1对本堂课涉及的已学过的知识进行回顾，导出新课

2介绍三相异步电动机启动三种典型方式（原理图、工作原理、应用、保护环节）.3通过连续启动控制的原理图引出本节课重点：接触器的自锁控

制

4对启动方式进行仿真，让同学更能对原理有更清晰的认识5总结本堂课讲解的重点、难点内容

6留作业（通过本堂课讲解的内容，经行扩展的作业）

六、板书设计：

黑板最左面黑板中间知识回顾：三相异步电动机启动控制

接触器（KM）三相异步电动机的启动方式分为两种：直接启动和降压启动 熔断器（FU）1点动直接启动：

热继电器（FR）1）原理图

2）工作原理

3）保护环节

4）应用范围

2连续控制直接启动：

※ 接触器的自锁

3混合控制

双三相异步电动机 篇3

关键词：普通电动机,变频调速电动机,变频器

一、普通电机变频调速时出现的问题

1. 电机的效率降低、温度升高。

变频器在工作中会不同程度地产生谐波电压和谐波电流，电动机会运行在非正弦波电流和电压下。在高次谐波引起的损耗中，转子铜损耗显著增加，集肤效应导致阻抗增加使铜损耗也显著增加。因此普通电机用于变频调速效率降低。同时由于铜损耗的增加，温升增加10%～20%。

2. 冲击电压破坏电机绝缘。

目前的中小容量变频器，大多采用PWM控制方式，使电机定子绕组承受很大的du/dt值，电机绕组的匝间绝缘承受了极大的电压冲击。再者PWM变频器的矩形斩波冲击电压也会叠加在电机的运行电压上，因此这些冲击电压会使电机的绝缘加速老化，破坏电机的绝缘。

3. 电机低速运行时冷却效果差。

自带风扇冷却的电机，转速降低时，冷却风量以转速的三次方成比例地减少。例如：电机调频到40Hz，转速降到额定值的80%左右，冷却风量降为额定值的一半。变频调速时谐波导致损耗增加而散热却困难了，必然使电机低速时温升急剧增加，电机无法正常工作。

二、三相异步电动机的转动原理

当向三项定子绕组中通入对称的三项交流电时，就产生了一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势(感应电动势的方向用右手定则判定)。由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用(力的方向用左手定则判定)。电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。可以总结出电动机工作原理为：当电动机的三项定子绕组(各相差120度电角度)，通入三项交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流 (转子绕组是闭合通路) ，载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。在三相异步电动机的定子铁心中放置三组结构完全相同的绕组U1U2、V1V2、W1W2，各相绕组在空间互差120°电角度，向这三相绕组中通入对称的三相交流电，则在定子与转子的空气隙中产生一个旋转磁场。以两极电机即2p=2为例说明，对称的三相绕组U1U2、V1V2、W1W2假定为集中绕组，三相绕组接成星形，并通以三相对称电流IA、IB、IC。如动画演示所示。假定电流的瞬时值为正时是从各绕组的首端流入，末端流出。电流流入端用“×”表示，电流流出端用“.”表示。wt=0时，IA=0;IB为负值，即IB由末端V2流入，首端V1流出;IC为正值，即IC由首端W1流入，末端W2流出。电流流入端用“×”表示，电流流出端用“.”表示。可见合成磁场是一对磁极，磁场方向与纵轴线方向一致，上方是北极，下方是南极。

U相、V相、W相绕组的电流分别为IA、IB、IC。三相交流电的相序A—B—C。旋转磁场的旋转方向为U相—V相—W相(顺时针旋转)。若U相、V相、W相绕组的电流分别为IA、IC、IB(即任意调换电动机两相绕组所接交流电源的相序)，则旋转磁场的旋转方向为逆时针旋转。两极三相异步电动机(即2P=2)定子绕组产生的旋转磁场，当三相交流电变化一周后，其所产生的旋转磁场也正好旋转一周。故在两极电动机中旋转磁场的转速等于三相交流电的变化速度，即n1=60f1=3000转分。四极三相异步电动机(即2P=4)定子绕组产生的旋转磁场，当三相交流电变化一周后，其所产生的旋转磁场只旋转了半圈。故在四极电动机中旋转磁场的转速等于三相交流电的变化速度的一半，即n1=60f1/2=1500转/分。由于普通电机在变频调速上存在以上缺陷，而交流调速又有诸多优点且发展迅速，解决电机的问题势在必行，国外科研机构和厂家已在研制变频调速专用电机，并有产品进入市场。变频调速三相异步电动机的结构原理与普通三相异步电动机基本相同，但由于考虑到电源性质、控制方式和运行方式的不同，所以与普通三相异步电动机存在一定的差异，在变频调速时优点显著。

对于恒频恒压供电的普通异步电动机，电压和频率一定，主要考虑的性能参数是过载能力、启动特性、功率和功率因数。对于变频调速三相异步电动机，由于启动、过载、效率和功率因数等可在控制系统中解决，所以要重点考虑宽频范围驱动和电源的非正弦性。YTSP系列技术参数：功率：0.75～160KW, 56种规格。极数：4、6、8;额定电压：380V;额定频率(拐点频率)：50Hz;恒转矩调速比：U/f控制：1∶16.7;矢量控制：1∶1000以上。

三、变频调速三相异步电动机的应用

变频调速三相异步电动机的选择依据是负载类型。负载类型分为：离心、恒功率和恒转矩负载。如风机和水泵属离心负载，用U/f控制变频起驱动YTSP系列变频调速三相异步电动机。一般环境用有冷却风机的变频调速电动机(如YTSP)。粉尘、水蒸气和高温环境中，选择辊道专用变频调速电动机(如RSG)。

参考文献

[1]何超.交流变频调速技术[M].北京:航空航天大学出版社, 2006.129-135.

