第14章 电力拖动系统电动机的选择.ppt

1,第十四章电力拖动系统电动机的选择,,第一节电动机的发热和冷却及电动机工作制的分类第二节连续工作制电动机的选择第三节短时工作制电动机的选择第四节断续周期工作制电动机的选择第五节笼型异步电动机允许小时合闸数的确定第六节带冲击负载时电动机的选择第七节电力拖动调速电动机功率的选择第八节选择电动机功率的统计法或类比法,2,正确选择电动机功率的原则，应当是在电动机能够胜任生产机械负载要求的前提下，最经济最合理地决定电动机的功率（1）功率选取过大，会造成浪费，设备投资增大，而且电动机经常欠载运行，效率及交流电动机的功率因数低，运行费用高极不经济；（2）功率选取过小，只能降低负载使用。,,电力拖动系统的选择，首要的是在各种工作制下电动机功率的选择，同时还要确定电动机的电流种类、型式、额定电压与额定转速。,决定电动机功率时，要考虑电动机的发热、允许过载能力与起动能力三方面的因素。一般情况下，以发热问题最为严重。,电动机功的发热，是由于在实现能量变换过程中在电动机内部产生损耗并变成热量使电动机温度升高。在电动机中，耐热最差的是绕组的绝缘材料，不同等级的绝缘材料，其最高允许温度是不同的。,3,4,目前的趋势是使用高允许温度等级的绝缘材料，如F、H绝缘材料。这样，可以在一定输出功率下使电动机的重量和体积大为降低。,,当电动机温度不超过所用绝缘材料的最高温度时，绝缘材料的寿命较长，可达20年以上；反之，如温度超过上述最高允许温度，则绝缘材料老化、变脆，缩短了电动机的寿命，严重情况下，绝缘材料将碳化、变质、失去绝缘性能，从而使电动机烧坏。,由此可见，绝缘材料的最高允许温度是一台电动机带负载能力的限度，而电动机的额定功率就是代表这一限度。电动机铭牌上所标的额定功率即指如环境温度为40C，电动机带额定负载长期连续工作，温度逐渐升高趋于稳定后，最高温度可达到绝缘材料允许的极限。,当环境温度低于40C（国标规定的环境温度）时，可带动高于额定值的负载；当环境温度高于40C时，负载应适当降低。这样可保证两种情况下，最高温度可达到绝缘材料允许的极限。,5,在研究电动机发热时，常把电动机温度与周围环境温度之差称为“温升”。显然，使用不同的绝缘材料的电动机，其最高允许温升是不同的。电动机铭牌上所标的温升是指所用绝缘材料的最高允许温度与40℃之差，或称为额定温升。例如，国产Z2－72型直流电动机用的是E级绝缘，其最高允许温度是120℃，所以其铭牌上标的温升是80℃。,,选择电动机功率时，除考虑发热外，有时还要考虑电动机的过载能力是否足够，因为各种电动机的短时过载能力都是有限的。校验电动机的过载可按下列条件,≤,式中,电动机的转矩允许过载倍数,电动机在工作中承受的最大转矩,6,（2）对于直流电动机，过载能力受换向所允许的最大电流值的限制。Z型直流电动机，在额定磁通下，可选为,对于专为起重机、轧钢机、冶金辅助机械等设计的ZZ型和ZZY型电动机，以及同步电动机，,对于笼型异步电动机，有时还须进行起动能力的校验。,,（1）对于异步电动机，其关系为,式中,异步电动机的最大转矩与额定转矩的比值,0.80.85考虑电网电压下降引起的下降的系数,≤,7,第一节电动机的发热和冷却及电动机工作制的分类,一、电动机的发热过程,电动机的发热是由于工作时，在其内部产生损耗造成的，其值为,式中,热流量（电动机单位时间内发出的热量）（J/s或W）,电动机的输入功率及轴上的输出功率（W）,电动机效率,空载损耗和铜耗,8,热平衡方程式为,考虑散热问题时，将电动机看作是一个在任意时候各部分温度均相同的均匀整体，其热容量可用一个系数表示，电动机向周围介质散发的热量与二者的温度差（即温升τ）成正比关系。,在热平衡方程中，电动机发出的热量为Фdt，有两个去向一部分Cdτ被电动机吸收，使电动机的温度升高dτ；另一部分是向周围介质散发的热量Aτdt。