离心机的电气传动系统设计

1、第 IV 页辽宁科技大学本科生毕业设计说明书离心机的电气传动系统设计摘要进入21世纪，世界能源匮乏、资源贫化、“三废”问题更加突出，随着科学技术和循环经济的不断发展，在选矿、精细化工、煤化工等高新技术领域迅速发展的同时，对非均相分离技术的要求更高、更难。离心机是固-液、液-液非均相物系分离的基础单元过程，广泛应用在石化、冶金、生物、“三废”处理、电力、机械、建材、农副业等各个领域。现为了提供更加新颖和先进的分离机械，对离心机的工作原理、主要构件及其特点、生产能力计算等方面进行分析，根据离心机运转的参数，对传动系统的优化设计提出要求。本设计中离心控制系统为了分离物料，在运转时主要处于高速阶段，故

2、采用高速电动机，调速方法主要用变频调速，利用能量回馈制动单元运行快速停车。设计出离心机控制系统，并根据给定数据计算并选出合适的电机和变频器，以及运行回馈制动单元的合适型号。关键字：离心机；变频调速；传动系统；回馈制动Design of the electrical drive system for the centrifugeABSTRACT Entering the 21st century, the world's energy shortages, resource depletion, "three wastes" problem more prominen

3、t, with the continuous development of science and technology and the circular economy, high technology in the field of mineral processing, fine chemical, coal chemical industry rapid development at the same time, the non were separated technical requirements are higher, more difficult. Centrifuge is

4、 solid - liquid, liquid - liquid - phase separating system based unit process, widely used in petrochemical, metallurgy, biology, "three wastes" treatment, electric power, machinery, building materials, agricultural and sideline and other fields. Now in order to provide more novel and adva

5、nced mechanical separation, the working principle of the centrifuge, main components and features, production capacity calculation analysis, according to the centrifuge operation parameters, the optimization design of the transmission system request. The design of centrifugal control system for mate

6、rial separation, in operation in high-speed stage, so the use of high-speed motor, speed control method mainly used VVVF, uses energy feedback braking unit operation to stop quickly. Design the centrifuge control system, calculate and select the appropriate motor and frequency converter according to

7、 the given data, and the appropriate model of the operation feedback brake unit.Keywords: centrifuge；frequency control；drive system；regenerative braking目录摘要IABSTRACTII目录III1 绪论11.1概述11.2国内外离心技术的发展11.3课题的提出21.4课题的任务32 离心机对传动系统的要求42.1离心机的结构与特点42.2离心机的基本类型与特点62.4离心机对传动系统的要求73 电气传动系统的硬件配置93.1三相交流电动

8、机93.1.1交流电机调速指标93.1.2电机的选型原则103.2变频器113.2.1变频器的选型原则113.2.2变频器调速控制113.3回馈制动单元133.3.1回馈制动原理133.3.2回馈制动的要求及特点144 传动系统参数的计算与选型154.1离心机驱动参数和电机选型154.1.1根据给定参数计算选型参数164.1.2电机的参数与选定234.2变频器的选型计算244.2.1变频器容量的选择254.2.2变频器的计算参数264.2.3变频器的选定274.3回馈制动单元274.3.1制动电阻的计算274.3.2回馈主动单元的类型选择285 离心机传动系统设计295.1离心机传动系统设计流

9、程295.2变频器端子接线设计图305.2离心机电气原理设计图31结论32致谢33参考文献34第 33 页辽宁科技大学本科生毕业设计说明书1 绪论1.1概述离心机最初应用到工业上是在十九世纪中叶，自二十一世纪五十年代以来，随着工业生产的不断发展，对离心分离过程的机理及影响分离效果的因素进行了诸多研究，使离心机的品种日益增加，其应用范围也在不断扩大。我国过滤与分离机械行业经过多年的努力，已经有了一些长足的进步，在产品技术水平上，一些重点产品的整机性能已经接近发达国家20世纪90年代初水平。在产品设计方面，不少企业和设计单位都采用了计算机辅助设计系统。在新技术应用方面，不少产品采用了一些新技术，如