三相异步电动机的制动 篇4

一、机械制动

利用机械装置使电动机断开电源后迅速停转的方法叫做机械制动。机械制动常用的方法有电磁抱闸制动器和电磁离合制动器两种。两者的制动原理类似, 控制线路也基本相同。下面以电磁抱闸制动器通电制动为例, 介绍机械制动的原理和控制线路。

在图1中, 先合上电源开关QS, 按下启动按钮SB1, 接触器KM1线圈得电, 此时KM1的常开触头和主触头闭合, 电动机M通电运转。此时电磁抱闸制动器线圈断电, 闸瓦与闸轮分开, 无制动作用。当电动机失电需停转时, 按下SB2按钮, 此时KM2线圈得电, KM2的主触头闭合, 电磁抱闸制动器线圈得电, 使闸瓦抱住闸轮制动。当电动机处于常态运转时, YB线圈也没电, 闸瓦与闸轮分开, 这样操作人员可以用手扳动主轴进行调整工件、对刀等操作。机械制动虽然可靠, 但容易磨损, 应定期检查。

二、电气制动

使电动机在切断电源停转的过程中, 产生一个和电动机实际旋转方向相反的电磁力矩, 迫使电动机迅速停转的方法叫做电气制动。电气制动常用的方法有反接制动、能耗制动和再生发电制动几种。

(一) 反接制动

当异步电动机转子的旋转方向与定子磁场的旋转方向相反时, 电动机就处于反接制动的状态。它有两种情况, 一是在电动状态突然将电源两相反接, 使电动机的定子磁场反相, 这种情况下的制动称为定子两相反接的反接制动;二是保持定子磁场的转向不变, 而转子在位能负载作用下进入倒拉反转, 这种情况下的制动称为负载倒拉的反接制动。

反接制动的优点是制动能力强, 制动迅速;缺点是制动准确性差, 制动过程中冲击强烈, 易损坏传动零件, 制动能量消耗大, 不宜经常制动。因此, 反接制动一般适用于制动要求迅速, 系统惯性较大、不经常启动与制动的场合, 如铣床、镗床、中型车床等主轴的制动控制。

(二) 能耗制动

当电动机切断交流电源后, 立即在定子绕组的任意两相中通入直流电, 迫使电动机迅速停转的方法叫能耗制动。

如图2所示, 断开电源QS1, 切断交流电源后, 这时转子仍沿原方向惯性运转, 随后立即合上开关QS2, 并将QS1向下合闸, 电动机V、W两相定子绕组通入直流电, 使定子中产生一个恒定的静止磁场, 惯性运转的电动机转子切割磁力线, 在转子绕组中产生感生电流, 可用右手定则判断其方向。该感生电流又受到静止磁场的作用, 从而产生电磁转矩, 可用左手定则判断其方向正好与电动机原转向相反, 使电动机受制动而迅速停转。由于这种制动方法是在定子绕组中通入直流电以消耗转子惯性运转的动能来进行制动的, 所以称为能耗制动。能耗制动时, 产生的制动力矩的大小与通入定子绕组中的直流电流的大小、电动机的转速及转子电路中的电阻有关。能耗制动的优点是制动准确、平稳, 且能量消耗较小;缺点是需附加直流电源装置, 设备费用较高, 制动力较弱, 低速时制动力矩小。因此能耗制动一般用于要求制动平稳、准确的场合, 如磨床、立式铣床等的控制线路中。

(三) 再生发电制动

再生发电制动又称为回馈制动, 主要用于在起重机械和多速异步电动机上。若异步电动机在电动状态运行时, 由于某种原因, 使电动机的转速超过了同步转速, 这时电动机便处于回馈制动状态。下面以起重机为例说明其制动原理。

当起重机在高处开始下放重物时, 电动机转速n小于同步转速n1, 这时电动机处于电动运行状态, 但由于重力作用, 在重物的下放过程中, 会使电动机的转速n大于同步转速n1, 这时电动机处于发电运行状态, 转子相对于旋转磁场切割磁感线的运动方向发生了改变, 其转子电流和电磁转矩的方向都与电动运行时相反, 此时电磁力矩变为制动力矩限制了重物的下降速度, 保证了设备和人身安全。

再生发电制动是一种比较经济的制动方法, 制动时不需要改变线路即可从电动运行状态自动的转入发电制动状态, 把机械能转化成电能, 再回馈到电网, 节能效果显著。但存在着应用范围较窄, 仅当电动机转速大于同步转速时才能实现发电制动的缺点, 所以常用于在位能负载作用下的起重机械和多速异步电动机由高速转为低速时的情况。

三相异步电动机的制动不管在生活中还是工业中都起着非常重要的作用, 它不仅是机器正常运转的可靠保证, 还关系着操作人员的生命安全, 所以我们要不断改进制动电气线路, 使设备在今后的生产运行中更加安全、可靠。

摘要：本文通过从机械制动和电气制动两方面, 阐述了对三相异步电动机制动控制。其中, 电气控制常用的方法有反接制动、能耗制动和再生发电制动几种。通过对比几种制动的特点及优缺点, 了解各种制动方法适用的线路。

关键词：机械制动,电气制动,反接制动,能耗制动

参考文献

[1].李敬梅, 《电力拖动控制线路与技能训练》[M], 中国劳动社会保障出版社, 2007

[2].秦虹, 《电机原理与维修》[M], 中国劳动社会保障出版社, 2004

三相异步电动机的节能 篇5

关键词：三相异步电动机,电动机效率,有功损耗,无功,节能,功率因数

0 引言

三相异步电动机应用广泛,在整个电能的消耗中电动机的耗能比例最大,据有关资料统计,俄罗斯、日本及我国占60%,美国占64.2%,法国占66.7%,因此,对于三相异步电动机的节能,无论从世界各国的情况,还是从我国的情况来看,都具有极其重要的作用,为此我国在1997年就制定了《三相异步电动机经济运行》标准,并经国家技术监督局批准为强制性国家标准。从近些年贯彻执行的情况来看,有些地方、行业收到了一定的成效,但也还有许多地方及行业存在较多的问题。

