電力拖動(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的選擇.ppt

第十一章,電力拖動(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的選擇,本章闡明如何為生產(chǎn)機(jī)械正確地選擇電動(dòng)機(jī)，以及電動(dòng)機(jī)的絕緣等級與工作制分類，再分析連續(xù)、短時(shí)及斷續(xù)周期3種工作制電動(dòng)機(jī)的選擇問題，最后討論電動(dòng)機(jī)電流種類、型式、額定電壓與額定轉(zhuǎn)速的選擇方法。 一、正確選擇電動(dòng)機(jī)的意義 合理地選擇電動(dòng)機(jī)類型、運(yùn)行方式、額定轉(zhuǎn)速、額定功率，使電動(dòng)機(jī)在高效率、低損耗的狀態(tài)下可靠地運(yùn)行，以達(dá)到節(jié)能和提高綜合經(jīng)濟(jì)效益的目的。,第一節(jié) 電動(dòng)機(jī)選擇的一般概念,二、決定電動(dòng)機(jī)的額定功率的主要因素 正確地選擇電動(dòng)機(jī)的額定功率十分重要。如果額定功率選小了，電動(dòng)機(jī)經(jīng)常在過載狀態(tài)下運(yùn)行，會使它因過熱而過早地?fù)p壞；還有可能承受不了沖擊負(fù)載或造成起動(dòng)困難。額定功率選得過大也不合理，此時(shí)不僅增加了設(shè)備投資，而且由于電動(dòng)機(jī)經(jīng)常在欠載下運(yùn)行，其效率及功率因數(shù)等力能指標(biāo)變差，浪費(fèi)了電能，增加了供電設(shè)備的容量，使綜合經(jīng)濟(jì)效益下降。 確定電動(dòng)機(jī)額定功率時(shí)主要考慮以下因素：一個(gè)是電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱及溫升；另一個(gè)是電動(dòng)機(jī)的短時(shí)過載能力。對于籠型異步電動(dòng)機(jī)還應(yīng)考慮起動(dòng)能力。,三、確定電動(dòng)機(jī)額定功率的方法,確定電動(dòng)機(jī)額定功率的最基本的方法是依據(jù)機(jī)械負(fù)載變化的規(guī)律，繪制電動(dòng)機(jī)的負(fù)載圖，然后根據(jù)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載圖計(jì)算電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和溫升曲線，從而確定電動(dòng)機(jī)的額定功率。所謂負(fù)載圖，是指功率或轉(zhuǎn)矩與時(shí)間的關(guān)系圖。,電動(dòng)機(jī)的絕緣等級 電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中， 由于損耗產(chǎn)生熱量， 使電動(dòng)機(jī)的溫度升高，電動(dòng)機(jī)所能容許達(dá)到的最高溫度取決于電動(dòng)機(jī)所用絕緣材料的耐熱程度，稱為絕緣等級。不同的絕緣材料，其最高容許溫度是不同的。電機(jī)中常用的絕緣材料，按其耐熱能力，分為A、E、B、F和H等五級。它們的最高容許工作溫度如下表所示。,在研究電動(dòng)機(jī)發(fā)熱時(shí)，常把電動(dòng)機(jī)溫度與周圍環(huán)境溫度之差稱為“溫升”。顯然，使用不同的絕緣材料的電動(dòng)機(jī)，其最高允許溫升是不同的。電動(dòng)機(jī)銘牌上所標(biāo)的溫升是指所用絕緣材料的最高允許溫度與40之差，或稱為額定溫升，例如，國產(chǎn)Z272型直流電動(dòng)機(jī)用的是E級絕緣，其最高允許溫度是120，所以其銘牌上標(biāo)的溫升是80。,第二節(jié) 電動(dòng)機(jī)發(fā)熱和冷卻的規(guī)律,一、電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱過程,熱平衡方程式為,整理得,令 ， ，得基本形式的微分方程,其解為下列形式,式中， 為發(fā)熱過程的起始溫升。,電動(dòng)機(jī)的最高穩(wěn)定溫升可達(dá),式中， 電動(dòng)機(jī)在額定功率下運(yùn)行時(shí)的損耗功率及熱流量。,對同樣尺寸的電動(dòng)機(jī)，欲使其額定功率提高，可由下列三方面入手:,1）提高額定效率,2）提高散熱系數(shù)A,3）提高絕緣材料的允許溫升,二、電動(dòng)機(jī)的冷卻過程,電動(dòng)機(jī)的冷卻可能有兩種情況。其一是負(fù)載減小，電動(dòng)機(jī)損耗功率P 下降時(shí)；其二是電動(dòng)機(jī)自電網(wǎng)斷開，不再工作，電動(dòng)機(jī)的P 變?yōu)榱恪?第三節(jié) 電動(dòng)機(jī)的工作制分類 電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，負(fù)載持續(xù)時(shí)間的長短對電機(jī)的發(fā)熱情況影響較大，對正確選擇電動(dòng)機(jī)的功率也有影響。電動(dòng)機(jī)的工作制就是對電動(dòng)機(jī)承受負(fù)載情況的說明。國家標(biāo)準(zhǔn)把電動(dòng)機(jī)的工作制分為S1S9共9類。下面介紹常用的S1、S2、S3三種工作制。,一連續(xù)工作制（S1） 連續(xù)工作制是指電動(dòng)機(jī)在恒定負(fù)載下持續(xù)運(yùn)行，其工作時(shí)間足以使電機(jī)的溫升達(dá)到穩(wěn)定溫升。