10、整机全速动平衡技术、零件表面镀镍磷技术、喷涂硬质合金提高材料耐磨、耐蚀和强度，采用微机控制以提高自动化程度等。我国离心分离行业方兴未艾，尚属正在发展中，总体水平不高。随着社会进步，人们对环保、能源以及装备对品质的影响有了新的认识。同时，通过国外技术交流和合作以及成套项目的引进、消化与吸收，促进了我国离心分离技术的迅速发展。离心机的发展表现在构造的不断改进和离心方法的改进。构造的改进首先体现在转速的提高，由最初仅有几十转发展到今天有几十万转的超高速离心机经历了六代，驱动系统的寿命从10亿转提高到200亿转；工作时间由几小时发展到数十小时或数天；离心转子的种类不断改进和增加；控制的自动化程度不断提

11、高；机体外型朝着美观、实用、小型化的方向发展；最大的进步是离心方法的不断丰富和发展；使离心机的应用范围不断的扩大。1.2国内外离心技术的发展受新技术推动及相关产业发展的影响，国外离心分离技术的进展主要体现在以下几个方面：1) 加强理论研究选择最佳设计方案近年来，研究人员为选择最佳方案，采用流场分离法、有限元模拟法、大梯度密度梯级法、反模态分析法等，对离心机的工作性能和关键零件进行研究，为设计优良性能的离心机提供了理论依据。2) 技术参数的提高和新机型的问世瑞典Alfa Laval公司具有分离因数为10000的卧螺离心机，可从某种程度上弥补管式分离机的不足。BTUX3560A机型的特点是先进的旋

12、转动态设计，主轴承改为弹性安装，可延长寿命，降低机器噪音与振动。还有德国Flottweg公司用于处理难分离物料的双锥体卧螺离心机等。3) 新材料的应用为了提高分离机械的性能、强度、刚度、耐磨性和抗腐蚀性，一批新型材料不断涌现。如工程塑料、硬质合金以及性能优良的耐磨耐蚀不锈钢材料。德国的Wischnouskii等研制的分离机转鼓新材料，具有强度高、塑性和耐腐蚀性好的特点。为弥补耐蚀和强度之间的矛盾，一些先进的制造商普遍采用了转鼓的自增强技术。4) 其它方面进展强化动态监测和自动化。随着自动控制和传感技术的发展，许多先进的自控手段被引入，并对离心机运行中的各项参数，如温度、流量、速度、振幅和噪音等

13、进行全方位的监测，并通过传感器将收集信息输入计算机，经系统处理后，可及时了解各种参数的变化以采取相应的措施。由此出现了无人操作的卧螺离心机。1933年推出的空气透平式离心机，以压缩空气推动蜗轮，再带动离心机旋转；1955年美国贝克曼公司推出了可达l00000rpm的风动离心机，70年代以后，出现了高速电机即变频电机的应用，在80年代又将变频电机和微型计算机相结合，使离心机转速和性能都有了较大的提高，进人如年代以后，离心机技术已臻成熟，较好地满足了科研生产和医学上的需要。如今各种组合机和专用机还在不断开发，Alfa Laval公司在碟式分离机上组合螺旋输料器形成复合碟式机；Krauss Maff

14、ei公司的柱锥复合活塞机、虹吸刮刀离心机；Sharpies公司的沉降过滤复合螺旋离心机等。1.3课题的提出为了提高离心机机械加工的能力和电气控制的水平，部分引进和消化吸收高新技术并有所创新，逐步提高离心机的国产化比例是比较现实的发展道路。七十年代以来除了过滤虹吸刮刀卸料离心机外，大多数的离心机和分离机在操作原理上没有获得突破性的进展，且在传动系统控制方面没有实质性改善。这使得工业应用中的离心机经常出现机械故障、消耗功率大、分离效果不理想、寿命不长等问题，且可操作性能也不高，在工业上的应用无法更好的提高效率和精确度。因此本课题拟在采用整体优化概念进行优化设计其电气传动控制系统。从机械硬件、传动系

15、统、软件控制等方面进行分析，综合当前国内外离心机电气控制系统方案，并从电气传动系统的角度探讨满足离心机优质化运行的设计及选型。改进方案大致为：对离心机的传动装置进行改进，对差速器进行改善，转鼓和螺旋输送器分别用两个电动机通过同步带进行传动，而电动机由变频器进行控制，可实现无级调速，PLC集成具体的控制功能，能够实现自动控制。1.4课题的任务本课题的主要任务大致为一下几点：1) 以卧式离心机的基本结构和控制系统为基础，从其传动控制系统分析，结合国内外的最新装备，探讨其结构型式的发展需要。2) 从交流传动控制理论角度，计算满足卧式离心机运行的电气传动系统的多项指标，包括调速范围、静差率、动态稳速精