本文从长期的实际工作中,总结出在异步电动机节能方面存在的问题,并从减少异步电动机的有功损耗与无功损耗这两个方面,探讨异步电动机节能的方法。

1 目前在电机节能方面存在的主要问题

1.1 老、旧(淘汰)型电机的使用

我国20世纪七八十年代制造,六七十年代技术水平的J2、JO2系列及其相应水平的派生电机,现在约占装机容量的3%～5%,即约2 000万kW,这些电机采用E级绝缘,体积较大,起动性能较差,效率较低。虽经历年改造,但目前我国的少数企业还在使用这类电机,如风机、水泵、车床等使用的主机。另外,早期使用的Y系列电动机,经过1～2次大修,性能变差,效率降低,本应该淘汰,却仍在使用。这类电机占装机容量的15%～20%[1]。

1.2 电机负载率低

由于电动机选择不当,富裕量过大或生产工艺变化,使得电动机的实际工作负荷远低于额定负荷,大约占装机容量30%～40%的电机在30%～50%的额定负载下运行,运行效率过低。如现在我国风机的平均运行效率为60%,水泵的平均运行效率只有51%[1]。

1.3 电机电源电压不对称或电压过低

由于三相四线制低压供电系统单相负荷的不平衡,使得电动机的三相电压不对称,电机产生负序转矩,增大电机运行中的损耗。另外电网电压长期偏低,使得正常工作的电机电流偏大,因而损耗增大。三相电压的不对称度越大,电压越低,则损耗越大。

1.4 负荷调节与转速控制不当

在调节风机的风量与水泵的流量等方面,还有些场合是采用挡板或阀门来调节,使得截流功率损耗大。许多设备还采用机械调速方法,而未采用电气调速。此外,由于调速方法与负载的性质、大小配合不好,转速控制不当,也使得调速过程中的损耗增大。

1.5 维修管理不善

有些单位对电机及设备没有按照要求进行维修保养,任其长期运行,使得损耗不断增大。此外,由于管理不善,工作人员长时间离开工作台后不关机,造成有些电机及设备空转时间较长,或只关电机而不关与电机配套的风机、照明设备等,使得能量损耗增加。

2 减少有功损耗以提高电动机效率

异步电动机的损耗分为有功损耗与无功损耗两种,减少有功损耗,就能提高电动机的效率,从而达到节能的目的,这可以从两个方面进行。

2.1 在电机的设计、制造与改进方面

对电机进行优化设计与制造要做到:

(1)采用较薄的低损耗硅钢片,减少电机的涡流损耗;加长电机铁芯,用较多的硅钢片,达到减少磁密、降低铁损的目的。

(2)采用较大截面的铜导线,缩短绕组端部长度,增大电机的满槽率,达到减小导线电阻与定子电流、降低定子铜损的目的。

(3)采用有较大截面的转子导条和转子端环,提高转子导条与端环的导电率,降低转子绕组的损耗。

(4)改进风扇设计,提高风扇效率,采用优质低摩擦轴承,降低风扇旋转时所产生的风摩耗与轴承损耗。如对2极电机,因大部分的机械损耗为风摩耗,所以减少风摩耗比较重要。为此,在这种型号电机上可采用不可逆的后倾式风扇,它在保持风量不变的情况下,风摩耗降低约20%。

(5)选择适当的绕组型式与节距、槽配合、转子槽斜度及最佳的气隙长度等,在工艺上对转子槽进行绝缘处理,改进转子表面的切削加工方法等,以降低杂散损耗。

我国目前推广使用的Y2系列电动机,基本上达到了优化设计与制造的要求,其效率一般比原系列提高0.4%～1.5%,比德国、法国及日本的某些产品效率都要高。

在电机的改进上,有用磁性槽泥改造电机的情况。磁性槽泥是电机节能改造的专用材料,把它抹在电机槽口上,固化后形成“闭口槽”,可以降低气隙的磁谐波,使气隙磁密分布趋于均匀,降低定子电流,减少杂散损耗(即减少了空载损耗),使电机效率一般提高1%以上[2]。表1列出了4台Y系列电动机用磁性槽泥改造前后的对比情况。

注:年节电量按电机年运行时间T=4 000 h计算。

从表中可以看出,电机经改造后,节电效果好。有关磁性槽泥的性能指标及具体的改造方法可以参阅相关资料。

另外,还可以通过更换节能风扇和风罩对电机进行改造。22 kW以上的电动机,机械损耗大,约占电机总损耗的30%以上,而原系列电机的风扇效率只有40%左右,如果改用节能型的高效风扇,效率可达67%,能使电机的运行效率提高1%以上,这对于单方向运转的电动机是非常有效的。

2.2 在电机的运行方面

2.2.1 尽量采用Y2系列电机

尽量采用Y2系列节能、高效电动机代替J2、JO2系列电机及早期的Y系列电机。运行多年的电机,由于转子铁芯外圆和定子铁芯内圆气隙有变化等原因,使得电机空载电流和空载损耗普遍增大。如果气隙增大到超过原始值的35%,就认为该电机没有修理的价值了。如果换用Y2系列节能型电机,其损耗要减少20%～30%;如换用派生系列YX2高效电动机,则要减少40%～50%。虽然节能电机的价格要贵10%～30%,但通过节电一般1～3年即可回收这部分费用。全国电动机装机容量约4×108kW,其中70%～75%为老系列电动机,如果全部采用Y2系列节能型电动机,则一年可节电约3亿k W·h。

2.2.2 尽量使电机在最高效率下负载运行

我们知道,异步电动机有功损耗中的不变损耗与可变损耗相等时效率最高,然而此时并不是出现在额定负载处,而是小于额定负载,对于用得最多的中小型异步电动机来说,一般出现在约3/4额定负载处。如果我们使电动机在最高效率下运行,能量损耗就最小。

以额定电压下的空载损耗P0作为不变的损耗。额定电流下的短路损耗Pke作为额定负载时的可变损耗,设电机的负载率为β,则可变损耗为β2Pke,令P0=β2Pke,即时电机运行效率最高,而Pke=(1/ηe-1)Pe-P0,则