紡織機(jī)、造紙機(jī)等很多連續(xù)工作的生產(chǎn)機(jī)械都選用連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)。其典型負(fù)載圖和溫升曲線如圖所示 。 對于連續(xù)工作制的電動(dòng)機(jī)，我們?nèi)∈蛊浞€(wěn)定溫升ss 恰好等于容許最高溫升時(shí)的輸出功率作為額定功率。,二短時(shí)工作制（S2） 短時(shí)工作制是指電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)恒定負(fù)載在給定的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行。該運(yùn)行時(shí)間不足以使電動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定溫升，隨之即斷電停轉(zhuǎn)足夠時(shí)間，使電動(dòng)機(jī)冷卻到與冷卻介質(zhì)的溫差在2K以內(nèi)。其典型負(fù)載圖及溫升曲線如圖所示。短時(shí)工作制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)限為10min、30min、60min、90min。,為了充分利用電動(dòng)機(jī)，用于短時(shí)工作制的電動(dòng)機(jī)在規(guī)定的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)應(yīng)達(dá)到容許溫升，并按照這個(gè)原則規(guī)定電動(dòng)機(jī)的額定功率，即按照電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)恒定負(fù)載運(yùn)行，取在規(guī)定的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)實(shí)際達(dá)到的最高溫升恰好等于容許最高溫升時(shí)的輸出功率，作為電動(dòng)機(jī)的額定功率。,三斷續(xù)周期工作制（S3） 電動(dòng)機(jī)按一系列相同的工作周期運(yùn)行，周期時(shí)間一般不大于10min，每一周期包括一段恒定負(fù)載運(yùn)行時(shí)間tR，一段斷電停機(jī)時(shí)間tS，但tS 及tR 都較短， tR時(shí)間內(nèi)電動(dòng)機(jī)不能達(dá)到穩(wěn)定溫升，而在tS 時(shí)間內(nèi)溫升也未下跌到零，下一工作周期即已開始。 這樣， 每經(jīng)過一個(gè)周期tR+ tS，溫升便有所上升，經(jīng)過若干周期后，電動(dòng)機(jī)的溫升即在一個(gè)穩(wěn)定的小范圍內(nèi)波動(dòng)。 其典型負(fù)載圖和溫升曲線如圖所示。,第四節(jié) 連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇 1. 恒定負(fù)載連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇 在選擇連續(xù)恒定負(fù)載的電動(dòng)機(jī)時(shí)，只要計(jì)算出負(fù)載所需功率PL ， 選擇一臺額定功率PN 略大于PL 的連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)即可，不必進(jìn)行發(fā)熱校核。 對起動(dòng)比較困難（靜阻轉(zhuǎn)矩大或帶有較大的飛輪力矩） 而采用籠型異步電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)的場合，應(yīng)校驗(yàn)其起動(dòng)能力。 2. 周期性變化負(fù)載連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇 當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)周期性變化負(fù)載時(shí)，其溫升也必然作周期性的波動(dòng)。下圖為一個(gè)周期的周期性變化負(fù)載下連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)的負(fù)載圖及溫升曲線。,電動(dòng)機(jī)的額定功率按下面幾種等效法選擇： （1）等效電流法 其基本原理是用一個(gè)不變的等效電流Ieq來代替實(shí)際變動(dòng)的負(fù)載電流IL，在同一周期內(nèi)，等效電流Ieq與負(fù)載電流IL產(chǎn)生的熱量相等。假定電動(dòng)機(jī)的鐵耗和電阻不變，則損耗只和電流的平方成正比，由此可得,式中，tn 為對應(yīng)負(fù)載電流為In的工作時(shí)間。 求出等效電流后，則所選的電動(dòng)機(jī)，其額定電流應(yīng)不小于等效電流。,（2）等效轉(zhuǎn)矩法 如果電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流成正比，可將式（10-5）變?yōu)榈刃мD(zhuǎn)矩的公式,求出等效轉(zhuǎn)矩后，則所選的電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)不小于等效轉(zhuǎn)矩。 （3）等效功率法 如果拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速不變，可將等效轉(zhuǎn)矩的公式變成等效功率的公式，即,選擇的電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)不小于等效功率。