16、度等，来探讨离心机的机电匹配问题，以及通过这些指标来选择变频器的规格和性能。3) 从整体性能方面出发，离心机采用何种离心方式，离心传动部分对应的每一个传动点，采用一台变频器进行拖动，变频器带动电机转动，电机牵引着负载运转，因此传动系统的性能与格机械参数的关系要彻底分析。4) 从离心机基本特性分析，通过定量的计算，探讨离心机正常运行对电气传动控制系统的指标要求，为电气传动系统选型、设计提供数据参考。2 离心机对传动系统的要求2.1离心机的结构与特点当有细小颗粒的悬浮液静置不动时，由于重力场的作用使得悬浮的颗粒逐渐下沉。颗粒越重，下沉越快，反之颗粒密度比液体小就会上浮。微粒在中立场下移动的速度与微

17、粒的大小、形态和密度有关，并且又与重力场的强度及液体的粘度有关。此外，物质在介质中沉降的时候还伴随有扩散现象。扩散是无条件的绝对的。扩散与物质的质量成反比，颗粒越小，扩散越严重。而沉降是相对的，有条件的，要受到外力才能作运动。沉降与物体质量成正比，颗粒越大沉降越快。对于较小的颗粒来说，质量小则扩散现象严重且沉降缓慢，所以需要用离心机产生强大的离心力，才能迫使这些微粒克服扩散产生沉降运动。离心就是利用离心机转子高速旋转产生强大的离心力，加快液体中颗粒的沉降速度，把样品中不同沉降系数和浮力密度的物质分离开来。离心机主要由机体部分、转动部分、减震系统、控制系统等组成。其系统结构示意图如图2.1所示：

18、图2.1 离心机结构图 下面对各部件进行具体的结构和作用的说明：1) 支架 支架沿着主驱动方向支撑离心机的转子和壳体，包括在每一个主轴承的正下方用来润滑的润滑油箱。2) 壳体 为了方便从壳体中移出转子，常压离心机客体为上下两半，压力离心机壳体在两端特殊设计和制造了可以拆卸的端盖。壳体为物料和清液在要求操作的排放导向,压力离心机在其端盖装有机械密封,在离心机静止的壳体和旋转的转鼓头之间构成密封，确保壳体内部的压力。3) 转鼓 转鼓部分由相同不锈钢材料的两部分组成较长的圆柱形部分和较短的圆锥部分，两者之间止扣定位，螺栓连接。4) 转鼓头 转鼓头固定连接在转鼓上。在齿轮箱端转鼓头上装有可调节离心机池

19、深的溢流堰，物料从固体端转鼓头从开放的空间排出，在转鼓头上有防止物料堆积的设置。同时，主轴承（外部）、螺旋轴承（内部）和机械密封固定在转鼓头上。5) 螺旋 螺旋主要由螺旋本体、螺旋叶片和布料器器组合装配。进料方和螺旋叶片方向相同，螺旋叶片推力面经过抛光处理。在操作中，螺旋以比转鼓稍慢的转速转动，这个速度差由固定在转鼓头上的齿轮箱产生。6) 主轴承 离心机两端主轴承支撑所有的旋转部件。进料端为圆锥滚子轴承，齿轮箱端为圆柱滚子轴承。轴承装在直接固定在离心机支架上的轴承室内。7) 齿轮箱齿轮箱的作用是以一个相对于转鼓固定的转速差驱动螺旋，齿轮箱的减速比和转鼓的转速决定这个转速差。8) 过载保护装置

20、离心机转子中，螺旋的转速比转鼓稍低。齿轮箱有一个相对较高的转速比，传递相当大的力矩。为了能够保护螺旋和其他部件，避免其因为过载而损坏，在齿轮箱的输入轴装有扭矩过载装置。该装置包括一个扭矩臂，当扭矩超过扭矩臂的设定压力，扭矩臂脱开，输入轴自由旋转，转鼓和螺旋一起旋转。在扭矩臂附近有一个开关，当扭矩臂脱开，该开关产生一个信号，通过控制系统执行切断马达电源和停止进料的动作。2.2离心机的基本类型与特点离心机的分类方式有很多，可按照操作方法、分离原理、操作目的、分离因数、结构型式、卸料方式等分类。按分离原理可分为过滤式和沉降式两大类，与其对应的机种为过滤式离心机和沉降式离心机。分类详见下图2.2。三足