式中:ηe—电机的额定效率;Pe—电机的额定功率(k W)。

因此,效率最高时的电机功率:P2=βPe。

2.2.3 维持电压平衡,控制电压大小

电动机的三相电压不平衡时,电机内产生负序磁场,形成负序电流与负序转矩,从电机轴上吸收一部分功率并消耗在电机内部,使输出的机械功率降低。同时,负序磁场在转子上还引起额外的损耗,使电机总损耗增加。对于中小型异步电动机,电压不平衡度达3%时,产生的负序电流为额定电流的15%～21%,电机的总损耗增加约20%,效率下降21%,因此国标GB/T 15543—95规定:电动机电源电压的负序分量在长期运行时不超过正序分量的1%,在几分钟的短时运行时不超过正序分量的1.5%,且电压的零序分量不超过正序分量的1%,如果我们尽量平衡电网的三相负荷,使电机电源的三相电压对称,就能克服电机这部分的额外损耗。

电动机运行在空载或轻载情况下,不变损耗大于可变损耗,运行效率下降,如果能及时降低电机运行电压,就可以降低铁损和铜损,达到节能的目的。常用的方法有△/Y变换调压,当电机负载只为额定负载的1/3左右时,把电机△型接法的绕组改为Y型接法运行,这种控制电路不复杂,易于推广。另外还有随负载大小变化而采用无级调压装置,效果更好,只是设备较复杂。

2.2.4 控制电机转速

风机泵类负载如果是通过风门、阀门等调节装置来控制流量的,截流装置及管道的摩擦发热会消耗大量的能量。

我们知道,风机、泵类负载的转矩与转速的平方成正比,那么所需电机轴上的功率就与转速的立方成正比。如果通过控制电机的转速来改变流量,则效率可显著提高。表2列出了在各种流量下调节电机转速的节电效率。

(%)

由表2可知,当流量/额定流量为50%时,调节转速可节电71.5%,我国风机、泵类负载电机的耗电量占全国发电量的30%左右,实现转速控制的节电潜力很大[3]。

目前,调速方法有调压调速、电磁转差离合器调速、串级调速、变极调速与变频调速。从节能的角度考虑,串级调速和变频调速较好,其投资回收期一般不超过2年。

3 减少无功以提高电动机功率因数

3.1 使电机在高功率因数下运行

我们知道,电动机运行时功率因数的最大值大约出现在额定负载处,而效率的最大值大约在3/4的额定负载处,因此在减少有功损耗的同时还要兼顾到减少无功,使电动机在效率与功率因数都较高的情况下运行,此时电机的负载率可按下式计算(推导过程略):

式中:K—无功功率的经济当量,取0.08～0.1;K10=(I0/Ie)·(1/cosφe)—空载电流系数;I0—电机空载电流(A);Ie—电机额定电流(A);cosφe—电机额定功率因数。那么效率与功率因数都较高时的电机的负载功率:P2=β'Pe。

3.2 电动机就地无功补偿

异步电动机为感性负载,运行时要消耗一定的无功,使得电机的功率因数不高。如果我们给电机就地补偿电容,就能大大减少无功,同时由于补偿电容后的总电流减少,使得线路的有功损耗也有所减少。

设补偿前电机的无功为Q1,补偿电容后的无功为Q'1,则电容补偿的无功:

式中:P1、P2—电动机运行时输入、输出的有功功率(kW);η—电动机运行时的效率;φ1、φ'1—电容补偿前后的功率因数角。

补偿前的功率因数可为:1

式中:cosφe—电机额定负载时的功率因数,可由产品目录查得;K1=I1/Ie—电机定子电流负载率;I1—电机实际运行时的定子电流(A),可实测。

补偿后的功率因数cosφ'1一般为0.92～0.96就行了,如果再提高,则所需电容器的投资大,不经济[4]。

确定了所需补偿的无功Qc之后,那么补偿电容量:C=Qc/(2πf Ue2)。

式中:f—电源频率(Hz);Ue—电机额定电压(V)。

补偿的方法一般是把补偿电容直接与电机并联。

如果电机负载经常变化,具有相当一部分时间是空载或轻载运行,可使用功率因数控制器,使电机始终处于较高功率因数下运行。

3.3 异步电动机同步化

我们知道,同步电动机的功率因数高(一般为0.9～1.0),如果在过励的情况下运行,就从电网吸收超前的电流,出现超前的功率因数,还能补偿异步电动机等感性负载的无功,因此在负载转速变化不大的场合,把绕线式异步电动机改为同步电动机运行,既可拖动负载,又能提高功率因数,实现节能[5]。

同理,在负载转速变化不大的场合,还可以把拖动用的其它异步电动机改为同步电动机,实现节能。

4 结论

1)目前,我国在电机节能方面主要存在着老旧电机的仍然使用、电机负载率过低、电压不对称或电压过低、负荷调节或转速控制不当、电机及拖动设备维修管理不够等问题。

2)为了减少有功损耗,提高运行效率,可对电机的设计制造进行改进,或对现有电机进行改造。还可以通过选用高效电机,并使电机运行在高效区,维持电压平衡与控制电压大小,采用变频调速或串级调速来控制电机转速等方法来实现。

3)为了减少无功,提高功率因数,可使电机运行在高功率因数区,对电机进行就地无功补偿,或异步电动机改作同步电动机运行等方法来实现。

4)我们只要结合实际生产中电机选用的具体情况,找出存在的问题,然后针对性地采用本文介绍的有关方法,就能提高电动机运行时的效率和功率因数,实现较大幅度的节能。

参考文献

[1]胡新晚,雷美艳.从节能的观点谈电动机的选用[J].电气时代,2006(3).

[2]周希章.节电技术与方法[M].北京:机械工业出版社,2004.

[3]梁南丁.风机水泵类负载电动机的高效节能运行方式[J].机电产品开发与创新,2006,19(3).

[4]王益全.电动机原理与实用技术[M].北京:科学出版社,2005.