,第五節(jié) 短時(shí)工作制電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇 短時(shí)工作制的負(fù)載，應(yīng)選用專用的短時(shí)工作制電動(dòng)機(jī)。在沒有專用電動(dòng)機(jī)的情況下，也可以選用連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)或斷續(xù)周期工作制電動(dòng)機(jī)。 1. 選用短時(shí)工作制電動(dòng)機(jī) 短時(shí)工作制電動(dòng)機(jī)的額定功率是與銘牌上給出的標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)間（10min、30min、60min、90min）相應(yīng)的， 如果短時(shí)工作制的負(fù)載功率恒定，并且工作時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)間一致，這時(shí)只需選擇具有相同標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)間的短時(shí)工作制電動(dòng)機(jī)，并使電動(dòng)機(jī)的額定功率稍大于負(fù)載功率即可。對于變化的負(fù)載，可用等效法算出工作時(shí)間內(nèi)的等效功率來選擇電動(dòng)機(jī)，同時(shí)還應(yīng)進(jìn)行過載能力與起動(dòng)能力的校驗(yàn)。,如果在一個(gè)周期內(nèi)， 負(fù)載的變化包括起動(dòng)、 運(yùn)行、 制動(dòng)和停歇等過程，如圖所示，其實(shí)際溫升還要高一些， 因此一般應(yīng)把平均損耗、等效電流或功率等參數(shù)選得大一些。 為此，可在式（9-11）、（9-12）和（9-14） 分母中對應(yīng)起動(dòng)和制動(dòng)的時(shí)間值上乘以一個(gè)系數(shù)， 在對應(yīng)停歇的時(shí)間值上乘以一個(gè)系數(shù)。,例如，對應(yīng)上圖的電機(jī)工作過程，其等效電流可作如下修正,式中， Ist、IR、Ibr分別為起動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)電流；tst、tR 、trb、tS分別為起動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng)及停轉(zhuǎn)時(shí)間。用等效法選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，必須校驗(yàn)過載能力。 2. 選用連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī) 短時(shí)工作的生產(chǎn)機(jī)械，也可選用連續(xù)工作制的電動(dòng)機(jī)。這時(shí)，從發(fā)熱的觀點(diǎn)上看，電動(dòng)機(jī)的輸出功率可以提高。為了充分利用電動(dòng)機(jī)，選擇電動(dòng)機(jī)額定功率的原則應(yīng)是在短時(shí)工作時(shí)間 tR內(nèi)達(dá)到的溫升恰好等于電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行并輸出額定功率時(shí)的穩(wěn)定溫升，即電動(dòng)機(jī)絕緣材料允許的最高溫升。,由此可得,式中，對于直流電機(jī)a =1.01.5 ，對于異步電機(jī)a = 0.50.7。在一個(gè)工作周期T 內(nèi)，當(dāng)工作時(shí)間 tR (0.30.4)T 時(shí)，可取,式中 過載能力。 最后，還應(yīng)校驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)能力。,3. 選用斷續(xù)周期工作制電動(dòng)機(jī) 在沒有合適的短時(shí)工作制電動(dòng)機(jī)時(shí)，可選用斷續(xù)周期工作制電動(dòng)機(jī)。負(fù)載持續(xù)率FS與短時(shí)負(fù)載的工作時(shí)間tR之間的對應(yīng)關(guān)系為： tR = 30min，相當(dāng)于FS = 15； tR = 60min，相當(dāng)于FS25； tR = 90min，相當(dāng)于FS = 40。,第六節(jié) 斷續(xù)周期工作制電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇 斷續(xù)周期工作制的電動(dòng)機(jī)，其額定功率是與銘牌上標(biāo)出的負(fù)載持續(xù)率相應(yīng)的。如果負(fù)載圖中的實(shí)際負(fù)載持續(xù)率FSR與標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載持續(xù)率FSN（15，25，40，60）相同，且負(fù)載恒定，則可直接按產(chǎn)品樣本選擇合適的電動(dòng)機(jī)。當(dāng)FSR與FSN不同 時(shí)，就需要把FSR下的實(shí)際功率PR換算成FSN下功率P：,選擇電動(dòng)機(jī)的額定功率，應(yīng)不小于P。 若FS70時(shí)，選連續(xù)工作制電機(jī)。