21、式 上悬式过滤式卧式螺旋卸料沉降过滤组合式微液管式螺旋卸料管式沉降式室式 蝶式螺旋卸料沉降过滤组合式图2.2 离心机分类框图各类离心机的操作特点如下：过滤式离心机有间歇式和连续操作两大类，间歇操作的离心机由于在操作中引用了现代化计量与控制技术，在局部范围内可与连续式的相比。间歇式离心机最大的特点是具有操作可弹性，每个操作的的持续时间和转鼓速度都能调节，而连续式的所有操作都在一个恒定转速下进行，在过程控制上受到相当的限制。沉降离心机是用离心沉降法来分离悬浮液，应用在合成塑料及合成纤维生产；在污泥脱水中使用高分子絮凝剂，使螺旋沉降离心机的固相回收率大大提高，因而其已成为污水处理中较有效且必不可少的

22、分离设备。2.4离心机对传动系统的要求离心机传动系统是离心机控制系统的重要组成部分。离心机的核心是要用电气传动系统取代机械推进系统，用电力代替人工作为驱动能源。离心机电气传动系统对离心机的运作效率和出品质量有着密切关系，因此对其控制系统提出如下几点要求：1) 实际工作速度的调节为了让离心机电气传动控制系统具备离心各种材料的性能，其电气传动控制系统必须保证速度调节控制有足够大的范围且易于速度的各种调节。控制好变频器以适应电机不同的转速。1) 基速条件下转矩的控制基速以下大转矩以适应快速启动、加速运转、实时启停等要求。基速以上小转矩、恒功率、宽范围以适应最高离心转速等要求。2) 保证实际工作车速的

23、恒定离心机的实际工作速度通常由电气传动系统电源的电压、电源频率以及其负载等因素决定。所以想恒定离心效果，就必须让离心机电气传动控制系统应用精密的稳速装置。3) 保证稳定的加速度值离心机振动的加速度有效值随离心机的处理量、转鼓转速以及悬浮液的粘度、密度之间的变化关系及试验用离心机的固有频率。4) 转鼓转速 转鼓转速的调节通常通过变频电机或液压马达实现。转速越大，离心力越大，有助于提高泥饼含固率，但转速过大时会使污泥絮凝体破坏，反而降低脱水效果。同时较高转速对材料的要求高，机器的磨损增大，动力消耗、振动及噪声水平也相应地增加。5) 转速差 转速差直接影响排渣能力、泥饼干度和滤液质量。提高转速差，有

24、利于提高排渣能力，但沉渣脱水时间缩短，脱水后泥饼含水率大，同时螺旋对澄清区液池的扰动大，滤液质量相对差一些。降低速差，沉渣厚度加大，沉渣脱水时间增长，脱水后泥饼含水率就降低，同时螺旋对澄清区物料的扰动也越小，滤液质量也相对好些，但会增大螺旋推料的负荷，应防止排渣量减小而造成离心机内沉渣不能及时排出引起的堵料现象，否则易使滤液大量带泥，这时必须减小进料量，或提高速差。因此应根据物料性质、处理量大小、处理要求及离心机结构参数来确定转速差大小。6) 电机及电控装置 电机与电控装置结构坚固、体积重量适当、易于检测与维修。7) 改进速度控制的方法 部分厂商已将变频电机和微型计算机控制引人了离心机的制造中

25、，使转速和温度及真空度的控制达到了人机对话的实射监测工作状态，并具有超速、过流及超温报警功能。3 电气传动系统的硬件配置3.1三相交流电动机3.1.1交流电机调速指标1) 调速范围电动机在额定负载转矩下调速时，其最高转速与最低转速之比称之为调速范围，用D表示，即：2) 调速方向指调速后的转速与原来的额定转速，也就是基本转速相比较，是高还是低。若比原来的基本转速高，称为往上调，相反的比原来基本转速低，称为往下调。3) 调速的平滑性调速的平滑性与转速级数有关，一定范围内得到的级数越多，相邻的两转速之间的差值就越小，平滑性也就越好。无级调速的平滑性就比有级调速的好。因为有极调速是跳跃式的调节，比如它