三相交流异步电动机振动分析 篇6

关键词：电动机,振动,断笼条,原因,方法,注意事项

0 引言

电动机在电力生产行业中有着广泛的应用, 而其在使用中会出现许多问题, 其中, 电动机振动是日常生产运行中非常普遍的现象。

1 电动机振动的危害

电动机振动会加速电动机轴承 (轴瓦) 磨损, 使轴承 (轴瓦) 的正常使用寿命大大缩短, 如果发现处理不及时势必造成轴承 (轴瓦) 保持架磨损变形, 断裂 (烧损) 促使电机转子下沉, 使定、转子之间扫膛。这不但对定、转子铁芯造成严重的破坏, 甚至会造成定子绕组因摩擦过热而烧损的重大事故。另外, 电动机振动还会造成所拖动机械的损坏, 影响设备的正常工作, 不但对机组安全稳定运行带来严重威胁, 而且会对企业造成重大的经济损失。

2 电动机产生振动的主要原因

引起电动机产生振动的主要原因归纳起来主要表现在机械和电磁2个方面。

2.1 机械方面的原因

机械方面的原因主要是因为地脚螺栓紧固不到位;台板基础倾斜、不平;支撑轴承破损, 转子大轴变形弯曲, 电机中心轴线与其所带负载的中心轴线不对称;定子铁芯与转子铁芯磁力中心不对称, 转子动平衡遭到破坏等。

2.2 电磁方面的原因

电磁方面的原因主要表现在三相电源电压不平衡, 电机单相或缺相运行。三相电流不平衡, 各相绕组电阻及电抗不平衡, 电动机运行方式不对称。电动机定子绕组重新缠绕后小组联线接错, 转子铁芯鼠笼条断裂, 或端部短路环焊口开焊等。

由机械方面的原因造成的振动一般发生在中型或是小型的异步电动机上, 且故障点比较直观, 很容易查找, 而且处理解决也比较容易。如果发现、解决处理及时的话, 也不会造成比较严重的后果。下面主要针对由电磁方面的原因引起的振动进行分析。

2.2.1 电源方面引起的电磁原因

首先检查三相电压是否平衡, 用钳形电流表测量三相电流是否平衡, 有没有存在单相运行现象。在生产中我们曾发现电动机接线盒内端头接线因紧固不牢, 发生虚接甚至烧断现象, 造成单相运行, 因此应加强此处检查并予以消除。另外, 定子绕组直流电阻不平衡也是造成电机振动的主要原因, 应定期测量三相定子绕组的直阻值, 检查绕组是否对称, 若阻值不平衡, 则说明绕组接头有开焊部位或绕组有匝间短路现象, 若是因绕组匝间短路较严重则必须重新更换绕组。

若在用钳形电流表测量时, 发现三相电流不平衡, 且表针摆动时高时低, 并且伴有较明显的电磁噪音, 则说明转子有笼条断裂或短路环开焊现象。此时应立即切断电源, 停止电动机运行, 抽出转子进行检查、修复。

2.2.2 因转子鼠笼条断裂而导致的电磁原因

新投运或刚大修后的电机一般不会发生断笼, 在经过一年或更长时间后才会发生, 尤其是对于频繁启动、启动时间过长、重载启动的电动机, 造成鼠笼条故障的概率相对较高。如果鼠笼条断裂较少时, 在电动机启动过程中, 能看到放电性点状火花。当鼠笼条断裂数比较严重时, 电动机启动时间必将明显延长, 并伴有明显的电磁噪音, 电动机振动值明显加剧, 甚至将轴承损坏, 基础台板松动, 严重时造成电动机扫膛, 断裂的鼠笼条因为受到转子旋转产生离心力的作用下发生变形弯曲, 随转子旋转中刮坏定子绕组表面绝缘, 造成定子绕组相间短路或接地事故。并且鼠笼条的断裂部位多数都在转子短路环的端部附近。

根据鼠笼条容易出现上述故障的特点, 我们分析主要原因如下:

高压电动机在由静止状态突然带电旋转到达额定转速的时间内, 转子转轴及铁芯将受到非常大的转动力矩, 并且启动电流也由零迅速上升为持续最高值。在这段时间里, 端环的短路电流也迅速上升到最大值, 并且发热膨胀, 势必也会产生变形及径向位移, 启动时间持续愈长, 启动电流愈大, 那么弯曲变形程度就愈严重。就会造成钎焊点熔开, 鼠笼条和端环之间的焊点开焊现象。

鼠笼条在启动的过程中不仅会受到电磁的径向力及离心力的影响, 还受到很难预测及计算的热应力的影响, 使鼠笼条承受交变应力。经过反复弯曲及变形后疲劳损伤达到一定程度, 其结果必然造成铁芯端部短路环开焊及鼠笼条断裂的事故。

鼠笼条本身制造的机械强度不够也会造成鼠笼条弯曲变形及断裂。

3 检查及消除电动机不正常振动的方法

发现电动机振动值比平时大时, 首先应采用测振仪沿水平、轴向和垂直3个方向分别测量各部位的振动情况。用听针检查电机定子膛内部是否有异音及轴承运转声音是否正常;检查地脚螺栓是否松动, 如无不正常现象, 则采用脱开所带负载, 单独运转电动机, 以此判定是由电机本身原因产生的振动还是由所带负载的原因而造成的振动。在日常生产中经常会出现电动机经过检修后因各种原因造成三相定子绕组磁势出现不对称现象, 电动机在不带负载或低负载时, 振动值并不是特别的明显, 但是随着所带负载的增加, 电动机振动值也会随之增加。在日常生产中我们经常采取突然断电法来判断是由于电磁原因还是机械部分故障产生的振动。断电法就是对在额定转速下运行的电动机突然切断电源, 此时由于惯性的作用电动机还会以较高的转数转动。若振动值忽然减小, 则可以判断为是由电磁原因引起的, 若振动值变化不是很大, 则可能是由机械方面的原因引起的。

针对机械方面造成的振动, 若是由于轴承磨损, 则应立即更换同型号轴承;若是由于转轴变形弯曲, 则必须进行校轴, 必要时进行补焊并重新车削或更换转轴;若因地角松动或基础台板不牢, 则重新加固即可。基础强度不够, 台板高低不平看似是小问题, 但往往这是导致振动的最直接原因。例如伊敏厂1台立式电动机 (12润滑油泵电动机) 自投产以来振动就一直较大, 多次进行中心找正, 但未能消除振动, 吊开电动机后, 发现基础框架直接坐落在润滑油箱上。基础不但较高, 而且框架台板较单薄, 并且与四周其他转动设备产生共振。电动机一运行必将不可避免地产生振动值超标。经分析并查找原因后, 决定在就近的1根钢梁上加焊1根槽钢, 延伸至该立式电机中上部, 并在水平两侧各加装1个顶丝紧固后才得以消除, 之后运行状态一直良好。

