振动电机变转矩启动结构的探究.pdf

16 20 14 8 设计与研发 振动电机变转矩启动结构的探究 王立臣 梁金钢 王忠文 段海鹏 梁 浩 中煤科工集团唐山研究院有限公司 063012 摘要 分析了目前振动电机存在的问题 通过对振动电机偏心块结构的改变 实现振动电机小转矩启动大转矩运行 提出了初 步的解决方案和设计简易模型 为振动电机变转矩启动的进一步研究提供了基础 关键词 振动电机 变转矩启动 节能高效 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年底国家能源局在其发布的 国家能源科技 十二五 规划 2011 2015 中提到我国面临资源消耗的瓶颈 能源利用效 率低 节能减排压力大 振动电机是一种通过电机驱动偏心块产生离心力的通用机 械 在工程实践中有着广泛的应用 然而在振动电机启动过程中 由于偏心块启动静矩很大 导致振动电机在启动过程中需要很大 的功率 而振动电机在正常工况下由于惯性力作用 所需求的功 率又远小于在启动过程中配用的功率 正常工作时功率一般是配 用功率的1 3 1 2 振动电机未在额定状态下工作 效率大幅 降低 这就造成了能源的浪费 本论文通过对变转矩启动结构的 探究 用以提高振动电机工作效率 1 振动电机启动概述 振动电机的激振力来源于偏心块 偏心块静矩越大 振动电 机激振力越大 由于偏心块静矩的存在 其配用的电机功率也越 大 振动电机偏心块示意见图1 激振力的计算公式 式中 F 激振力 N m 偏心质量 kg r 偏心距 m 角速度 rad s 激振力的计算公式中偏心质量一旦确定不易改变 而偏心距 r和角速度 易于改变 变频启动是通过增加变频器来改变角 速度 实现小转速启动 大转速运行 可以实现低能耗工作 但 因其需要配备变频器使制造成本提高很大 另外 低转速启动过 程中电机处在堵转状态 电机易于损坏 所以变频启动没有得到 广泛的应用 变转矩启动是通过改变偏心距r 实现小转矩启动 大转矩运行 仅通过对偏心块结构的调整来实现节能启动 降低 成本 也不存在堵转问题 2 振动电机变转矩启动机理及优势 实现变转矩启动的关键在于偏心块的结构 通过对偏心块的 结构的探究 使得振动电机在启动初期具有较小静矩 所需启动 图1 振动电机偏心块示意图17 20 14 8 设计与研发 功率较小 当振动电机转速达到一定数值时 偏心块运动到较大 转矩位置 较大激振力位置 此时由于振动电机惯性力的存在此 时并不需要较大功率 这样一来既可以保证振动电机小转矩 小 电流启动 又不会影响振动电机激振力的大小 通过对偏心块运 行位置的控制反而可以提高激振力的大小 3 振动电机变转矩启动结构的模型 通过对偏心块运动机理的分析 对于变转矩启动机构有了初 步的设想 其简化模型见图2 图2 偏心块启动初期位置示意图和三维模型 其中 1 偏心块上挡板 2 偏心块 3 电机轴套 偏心块启动初期如上图所示 偏心距r很小 启动静矩较小 此时可以实现小转矩小电流启动 而当振动电机运行到一定转速后通过机构的控制使偏心块 运动到上挡板位置 偏心块稳定运行时其简化模型见图3 图3 偏心块稳定运行状态位置示意图和三维模型 偏心块稳定运行时 偏心块运动到上挡板位置 偏心距r此 时具有较大值 稳定运行时的激振力也将增大 4 振动电机变转矩启动结构的试验设计 振动分析的一般步骤包括四步 a 建立数学模型 b 推导 控制方程 c 求控制方程的解 d 结果分析 振动试验系统简见图4 图中 1 激振器 2 工作机体 3 弹性元件 对应实际振动试验系统 序号1为振动电机 序号2为T型 槽振动平台 序号3为减震弹簧 通过理论振动分析与实际试验结果的对应来验证振动电机 变转矩启动结构的优越性 具体试验步骤如下 外购一台振动电机 以钟祥市新宇机电制造有限公司的振动 