26、只能从1500r/min一下子调节到1000r/min，然后再又调节到750r/min等，这中间的转速就没办法得到了，而无级调速则不同，它在一定的调速范围内可以得到任何转速。平滑的程度也称为平滑系数，可用两相邻的高一级转速与低一级转速之比来衡量，即：1，调速平滑性越好，无级调速中=1，调速平滑性最好。4) 转差率当电动机在某一新的转速下运行时，负载的变化能够引起转速变化的一个程度，具体定义为：当系统在某一转速下运行时，电机由理想空载变为额定负载时所对应的转速降-与理想空载转速之比，即：越小，稳定性越好。转差率与机械特性的硬度有关，而定义为若越大，当转矩T发生变化时，转速变化程度越小，机械特性就

27、越硬，转速变化率就越小，相应地稳定性也就越好。在调速时静差率与调速范围也是相互制约的，所以生产机械在调速时，为保证系统的稳定性，对静差率有一定的要求，否则难以满足生产机械的要求。5) 调速时的允许负载电动机在不同的转速下满载运行时，恒转矩调速允许输出的转矩相同，恒功率调速允许输出的功率相同。3.1.2电机的选型原则电动机的选择主要有电动机的类型、结构型式、容量、额定电压与额定转速。电动机选择的基本原则是：1) 根据生产机械调速的要求选择电动机的种类。2) 工作过程中电动机容量要得到充分利用。3) 根据工作环境选择电动机的结构型式。正确选择电动机容量是电动机选择中的关键问题。电动机容量计算有两种

28、方法，一种是分析计算法，另一种是统计类比法。分析计算法是按照机械功率估计电动机的工作情况，预选一台电动机，然后按照电动机实际负载情况做出负载图，根据负载图校验温升情况，确定预选电动机是否合适，不合适时再选择，直到合适为止。在比较简单、无特殊要求、生产数量又不多的电力拖动系统中，电动机容量的选择往往采用统计类比法，或者根据经验采用工程估算的方法来选用，通常选择较大的容量，预留一定的裕量。3.2变频器变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到

29、节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。3.2.1变频器的选型原则变频器选型是要确认以下几点：1) 采用变频的目的：恒流控制或恒压控制等。2) 变频器负载类型：注意负载的性能曲线，性能曲线决定了调速的方式方法。3) 在使用变频器驱动高速电机时，因为高速电机电抗小，高次谐波增加导致输出电流值的增大，故用于高速电机变频器的选型容量要大于普通电机。4) 对于一些特殊的场合，如高温高海拔，会引起变频器降容，容量要选大一点。3.2.2变频器调速控制根据以上对电气传动系统的要求，对于不同的控制对象或者不同的负载，对传动系统的选择方案也不同，当调速系统控制对象是改变电机

30、速度时，方案设计注意以下几点：1) 电机速度的条件 为了维持某一速度，电机所传动的负载必须接受电机供给的转矩，其值与该速度下的机械所做的功和损耗相适应，这就是该速度下的负载转矩。根据此类负载转矩和电机产生的转矩，惯性系统的运动公式如下： =0,速度n保持一致；>0,速度n上升；<0，速度n下降。要控制电机的速度，必须具有控制电机产生转矩的功能。2) 加减速时间 电机速度从达到所需要的时间，公式为如下：为了给定公式中的，采用变频器控制电机产生的转矩，由于具有快速电流限制功能，即使速度之灵急速改变，其本身也能将电流限制在容许值内，以产生最大转矩进行加减速。对于电压型通用变频器的V/f控

31、制，可产生的再生转矩值小，因此加速时必须限制频率指令的上升率防止过流，减速时则限制下降率以防止过压。3) 加速时间、减速时间的给定加速时间的给定是在加速时产生的电流限制在变频器过电流容量以下，即不应该使过电流失速，防止回路动作。减速时间的给定则是为了防止平滑回路的电压过大，即不应该使再生过电压失速，防止回路动作。4) 速度控制系统笼型电机在通常运转区具有大致垂直的转矩特性，如果电机的电压、频率一定，因负载变化引起的速度变化比较小。额定转矩下的转差率决定电机的转矩特性，转差率大约为1%5%。速度反馈控制方式是以速度为控制信号的闭环控制，在离心机类的机械要求精度高的场合，需要装设电控装置，以便用电

32、量检测出电机速度。变频器选型时，首先要根据机械对转速（最高、最低）和转矩（起动、连续及过载）的要求，确定机械要求的最大输入功率，一般按下述经验公式：式中：P机械要求的输入功率，kW； n机械转速，r/min； T机械的最大转矩，N·m。最大输入功率确定后,再选择电机的极数和额定功率。电机的极数决定了同步转速，要求电机的同步转速尽可能地覆盖整个调速范围，使连续负载容量高一些。若使用环境超出规定，则在确定变频器参数、型号时要考虑到环境造成的降容因素影响。3.3回馈制动单元回馈制动是变频器制动方式的一种，也是非常有效的节能方法，并且避免了制动时对环境及设备的破坏。在新型电力电子器件不断出现