另外, 转子动平衡被破坏也是造成振动的根本原因。电动机在未出厂前, 转子已经经过动平衡试验并检验合格, 但是电动机在运行过程中平衡块松动产生位移, 或是在检修电动机时, 往往不注重提前做好标记刻度这一步骤, 随意拆除已经进行动平衡校验转轴整体中的任一部件, 重新装配后, 必将引起动平衡不均匀, 造成电动机振动, 消除方法只有重新校验动平衡。铸铝风扇叶折断造成动平衡不好同样也会引起振动, 这类问题电机解体后很容易就能发现, 经过更换新风扇即可解决。

对于一些电机因为大轴弯曲变形而引起振动的, 则要对电机进行直轴才能解决, 直轴过程需先加热后再进行。在热态状态下直轴一般采用2种方法:一种是先施加压力然后再进行加热的方法直轴;第二种是先加热然后再施加压力的方法进行直轴。对于弯曲比较严重的大轴, 最好是采取先加热再加压的办法, 然后再通过动、静平衡测试或放到车床上并使用百分表来检测直轴情况, 直到检测合格为止。

4 电动机运行中的注意事项

通过分析鼠笼型异步电动机振动的原因, 对电动机的运行提出以下建议:

(1) 对于启动比较频繁或大负荷启动易造成鼠笼条损坏的电动机, 应该选用启动性能较好并有适当裕度的电动机, 并且其转子本身的导电回路部分尽量采取中频感应焊或者是电阻焊等比较先进的钎焊方法制造。

(2) 在设备大修或小修的时侯将转子抽出, 对鼠笼条的紧固情况认真检查, 如果发现端部焊点有开焊或断裂现象, 必须立即进行补焊消除, 并且确保焊接工艺及焊接质量。

(3) 尽量优化启动方式, 缩短电动机启动时间, 减少热态下启动次数, 这对缓解鼠笼条发生故障是十分有效的。

(4) 加强运行人员及检修人员的责任心, 提高运行维护与检修质量, 使电动机经常保持良好的运行状况。

5 结语

综上所述, 电动机产生振动过大故障主要是由电磁方面及机械方面的原因或是由于2方面共同原因引起的。电动机运行一段时间后或多或少都会产生振动现象, 在生产实际运行中发生的电动机振动过大问题, 应根据振动原因、处理的方法及实际情况加以判断、分析和处理。

参考文献

[1]胡志强主编.电机制造工艺学[M].机械工业出版社, 2011

[2]沈标正编著.电机故障诊断技术[M].机械工业出版社, 1996

[3]胡敏强.电机学[M].中国电力出版社, 2009

三相异步电动机节能技术分析 篇7

交流异步电动机具有价格低、结构简单、坚固耐用等一系列特点, 且其在恶劣环境下依然能够坚持工作, 因此目前交流异步电动机成为电动机市场上最受欢迎的一种电动机。但是这种电动机在工作时能耗大, 工作效率不高, 这是因为当其处在满负荷工作状态下, 电动机的工作效率能达到80%, 但是一旦符合下降, 其工作效率也会随之下降。在选择电动机时一般都应考虑电动机的最大符合和最坏工况所需符合功率来选定, 但即使是这样很多电动机在工作时的负荷率仍然仅在其负荷率的50%到60%。因此提高电动机的工作效率不仅能够减少电动机的耗能量同时也是为社会创造经济效益。

2 电动机的节能原理

电动机的工作效率是电动机工作时的输出功率与其输入功率的比值的百分数, 由此可见, 电动机的输入功率并不全是用来驱动电动机, 还有一部分输入功率转变成了电动机的固有损耗。电动机的固有损耗主要有两种:铁耗和铜耗。铜耗是电流流过电机绕组产生的, 它与电流的平方成正比;铁耗则是因定子和转子铁芯中的磁化电流产生的, 它与供电电压成正比, 相较于这两者损耗的耗能量, 其他损耗都较小, 本文在此忽略不计。若在电动机工作负荷时进行调节电压可以适当降低电动机的能耗, 这是因为当负荷下降, 电压也随之降低, 供电电压的降低可以减少铁耗, 而电流随着供电电压降低后也随之降低, 则与电流成正比的铜耗则也可随之降低。对电动机的负荷量进行检测通常采用功率因数法, 若电动机负荷大, 则其功率因数大, 反之, 负荷小, 功率因数小。

3 节能的技术难题及难点

3.1 功率因数角的检测。

理论上电流波形是完整的, 若想测得功率因数角, 只要检测电压和电流过零点获得的相位差即可。但是有的控制器由于采用可控硅交流调压, 因此当导通角较小时电流会出现断续的波形, 此时就会导致电流过零检测出现实效。为了避免这种情况发生, 技术处理时通常采用将电流与微电平比较获得正半周期连续波形从而取得近似相位差来得到功率因数角。

3.2 电压和电流有效值的检测。

若按有效值进行电路检测一般会用到模拟乘法器, 这种乘法器不仅本身电路复杂同时价格也价高。为了降低电流和电压的检测成本, 在技术处理时通常会先测绝对平均值, 再转化为有效值, 能这样做也是因为有效值和绝对平均值本身就存在一定对应关系且此处对检测精度的要求也较低。

3.3 强干扰下的系统加固。

若机器工作的环境较恶劣, 强电磁干扰会影响到微机系统的正常工作, 为了减少强干扰, 可以对机器的工作系统进行加固。具体加固措施如下: (1) 采用优质的开关电源和传感器来降低线路串入的干扰; (2) 通过在微机外周电路中采用串行接口芯片来简化电路板的布线; (3) 采用WDT电路来提高软件抗干扰能力。

3.4 可控硅的移相触发电路。

三相平衡是三相调压电路中一项很重要的指标。以前的三项交流调压一般都利用3个单相移向触发芯片, 这种设计必须通过细心调试才能达到三项平衡。而最新型三相移相触发芯片AT787不仅简化了电路设计, 略过了繁杂的调试过程, 同时还采用了可控硅移向触发电路, 让触发变得更精确。