电机为例 其参数见表1 首先 在把所购振动电机安装到振动平台上 测试其启动电 流 输入功率和振幅 然后 用变转矩启动偏心块替换所购振动电机上的原有偏心 块 同样测试其启动电流 输入功率和振幅 最后 对比分析试验数据 计算振动电机变转矩启动结构节 约的具体能耗 5 结语 目前实验室已初步研制试验成功 实现了通过对振动电机偏 心块偏心距r的控制 来降低振动电机的启动静矩和启动电流 初步解决了目前振动电机低效率问题 通过优化结构 提高稳定 性和疲劳寿命 有实现产业化的前景 对振动电机行业将会带来 图4 振动试验系统简图 表1 试验所用振动电机参数表 下转51页 51 20 14 8 微处理器与可编程控制器 通过上述的分析和实际的需求 该课题包括模拟量输入点 与输出点 开关量输入点与输出点的个数 另外 反馈信号则由八 路模拟量输入 变频器的控制端输入则由四路模拟器输入 另外 DI DO 点应该是冗余状态 因此 以 CPU222 模块为 CPU 模块 两 块EM223模块为输入数字量模块 两块EM231模块为模拟量输入 模块 两块EM232为模拟量输出模块 PLC 变频节能系统的PLC输入输出点配置及接线如图2和 图3所示 2 2 程序设计 在桥式起重机的各个机构中 起升机构是其最关键的部分 在此仅阐述起升机构的程序设计 桥式起重机起升机构速度的控制 是一项很重要的技术指 标 本系统通过旋转编码器测得电机速度 由数模转换卡转换成 数字量 传递给变频器 所以本系统起升机构控制方案为常规的 数字PID算法并结合PLC中的PID控制模块来控制 其程序代码 如图4所示 图4起升机构控制程序 3 能效测试 在负载条件相同情况下 将多种实验样品做能效对比的实 验 从而得出产品的节能等级 在评价能效时有充分的数据 对比 实验差异工作类别的样品 可以对各种型号的产品最终得到的最 优化能效工作级别做评判 挖掘节能潜力 鉴于当前的试验条件 选用四台未采用PLC变频调速控制的 同类型的通用桥式起重机 传统门式起重机 32t的电动单梁起 重机以及32t的钢丝绳电动葫芦作为对比试验的对象 经过一段 时期的测试 其能效测试结果如表1所示 表1能效测试结果 根据效能测试表分析 桥式起重机在变频调速运行模式下其 效能比大大的提升 主要是由于定子电源频率因变频调速而发生 改变 进而同步转速发生改变以及输出转矩也相应变动 也就是 说电动机的容量被改变 负载情况变动带动电动机容量变动 功 率因数与效率得到提高 节能目的实现 4 总结 通过对改造完成的起重机进行节能测试 已经验证了该 PLC 变频的节能改造是成功的 达到了节能的目的 同时也提高 了日常工作效率 减少了故障率 简化了故障的排除难度 参考文献 1 陈贤明 桥式起重机新型变频调速系统 M 大连 起重运 输机械 1998 8 10 2 巩建平 张学 现代可编程序控制器原理与应用 M 北京 科学出版社 1999 31 32 3 蔡士齐 通用变频器应用技术指南 M 2005 5 6 8 4 杨俊 起重机械的能效测试与节能措施 M 大连 起重运 输机械 2012 2 5 刘小庆 基于PLC控制的变频调速在桥式起重机中的应用 D 2005 5 19 21 一次变革 同时也为节能减排贡献一份力 参考文献 1 何玲 高转速振动电机起动过程研究 J 电气自动 化 2010 03 13 15 2 宗荣珍 振动电机偏心块动态特性研究 J 煤矿机 械 2010 07 47 49 3 王春彦 岳大鑫 振动筛振动电机的选取与激振力的调整 J 农业装备与车辆工程 2007 02 50 51 55 4 王春彦 岳大鑫 刘鹤 振动筛振动电机的选取与激振力 的调整 J 矿山机械 2007 07 74 76 5 张合军 浅议振动电机的结构与位置安装 J 中小型电 机 1999 05 53 54 上接17页