33、，性价比不断提高的情况下有着广阔的应用前景。3.3.1回馈制动原理在变频调速系统中，电动机的减速和停止都是通过逐渐减小运行频率来实现的，在变频器频率减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速未变，或者说，它的转速变化是有一定时间滞后的，这时会出现实际转速大于给定转速，从而产生电动机反电动势高于变频器直流端电压的情况，这时电动机就变成发电机，非但不消耗电网电能，反而可以通过变频器专用型能量回馈单元向电网送电，这样既有良好的制动效果，又将动能转变化为电能，向电网送电而达到回收能量的效果。下图3.1是变频器回馈制动原理图。图3.1 变频器回馈制动原理图3.3.2回馈

34、制动的要求及特点要完成回馈制动，需要完成三方面的工作：1) 检测电压何时开始回馈2) 保持回馈制动时与电网同频同相3) 回馈制动时应限制回馈电流的大小（1） 电压的检测在电压检测中，主要检测公共直流母线电压和电网电压，检测电网电压时，一般需要考虑电网的波动，根据变频器的中间环节所能承受的直流电压，再利用回馈制动时，电网允许向上波动+20%，由此在直流电压检测时，在电压值为1.2倍的电网线电压有效值时可以启动逆变块工作，进入回馈制动状态。（2）电网频率和相位检测在回馈制动中，是否有效地回馈能量，关键是保证与电网同频、同相，并且回馈时要保证电网输出正电压时，输出负电流。其次，在回馈时要尽量选取电网

35、线电压的高电压段，这样当回馈电流一定时可以获得较大的能量回馈功率。4 传动系统参数的计算与选型离心机适应性及通用性差，由于调速范围的限制，在工业应用选型时，必须先进行现场模拟分离试验，确定最佳差转速值和转鼓调速范围，才能达到满意的分离效果。从能耗方面来说，重负荷安全启动，需选用大功率电机，增加成本和使用耗能；转鼓和螺旋输料器以不同的速度旋转排渣，为了保证转速差，离心机工作时差速器消耗部分能量。4.1离心机驱动参数和电机选型例为带有指定负载周期的且具有6极的250千瓦的感应驱动机。以下是该离心机的驱动参数表。表4.1 离心机驱动参数表 基本参数 空鼓转动惯量 完鼓转动惯量 鼓水去除转动惯量 饱和

36、转速 离心转速 放电转速 饱和时间 离心时间 放电时间 饱和到离心的加速时间 离心到放电的制动时间 基本参数 摩擦力矩 电动机额定输出 电动机额定电流 电动机额定转矩 电动机额定转速 电动机效率 电机转动惯量 4.1.1根据给定参数计算选型参数1) 一个周期内的电机速度特性图4.1 周期内电机速度特性阶段1：放电到饱和转速的加速过程 阶段2：保持饱和速度 阶段3：饱和到离心速度的加速过程 阶段4：保持离心速度 阶段5：离心到放电转速的制动过程 阶段6：保持放电速度 2) 周期T： 时间值和都是指定值。从放电速度加速到饱和速度应该以加速到离心状态相同的速度增加。放电到饱和阶段的加速时间的公式如下

37、：周期时间公式：3) 电机转矩的计算图4.2 周期内电机转矩特性计算每个阶段的电机力矩，从起点（指数0）到终点（指数1）。曲线特性在两点之间是线性的。 阶段1：放电到饱和转速的加速过程 阶段2：保持饱和速度 阶段3：饱和到离心速度的加速过程 阶段4：保持离心速度 阶段5：离心到放电转速的制动过程 阶段6：保持放电速度 4) 弱磁范围内的电流参数电机超过额定转速进入弱磁范围，在这个范围内比在恒流范围内更要求在同样的转矩条件下更高的电流。为了可热检查电机，RMS电机转矩没有用处，而RMS电机电流有用。（1） 电动机电流在恒流阶段计算公式如下（2） 弱磁阶段计算公式如下因此，电动机电流的计算包括起点