4 硬件设计剖析

控制器的硬件部分设计主要包括三个方面: (1) 可控硅及移相触发电路部分, 该部分主要用于接收控制板的控制信号以及调节交流电压; (2) 信号检测板部分, 该部分是用来接收传感器的信号并进行相应处理, 通过信号处理来得到标准的电流、电压值, 从而获得功率因数; (3) 单片机控制板部分, 该部分主要用来接收信号检测板的信号, 它能够通过控制运算发出的控制信号到移相触发电路来调节获得最佳功率因数。另外该部分硬件还可以利用控制板上的键盘显示面板对控制器上的参数进行调整, 并同时显示出控制器的运行状态。例如从三相变压器来的三相过零信号经过C1、C2、C3点电容耦合后送到6V直流信号的18、2、1脚内。利用TC787对信号进行过零检测后在通过C4、C4、C6形成过零点为起点的三角波。将形成的信号波与VR引入的触发信号进行比较, 将比较后的信号通过C7调制成触发脉冲, 在分别从12、9、10、7、8、11脚输出来驱动可硅胶。这一电路原型是基本的绝对值电路, 其在设计中又增加了滤波电容C1, 从而让交流信号的绝对值变成平均值, 在此基础上通过合理调整来将获得的平均值变成有效值。通过将电压信号和电流信号与微电平信号相比较来获得电压和电流信号的正半周, 再经过RC滤波器滤波后形成含有功率因数角的信号。再由单片机去除信号中的电压半周期即可获得功率因数角。

5 软件设计

C51语言编程是单片机软件的主要编程, 与汇编语言相比较, C51语言编程编程效率高、代码维护容易。且编程时程序主要是由键盘与显示控制部分、串行接口芯片驱动部分、信号采集以及实时控制部分组成。其中串行接口芯片驱动部分是根据芯片厂商时序图, 利用单片机I/O口模拟串行口, 从而实现该部分的读写操作。而信号采集和实时控制部分则是以实时时钟为基准, 通过采集电压电流信号来实现对系统的监控。利用PI控制运算法来将采集的功率因数信号来和最优值进行数值比较, 通过适时发出控制指令来对电动机进行调压, 从而达到电动机的高运行状态。

6 系统调试

在对系统进行调试时, 同样也出现了问题, 但通过长久的经验积累和技术分析, 对这类调试问题也作出了措施分析, 下面即是对这些问题的分析和解答。

6.1 电动机可控硅交流调压的稳定性问题。

电动机是感性负载, 利用可控硅交流移相触发电路的稳定性不被保证。因此在按照三角接法时最好能够采用半控形式, 其中的数据管主要发挥吸收谐波的作用。若想采用全控形式则需采用内三角形式, 利用这种接法时其中各个绕组都是单独供电, 因此绕组之间不会有干扰。

6.2 三相调压移相触发版选择器件的问题。

选择器件时, 三个积分电容的电容值必须相同, 即使有差异, 误差也必须控制在1%以内。另外调制电容C7的值需要控制在一定范围内不能太大, 同样的耦合电压C1、C2、C3的值也不能太大, 若取值不当, 电路不能长期运行, 同时也有可能导致三相不平衡。

6.3 节电控制器最佳功率因数的设定问题。

节电控制器的最佳功率因数一般设定为0.85左右, 风机的最佳设定一般在0.9, 不同电动机的最佳功率因数也各有不同。若功率因数超过了这一设定一般都属不正常现象。这是因为电动机在理论上75%到80%的利用率之间有一个最高效率点, 若运行中的电动机因老化而没有这种特性则也就没有节能可言了。

结束语

本文主要论述的是电动机耗能节能问题, 文中笔者在介绍了节能原理的基础上针对节能技术的难点和解决措施, 以及节能技术中硬件、软件和系统调试这几个方面进行了详细的阐述。其实三相电动的节能范围还很广泛, 只有在这一领域不断研究和探索才能为社会节能作出贡献。

参考文献

[1]纪勇.三相异步电动机降压节能技术研究[J].科技创新导报, 2012 (5) .[1]纪勇.三相异步电动机降压节能技术研究[J].科技创新导报, 2012 (5) .

[2]李胜.三相异步电动机节能的技术分析[J].中小企业管理与科技, 2009 (24) .[2]李胜.三相异步电动机节能的技术分析[J].中小企业管理与科技, 2009 (24) .

三相异步电动机常见故障分析 篇8

1.1 定子 (静止部分)

1.1.1 定子铁心作用:

电机磁路的一部分, 并在其上放置定子绕组。定子铁心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成, 在铁心的内圆冲有均匀分布的槽, 用以嵌放定子绕组。

1.1.2 定子绕组作用:

是电动机的电路部分, 通入三相交流电, 产生旋转磁场。构造:由三个在空间互隔120°电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成, 这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。

1.1.3、机座作用:

固定定子铁心与前后端盖以支撑转子, 并起防护、散热等作用。构造:机座通常为铸铁件, 大型异步电动机机座一般用钢板焊成, 微型电动机的机座采用铸铝件。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积, 防护式电机的机座两端端盖开有通风孔, 使电动机内外的空气可直接对流, 以利于散热。

1.2 转子 (旋转部分)

1.2.1 三相异步电动机的转子铁心作用:

作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。构造:所用材料与定子一样, 由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成, 硅钢片外圆冲有均匀分布的孔, 用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。

1.2.2 三相异步电动机的转子绕组作用:

切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流, 并形成电磁转矩而使电动机旋转。构造:分为鼠笼式转子和绕线式转子。 (1) 鼠笼式转子:转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。 (2) 绕线式转子:绕线转子绕组与定子绕组相似, 也是一个对称的三相绕组, 三个出线头接到转轴的三个集流环上, 再通过电刷与外电路联接。

