振動電機變轉矩啟動結構的探究.pdf

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16 20 14 8 設計與研發(fā) 振動電機變轉矩啟動結構的探究 王立臣 梁金鋼 王忠文 段海鵬 梁 浩 中煤科工集團唐山研究院有限公司 063012 摘要 分析了目前振動電機存在的問題 通過對振動電機偏心塊結構的改變 實現(xiàn)振動電機小轉矩啟動大轉矩運行 提出了初 步的解決方案和設計簡易模型 為振動電機變轉矩啟動的進一步研究提供了基礎 關鍵詞 振動電機 變轉矩啟動 節(jié)能高效 Torque starting structure of variable vibration motor Wang Lichen Liang Jingang Wang Zhongwen Duan Haipeng Liang Hao TangShan Research Institute of China Coal Technology Engineering Group 063021 Abstract It analyses the current problems in vibration motor Through changing the eccentric structure vibration motor can be started by low torque and runned by high torque It is presented a preliminary design solutions and simple model for further research of vibration motor variable torque start Keywords vibration motor variable torque start energy efficient 0 引言 2011年底國家能源局在其發(fā)布的 國家能源科技 十二五 規(guī)劃 2011 2015 中提到我國面臨資源消耗的瓶頸 能源利用效 率低 節(jié)能減排壓力大 振動電機是一種通過電機驅動偏心塊產(chǎn)生離心力的通用機 械 在工程實踐中有著廣泛的應用 然而在振動電機啟動過程中 由于偏心塊啟動靜矩很大 導致振動電機在啟動過程中需要很大 的功率 而振動電機在正常工況下由于慣性力作用 所需求的功 率又遠小于在啟動過程中配用的功率 正常工作時功率一般是配 用功率的1 3 1 2 振動電機未在額定狀態(tài)下工作 效率大幅 降低 這就造成了能源的浪費 本論文通過對變轉矩啟動結構的 探究 用以提高振動電機工作效率 1 振動電機啟動概述 振動電機的激振力來源于偏心塊 偏心塊靜矩越大 振動電 機激振力越大 由于偏心塊靜矩的存在 其配用的電機功率也越 大 振動電機偏心塊示意見圖1 激振力的計算公式 式中 F 激振力 N m 偏心質量 kg r 偏心距 m 角速度 rad s 激振力的計算公式中偏心質量一旦確定不易改變 而偏心距 r和角速度 易于改變 變頻啟動是通過增加變頻器來改變角 速度 實現(xiàn)小轉速啟動 大轉速運行 可以實現(xiàn)低能耗工作 但 因其需要配備變頻器使制造成本提高很大 另外 低轉速啟動過 程中電機處在堵轉狀態(tài) 電機易于損壞 所以變頻啟動沒有得到 廣泛的應用 變轉矩啟動是通過改變偏心距r 實現(xiàn)小轉矩啟動 大轉矩運行 僅通過對偏心塊結構的調整來實現(xiàn)節(jié)能啟動 降低 成本 也不存在堵轉問題 2 振動電機變轉矩啟動機理及優(yōu)勢 實現(xiàn)變轉矩啟動的關鍵在于偏心塊的結構 通過對偏心塊的 結構的探究 使得振動電機在啟動初期具有較小靜矩 所需啟動 圖1 振動電機偏心塊示意圖17 20 14 8 設計與研發(fā) 功率較小 當振動電機轉速達到一定數(shù)值時 偏心塊運動到較大 轉矩位置 較大激振力位置 此時由于振動電機慣性力的存在此 時并不需要較大功率 這樣一來既可以保證振動電機小轉矩 小 電流啟動 又不會影響振動電機激振力的大小 通過對偏心塊運 行位置的控制反而可以提高激振力的大小 3 振動電機變轉矩啟動結構的模型 通過對偏心塊運動機理的分析 對于變轉矩啟動機構有了初 步的設想 其簡化模型見圖2 圖2 偏心塊啟動初期位置示意圖和三維模型 其中 1 偏心塊上擋板 2 偏心塊 3 電機軸套 偏心塊啟動初期如上圖所示 偏心距r很小 啟動靜矩較小 此時可以實現(xiàn)小轉矩小電流啟動 而當振動電機運行到一定轉速后通過機構的控制使偏心塊 運動到上擋板位置 偏心塊穩(wěn)定運行時其簡化模型見圖3 圖3 偏心塊穩(wěn)定運行狀態(tài)位置示意圖和三維模型 偏心塊穩(wěn)定運行時 偏心塊運動到上擋板位置 偏心距r此 時具有較大值 穩(wěn)定運行時的激振力也將增大 4 振動電機變轉矩啟動結構的試驗設計 振動分析的一般步驟包括四步 