38、（指数0），终点（指数1），序号3和序号5，以及弱磁阶段（指数FW）。如果简单的假定在序号3和序号5之间的电动机电流有线性特征，那么在弱磁阶段里得到如下速度图：图4.3 弱磁阶段速度特性阶段1：放电到饱和转速的加速过程 阶段2：保持饱和速度 阶段3：饱和到离心速度的加速过程（弱磁阶段）阶段4：保持离心速度(弱磁阶段) 阶段5：离心到放电转速的制动过程（弱磁阶段） 阶段6：保持放电速度 5) RMS电机一个周期内的电流特性如下图所示：图4.4 RMS电机周期电流特性RMS电动机电流就是根据当前的电流特性计算出来的。对于阶段3和5的不恒定电流,得到如下间隔公式：因此，得到下面计算：即：RMS电机允

39、许的额定电流为430A。6) 离心因数的分析在离心机中,为了衡量离心力的大小,通常用分离因数Fr表示，公式如下：分离因数是离心加速度与重力加速度之比。由此可知,对于一定物料,转鼓转速越大,分离因数就越大,分离效果亦好。对于固体颗粒小、分散度大、液相粘度大的难分离的悬浮液,可采用分离因数较高的离心机。被分离物料在离心场中所受的离心力和它所受重力的比值，称为分离因数F ，则：提高转速，转鼓应力的最大值将随之快速增长，所以，对于一定尺寸和材料的转鼓，转速的提高并不是任意无限制的，其极限值取决于转鼓的机械强度和结构参数。在分析中，转鼓的最高许用转速约为。当转速超过这个值时，过载倍数大于，转鼓会发生危险

40、。7) 电机功率的计算图4.5 电机制动区域图一个周期里的制动能（对应制动图的区域）：平均制动功率公式：因此，要想平均制动功率高,就不能使用制动电阻器，并且需要一个在线供应的正反馈驱动转换器。目前最大电机电流是620A（制动模式），而RMS的电机电流是345A。那么，下面是带有在线供应正反馈的驱动转换器：4.1.2电机的参数与选定异步电动机具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠以及质量较小，成本较低等优点。异步电动机主要广泛应用于驱动机床、水泵、鼓风机、加工机械等大多数工农生产机械。上述计算结果表明，电机运转的允许电流不超过450A，电机的额定转矩为2410Nm，最大输出转矩为2966N

41、m，参照离心机驱动数据，为了充分利用设备潜能，避免浪费，可允许电机短时超出同步转速，但必须小于电机允许的最大转速。转矩取设备在起动、连续运行、过载或最高转速等状态下的最大转矩。最后，根据变频器输出功率和额定电流以稍大于电机的功率和额定电流的原则来确定变频器的参数与型号。故综上所述，所选择的电机参数如下表。表4.2 三相交流电机参数表 电机参数表 平均制动功率 额定电压 额定频率 额定力矩 电机效率 最高转速 电机转动惯量 综上所述，选择三相交流异步电动机，额定电压380V，转矩为50Hz，最高转速可达到3500转每分，需要专用高速电机，选择型号为Y系列电机。Y系列电动机效率高、节能、堵转转矩高

42、、噪音低、振动小、运行安全可靠，额定电压为380V，额定频率为50Hz，选定型号电机。4.2变频器的选型计算变频器的选型主要是根据电机的各项参数，可参照电机的功率或者电机的额定电流来选择能带动电机运转的变频器参数。选择变频器的功率和电机的功率一样，在有些特殊情况下，也会选择变频器的功率大于电机的额定功率，以保证变频器带动电机能够正常运行。合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。4.2.1变频器容量的选择1) 根据电机电流选择在异步电机确定后，通常根据异步电机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电机实际运行中的电流值（最大值）来选择。对于连续运转的变频器，必须同时满足下表中三项要求（驱动单台电动

43、机）：表4.3 变频器运转的三项要求（驱动单台电机） 要求 计算方法满足负载输出 变频器容量满足电动机容量 变频器容量满足电动机电流 变频器额定电流 通常令变频器的额定输出电流（1.051.1）电动机的额定电流（铭牌值）或电动机实际运行中最大电流。即。驱动多台电机时，计算电机启动电流与额定电流之比。2) 根据电机输出频率选择变频器的最高输出频率根据机种不同有很大差别，有50/60Hz、120Hz、240Hz或者更高。50/60Hz的，以在额定转速以下范围进行调速运转为目的，大容量通用变频器几乎属于此类。50/60Hz以上的，由于电压输出不变，为恒功率特性，可采用告诉提高生产率，只要不要超过电机