1.3 三相异步电动机的其它附件

(1) 端盖:支撑作用。 (2) 轴承:连接转动部分与不动部分。 (3) 轴承端盖:保护轴承。 (4) 风扇:冷却电动机。

2 下面根据黄骅港煤炭运输的环境特点, 结合自己实际工作中遇到的情况浅谈一下三星电机常见故障及其排除方法。

2.1 按启动后电动机不转, 无异响、也无异味、无冒烟

故障原因: (1) 电源未通; (2) 继电器故障; (3) 控制回路故障或接线错误;等等。

故障排除: (1) 检查电源回路、开关、熔丝 (查清熔断原因, 更换时注意型号) 、接线盒处是否有断点, 修复; (2) 继电气故障排除, 看整定值是否与电动机配合; (3) 排除控制回路故障、改正控制回路接线。

2.2 通电后电动机不转, 熔丝烧断

故障原因: (1) 缺一相电源; (2) 定子绕组相间短路; (3) 定子绕组接地; (4) 定子线圈接线错误 (4) 熔丝型号不对;等等。

故障排除: (1) 查看电源回路是否有一相断线; (2) 查出短路点, 予以修复; (3) 消除接地; (4) 查出接线误接, 予以更正; (5) 更换熔丝 (注意型号) 。

2.3 通电后电动机不转有嗡嗡声

故障原因: (1) 定、转子绕组有断路 (一相断线) 或电源一相失电; (2) 绕组引出线始末端接错或绕组内部接反; (3) 电源回路接点松动, 接触电阻大; (4) 电动机负载过大或转子卡住; (5) 电源电压过低; (6) 小型电动机装配太紧或轴承内油脂过硬; (7) 轴承卡住;等等。

故障排除: (1) 查明断点予以修复; (2) 检查绕组极性;判断绕组末端是否正确; (3) 紧固松动的接线螺丝, 用万用表判断各接头是否假接, 予以修复; (4) 减载或查出并消除机械故障, (5) 查看线路电压是否正常, 检查是否把规定的△误接为Y, 予以纠正, (6) 重新装配使之灵活;更换合格油脂; (7) 修复轴承。

2.4 电动机起动困难, 额定负载时电动机转速大大低于额定转速

故障原因: (1) 电源电压过低; (2) △电机误接为Y; (3) 笼型转子开焊或断裂; (4) 定转子局部线圈错接、接反; (5) 修复电机绕组时增加匝数过多; (6) 电机过载;等等。

故障排除: (1) 测量电源电压, 设法改善; (2) 纠正△接法; (3) 检查开焊和断点并修复; (4) 查出误接处, 予以改正; (5) 恢复正确匝数; (6) 减轻负载。

2.5 电动机空载电流不平衡, 三相相差大

障原因: (1) 定子三相绕组匝数不相等; (2) 绕组首尾端接错; (3) 电源电压不平衡; (4) 绕组存在匝间短路、线圈反接等故障;等等。

故障排除: (1) 重新绕制定子绕组; (2) 检查并纠正; (3) 测量电源电压, 设法消除不平衡; (4) 峭除绕组故障。

2.6 电动机空载, 过负载时, 电流表指针不稳, 摆动

障原因: (1) 笼型转子导条开焊或断条; (2) 绕线型转子故障 (一相断路) 或电刷、集电环短路装置接触不良;等等。

故障排除: (1) 查出断条予以修复或更换转子; (2) 检查绕转子回路并加以修复。

2.7 电动机运行时响声不正常, 有异响

故障原因: (1) 转子与定子绝缘纸或槽楔相擦; (2) 轴承磨损或油内有砂粒等异物; (3) 定转子铁芯松动; (4) 轴承缺油; (5) 风道填塞或风扇擦风罩, (6) 定转子铁芯相擦; (7) 电源电压过高或不平衡; (8) 定子绕组错接或短路;等等。

故障排除: (1) 修剪绝缘纸, 削低槽楔; (2) 更换轴承或清洗轴承; (3) 检修定、转子铁芯; (4) 加油; (5) 清理风道;重新安装置; (6) 检查并调整电源电压; (7) 消除定子绕组故障。

2.8 运行中电动机振动较大

故障原因: (1) 由于磨损轴承间隙过大; (2) 气隙不均匀; (3) 转子不平衡; (4) 转轴弯曲; (5) 铁芯变形或松动; (6) 联轴器 (皮带轮) 中心未校正; (7) 风扇不平衡; (8) 机壳或基础强度不够; (9) 电动机地脚螺丝松动; (10) 笼型转子开焊断路;绕线转子断路;加定子绕组故障;等等。

故障排除: (1) 检修轴承, 必要时更换; (2) 调整气隙, 使之均匀; (3) 校正转子动平衡; (4) 校直转轴; (5) 校正重叠铁芯, (6) 重新校正, 使之符合规定; (7) 检修风扇, 校正平衡, 纠正其几何形状; (8) 进行加固; (9) 紧固地脚螺丝。

2.9 轴承过热

故障原因: (1) 滑脂过多或过少; (2) 油质不好含有杂质; (3) 轴承与轴颈或端盖配合不当 (过松或过紧) ; (4) 轴承内孔偏心, 与轴相擦; (5) 电动机端盖或轴承盖未装平; (6) 电动机与负载间联轴器未校正, 或皮带过紧; (7) 轴承间隙过大或过小; (8) 电动机轴弯曲;等等。

故障排除: (1) 按规定加润滑脂 (容积的1/3-2/3) ; (2) 更换清洁的润滑滑脂; (3) 过松可用粘结剂修复; (4) 修理轴承盖, 消除擦点; (5) 重新装配; (6) 重新校正, 调整皮带张力; (7) 更换新轴承; (8) 校正电机轴或更换转子。

2.1 0 电动机过热甚至冒烟

故障原因: (1) 电源电压过高, 使铁芯发热大大增加; (2) 电源电压过低, 电动机又带额定负载运行, 电流过大使绕组发热; (3) 修理拆除绕组时, 采用热拆法不当, 烧伤铁芯; (4) 定转子铁芯相擦; (5) 电动机过载或频繁起动; (6) 笼型转子断条; (7) 电动机缺相, 两相运行; (8) 重绕后定于绕组浸漆不充分; (9) 环境温度高电动机表面污垢多, 或通风道堵塞;等等。