,第七節(jié) 電動(dòng)機(jī)額定數(shù)據(jù)的選擇 電動(dòng)機(jī)的選擇，除確定電動(dòng)機(jī)的額定功率外，還需根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的技術(shù)要求、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和工作環(huán)境等條件，合理地選擇電動(dòng)機(jī)的類型、外部結(jié)構(gòu)形式、額定電壓和額定轉(zhuǎn)速。 1. 電動(dòng)機(jī)類型的選擇 選擇電動(dòng)機(jī)類型的原則是在滿足生產(chǎn)機(jī)械對過載能力、起動(dòng)能力、調(diào)速性能指標(biāo)及運(yùn)行狀態(tài)等各方面要求的前提下， 優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格便宜的電動(dòng)機(jī)。 1）對起動(dòng)、制動(dòng)及調(diào)速無特殊要求的一般生產(chǎn)機(jī)械， 如機(jī)床、水泵、風(fēng)機(jī)等，應(yīng)選用籠型異步電動(dòng)機(jī)。 2）對需要分級調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，如某些機(jī)床、電梯等，可選用多速異步電動(dòng)機(jī)。 3）對起動(dòng)、制動(dòng)比較頻繁，要求起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，但對調(diào)速性能要求不高，調(diào)速范圍不寬的生產(chǎn)機(jī)械， 可選用繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。,4）當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械的功率較大又不需要調(diào)速時(shí)，多采用同步電動(dòng)機(jī)。 5）對要求調(diào)速范圍寬、調(diào)速平滑、對拖動(dòng)系統(tǒng)過渡過程有特殊要求的生產(chǎn)機(jī)械，可選用他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 2. 電動(dòng)機(jī)額定電壓的選擇 電動(dòng)機(jī)的額定電壓主要根據(jù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行場合配電電網(wǎng)的電壓等級而定。我國 中、小型三相異步電動(dòng)機(jī)的額定電壓通常為220V、380V、660V、3000V和6000V。額定功率大于100kW的電動(dòng)機(jī)，選用3000V和6000V；小型電動(dòng)機(jī)，選用380V；煤礦用的生產(chǎn)機(jī)械常采用380660V的電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)的額定電壓 一般為110V、220V和440V。,3. 電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的選擇 額定功率相同的電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速高時(shí)，其體積小，價(jià)格低，由于生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速有一定的要求，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比就越大，導(dǎo)致傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，增加了設(shè)備成本和維修費(fèi)用。因此，應(yīng)綜合考慮電動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械兩方面的各 種因素后再確定較為合理的電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速。 對連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械，可從設(shè)備初投資，占地面積和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等方面考慮，確定幾個(gè)不同的額定轉(zhuǎn)速，進(jìn)行比 較，最后選定合適的傳動(dòng)比和電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。 經(jīng)常起動(dòng)，制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，但過渡過程時(shí)間對生產(chǎn)率影響不大的生產(chǎn)機(jī)械，主要根據(jù)過渡過程能量最小的條件來選擇電動(dòng) 機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。 電動(dòng)機(jī)經(jīng)常起動(dòng)，制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，且過渡過程持續(xù)時(shí)間對生產(chǎn)率影響較大，則主要根據(jù)過渡過程時(shí)間最短的條件來選擇電 動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。,小 結(jié) 電動(dòng)機(jī)的選擇包括電流種類、結(jié)構(gòu)型式、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速和額定功率的選擇等，其中以額定功率的選擇為主要內(nèi)容。