44、和负载容许的最高转速。3) 根据变频器功率选择变频器的额定功率指的是适用于4极交流异步电机的功率，变频器与电动机的匹配只要是电动机的额定电压及额定电流。如果电机额定电流小于同功率的变频器额定电流，一般用等功率的就足够，如果负载较重且启动频繁，要考虑变频器容量大一级。4.2.2变频器的计算参数1) 起动电流当电机开始运转时，变频器输出电流 。变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动。电机在工频电源供电时起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些。工频直接起动会产生一个大的起动电流。而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机起动

45、电流和冲击要小些。 通常，电机产生的转矩要随频率的减小而减小。变频器容量选定过程，实际上是变频器与电机的匹配过程，对于离心机类的负载，变频器电流一般按照1.1倍的电动机额定电流来选择。即选定电流为的变频器。2) 频率频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。 因此以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。     由公式  可推出：式中：f输出频率 n同步转速 P电机极数改变频率和电压是最优的电机控制方法 ，如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会

46、使电机出于过电压，导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。 变频器驱动多台电机，需用V/f控制。电动机额定转速为,其同步转速为，故选择输出频率为150Hz的变频器。4.2.3变频器的选定 离心机类负载为大惯性负载。由于离心机惯性大，起动转矩较大，起动时间较长，变频器按恒转矩类变频器放大一档选择。根据以上这些要点，本课题最终选择了用两台变频器去驱动两台电动机，变频器采用西门子的MICROMASTER 440系列(容量为7.5KW，使用电压为三相380V)。它具有两路010V模拟信号输

47、出、输出频率0.05Hz600Hz、客户可自由设定的输出输入端子、防失速功能的动作时间可设定、恒张力控制无需力矩电机等特点。表4.4 西门子变频器参数表 变频器技术参数 技术规格 MICROMASTER 440 输入电压 三相 输入频率 输出频率范围 过载倍数 1.5倍60秒 控制方式 V/f，FCC,SVCMICROMASTER 440是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列本系列有多种型，额定功率范围从120W到200kW，或者可达250kW控制方式供用户选用。本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管IGBT作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功

48、能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。4.3回馈制动单元4.3.1制动电阻的计算1) 制动转矩 一般情况下，在进行电机制动时，电机内部存在一定的损耗，约为额定转矩的18%-22%左右，因此计算出的结果在小于此范围的话就无需接制动装置。公式：2)  制动电阻的阻值 U一般为710-750V(制动单元动作电压），各个厂家设计不太一样，可以按 照750V来考虑。 R1为制动电阻的阻值，一般制动单元都有规定其最小阻值。如果没有这个数据，请按照U/I来计算， I为最

49、大允许制动电流，按照80%变频器的额定电流来选。计算公式：3) 最大工作电流 在进行制动单元的选择时，制动单元的最大工作电流是选择的唯一依据，其计算公式：。4.3.2回馈主动单元的类型选择能量制动的过程如下：A、当电机在外力作用下减速、反转时（包括被拖动），电机即以发电状态运行，能量反馈回直流回路，使母线电压升高；B、当直流电压到达制动单元开的状态时，制动单元的功率管导通，电流流过制动电阻；C、制动电阻消耗电能为热能，电机的转速降低，母线电压也降低；D、母线电压降至制动单元要关断的值，制动单元的功率管截止，制动电阻无电流流过；E、采样母线电压值，制动单元重复ON/OFF过程，平衡母线电压，使系

50、统正常运行。电动机直接接到电网时，电机发出的电向电网回馈，但是这样对电网有较大的影响，电机由变频器拖动，由于变频器有中间储能环节，储能是有限的，电机发电状态时对变频器有较大的威胁。变频器在处理电机的再生发电时，有多种制动方法，如能耗制动、储能制动、回馈制动等。对能耗制动方法，电机发出的电会白白的浪费，同时能耗电阻会经常损坏；储能制动方法中储能也是有限的，同样对变频器有威胁，能量回馈是处理再生发电的好方法，又是制动的好方法。它保证了变频器的安全、节约了能量、同时增强了电机的制动功能。综上所述，选择制动电阻为的能量回馈制动单元IPC-PF-1S。5 离心机传动系统设计5.1离心机传动系统设计流程图5.1 传动控制流程图 5.2变频器端子接线设计图图5.2 端子接线图5.2离心机电气原理设