a 建立數(shù)學模型 b 推導 控制方程 c 求控制方程的解 d 結果分析 振動試驗系統(tǒng)簡見圖4 圖中 1 激振器 2 工作機體 3 彈性元件 對應實際振動試驗系統(tǒng) 序號1為振動電機 序號2為T型 槽振動平臺 序號3為減震彈簧 通過理論振動分析與實際試驗結果的對應來驗證振動電機 變轉矩啟動結構的優(yōu)越性 具體試驗步驟如下 外購一臺振動電機 以鐘祥市新宇機電制造有限公司的振動 電機為例 其參數(shù)見表1 首先 在把所購振動電機安裝到振動平臺上 測試其啟動電 流 輸入功率和振幅 然后 用變轉矩啟動偏心塊替換所購振動電機上的原有偏心 塊 同樣測試其啟動電流 輸入功率和振幅 最后 對比分析試驗數(shù)據(jù) 計算振動電機變轉矩啟動結構節(jié) 約的具體能耗 5 結語 目前實驗室已初步研制試驗成功 實現(xiàn)了通過對振動電機偏 心塊偏心距r的控制 來降低振動電機的啟動靜矩和啟動電流 初步解決了目前振動電機低效率問題 通過優(yōu)化結構 提高穩(wěn)定 性和疲勞壽命 有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的前景 對振動電機行業(yè)將會帶來 圖4 振動試驗系統(tǒng)簡圖 表1 試驗所用振動電機參數(shù)表 下轉51頁 51 20 14 8 微處理器與可編程控制器 通過上述的分析和實際的需求 該課題包括模擬量輸入點 與輸出點 開關量輸入點與輸出點的個數(shù) 另外 反饋信號則由八 路模擬量輸入 變頻器的控制端輸入則由四路模擬器輸入 另外 DI DO 點應該是冗余狀態(tài) 因此 以 CPU222 模塊為 CPU 模塊 兩 塊EM223模塊為輸入數(shù)字量模塊 兩塊EM231模塊為模擬量輸入 模塊 兩塊EM232為模擬量輸出模塊 PLC 變頻節(jié)能系統(tǒng)的PLC輸入輸出點配置及接線如圖2和 圖3所示 2 2 程序設計 在橋式起重機的各個機構中 起升機構是其最關鍵的部分 在此僅闡述起升機構的程序設計 橋式起重機起升機構速度的控制 是一項很重要的技術指 標 本系統(tǒng)通過旋轉編碼器測得電機速度 由數(shù)模轉換卡轉換成 數(shù)字量 傳遞給變頻器 所以本系統(tǒng)起升機構控制方案為常規(guī)的 數(shù)字PID算法并結合PLC中的PID控制模塊來控制 其程序代碼 如圖4所示 圖4起升機構控制程序 3 能效測試 在負載條件相同情況下 將多種實驗樣品做能效對比的實 驗 從而得出產(chǎn)品的節(jié)能等級 在評價能效時有充分的數(shù)據(jù) 對比 實驗差異工作類別的樣品 可以對各種型號的產(chǎn)品最終得到的最 優(yōu)化能效工作級別做評判 挖掘節(jié)能潛力 鑒于當前的試驗條件 選用四臺未采用PLC變頻調速控制的 同類型的通用橋式起重機 傳統(tǒng)門式起重機 32t的電動單梁起 重機以及32t的鋼絲繩電動葫蘆作為對比試驗的對象 經(jīng)過一段 時期的測試 其能效測試結果如表1所示 表1能效測試結果 根據(jù)效能測試表分析 橋式起重機在變頻調速運行模式下其 效能比大大的提升 主要是由于定子電源頻率因變頻調速而發(fā)生 改變 進而同步轉速發(fā)生改變以及輸出轉矩也相應變動 也就是 說電動機的容量被改變 負載情況變動帶動電動機容量變動 功 率因數(shù)與效率得到提高 節(jié)能目的實現(xiàn) 4 總結 通過對改造完成的起重機進行節(jié)能測試 已經(jīng)驗證了該 PLC 變頻的節(jié)能改造是成功的 達到了節(jié)能的目的 同時也提高 了日常工作效率 減少了故障率 簡化了故障的排除難度 參考文獻 1 陳賢明 橋式起重機新型變頻調速系統(tǒng) M 大連 起重運 輸機械 1998 8 10 2 鞏建平 張學 現(xiàn)代可編程序控制器原理與應用 M 北京 科學出版社 1999 31 32 3 蔡士齊 通用變頻器應用技術指南 M 2005 5 6 8 4 楊俊 起重機械的能效測試與節(jié)能措施 M 大連 起重運 輸機械 2012 2 5 劉小慶 基于PLC控制的變頻調速在橋式起重機中的應用 D 2005 5 19 21 一次變革 同時也為節(jié)能減排貢獻一份力 參考文獻 1 何玲 高轉速振動電機起動過程研究 J 電氣自動 化 2010 03 13 15 2 宗榮珍 振動電機偏心塊動態(tài)特性研究 J 煤礦機 械 2010 07 47 49 3 王春彥 岳大鑫 振動篩振動電機的選取與激振力的調整 J 農業(yè)裝備與車輛工程 2007 02 50 51 55 4 王春彥 岳大鑫 劉鶴 振動篩振動電機的選取與激振力 的調整 J 礦山機械 2007 07 74 76 5 張合軍 淺議振動電機的結構與位置安裝 J 中小型電 機 1999 05 53 54 上接17頁