,C电动机的热容，即为使电动机温度升高1C所需的热量，单位为J/K;AaS电动机的散热系数，即电动机与周围介质温度相差1C时，单位时间内电动机向周围介质散发的热量，单位为W/K；S散热表面积，单位为m2；a传热系数，即当温升1C时，每秒钟从每平方米的面积上散发的热量，单位为W/m2K,9,整理得,令，，得基本形式的微分方程,其解为下列形式,式中，为发热过程的起始温升。,如果发热过程由周围介质温度开始，即τQ0,则,②随着温度的升高，散发出去的热量不断加大，而电动机发出热量则由于负载不变而维持不变，电动机吸收的热量不断减少，温升曲线趋于平缓；③最后发热量与散热量相等，电动机的温度不再升高，温升达到稳定值τW,电动机发热过程的温升曲线,由温升曲线可见①发热过程开始时，由于温升较小，大部分热量被电动机吸收，因而温升τ增长较快；,10,电动机的最高稳定温升可达,式中，ΔPN及ФN电动机在额定功率下运行时的损耗功率及热流量。,（1）关于Tθ的说明Tθ发热时间常数,,Tθ表示电动机温升变化快慢的程度，是一个表征惯性的时间常数，单位为s。与反映机械惯性和电磁惯性的时间常数相比，发热时间常数Tθ是很大的。,Tθ的大小与电动机的构造尺寸以及散热条件有关，电动机的体积越大，一般发热时间常数也越大。,（2）关于τW（稳定温升）的说明,11,对同样尺寸的电动机，欲使其额定功率提高，可由下列三方面入手,1）提高额定效率,2）提高散热系数A,3）提高绝缘材料的允许温升,,,12,二、电动机的冷却过程,电动机的冷却可能有两种情况。其一是负载减小，电动机损耗功率△P下降时；其二是电动机自电网断开，不再工作，电动机的△P变为零。,电动机冷却过程的曲线,τQ为冷却开始时的温升，而τW为由降低负载后的ΔP或Ф所决定的稳定温升，显然τW40C时，PPN。,必须指出，工作环境的海拔高度对电动机温升有影响，这是由于海拔高度越高，虽然气温降低越多，但由于空气稀薄，散热条件大为恶化。这两方面的因素互相补偿，因此规定，使用地点的海拨高度不超过1000m时，额定功率不必进行校正。当海拔高度在1000m以上时，平原地区设计的电动机，出厂试验时必须把允许温升降低，才能供高原地带应用。,20,[例14-1]一台与电动机直接联结的离心式水泵，流量为扬程20m，吸程5m，转速为，泵的效率，试选择电动机。,传动机构效率，直接联接为0.95～1，皮带传动为0.9,选择JO-51-2型异步电动机即可，其数据为,对选用的电动机不必进行发热校验。,21,二、变化负载下电动机功率的选择,在变化负载下所使用的电动机，一般是按常值负载工作而设计的。因此，这种电动机用于变化负载下的发热情况，必须进行校验。,所谓发热校验，就是看电动机在整个运行过程中所达到的最高温升是否接近并低于允许温升，以确保电动机的绝缘材料能充分利用而又不致过热。,直接法根据ΔPn，Tθ，A绘制温升曲线。如果稳态循环周期中的最大τmax≤τm，则发热校验通过。,22,变化负载下电动机功率选择的一般步骤如下,1）计算并绘制生产机械负载图或。,2）预选电动机的功率。,由于直接绘制温升曲线比较困难，所以一般校验发热用一些间接的方法（1）平均损耗法；（2）等效法等。,电动机预选后，按下式可算出电动机额定损耗功率ΔPN,根据产品目录，可差得或计算出ΔPN、IN、TN、PN，这些是发热校验的依据。,23,3）作出电动机的负载图，作图时已考虑了电动机的稳定运转及过渡过程等工作情况。,4）进行发热、过载能力及必要时的起动能力校验。,下面着重介绍校验发热的方法,（一）平均损耗法,如图14-7，在稳态循环中温升曲线上下波动不大，因此在发热校验时，可以用温升平缓变化的稳态循环中的平均温升τd代替最大温升τmax，即τmaxτd,稳态周期内两边积分,24,上式说明平均损耗ΔPd对应的稳定温升Фd/A正好等于变化负载稳态循环的平均温升τd。这样就可以利用平均损耗功率ΔPd来校验电动机的发热。,如果给出的负载图为Pft，则应改为ΔPft,ΔP和P之间的关系为,式中ΔPi第i段的损耗功率；Pi第i段电动机的输出功率；ηi输出功率为Pi时的效率，可由电动机的效率曲线查得,这样，变化负载下的平均损耗为,25,把上式中求出的ΔPd与式（14-28）中ΔPN相比,分以下几种情况（1）ΔPdΔPN，预选电动机功率太小，发热校验不通过。这时需改选功率较大的电动机，再进行发热校验；（3）ΔPdΔPN，预选电动机功率太大，电动机得不到充分利用。这时需改选功率较小的电动机，重新进行发热校验。,基于平均温升τd≤τmax的平均损耗法，可用于电动机大多数工作情况下的发热校验，其缺点是计算步骤较为复杂。,26,,,27,,,28,（二）等效法,把平均损耗中的可变损耗所对应的电流称为等效电流,29,2．等效转矩法,有时已知的不是负载电流图，而是转矩图，可以写成转矩形式,30,（三）有起动、制动及停歇过程时校验发热公式的修正,以右图所示的负载电流图为例,31,另一种较简便的方法是把变化曲线分成许多直线段，求出各段的等效值，然后求出等效电流值。,[例14-2]右图中绘出了具有尾绳和摩擦轮的矿井提升机的示意图。电动机直接与摩擦轮1相联结，摩擦轮旋转，靠摩擦力带动绳子及罐笼3（内有矿车及矿物G）提升或下放。尾绳系在两罐笼之下，以平衡提升机左右两边绳子的重量。提升机用双电动机拖动，试计算电动机功率。已知下列数据,,32,3、每个罐笼（内有一空矿车）重,4、主绳与尾绳每米重,5、摩擦轮直径,6、摩擦轮飞轮惯量,7、导轮直径,8、导轮飞轮惯量,9、额定提升速度,10、提升加速度,11、提升减速度,12、周期长,13、摩擦用增加负载重的20考虑,33,解预选电动机功率,式中考虑起动及制动过程中加速转矩的系数，取，则,每个电动机的功率为700kW,对于功率为700kW，转速为47.5r/min的电动机，飞轮矩,阻转矩,加速时间,34,加速阶段罐笼行经高度,减速时间,减速阶段罐笼行经高度,稳定速度罐笼行经高度,稳定速度运行时间,停歇时间,折算到电动机轴上系统总的飞轮矩,式中系统中转动部分的飞轮矩；系统中直线运动部分的飞轮矩,35,导轮转速,二导轮折算到电动机轴上的飞轮惯量,系统直线运动部分总重,式中,系统直线运动部分重量折算到电动机轴上的飞轮矩,,36,系统总飞轮矩,加速阶段的加速转矩,减速阶段的动态转矩,电动机转矩,加速阶段,,稳定运行阶段,,减速阶段,37,停歇阶段,,,过载能力校验,,,两电机的等效功率,电动机发热及过载能力的校验均可通过。,38,第三节短时工作制电动机的选择,一、选用为连续工作制而设计的电动机,设短时功率为，时间为。如果选择连续工作制电动机，由发热观点，电动机不能得到充分利用。,39,,按发热观点的功率过载倍数,,[例14-3]大型车床刀架快速移动机构，其拖动电机是短时工作制，刀架重5300N，移动速度15m/min，传动比100r/m，动摩擦系数0.1，静摩擦系数0.2，传动效率0.1，试选择电动机的功率。,,40,式中0.9考虑交流电网波动10；KT交流电动机的过载倍数。,必须校验起动能力由于静摩擦系数为动摩擦系数的两倍，故起动负载的功率为,电动机能发出的起动功率为,由于，故起动能力校验通不过。,≥,41,改选型，,二、选用专为短时工作制而设计的电动机,我国专为短时工作制设计的电动机，其工作时间为15min、30min、60min、90min四种。对于某一电动机，对应不同的工作时间，其功率是不同的，其关系为，显然其过载倍数也是不同的，其关系为。,42,当电动机实际工作时间tgx与标准值tg不同时，应把tgx下的功率Px换算到tg下的功率Pg，再按Pg来进行电动机功率的选择或发热校验。,第四节断续周期工作制电动机的选择,这类电动机的共同特点是起动能力强、过载能力大、惯性小（飞轮惯量小）、机械强度大、绝缘材料的等级高、较多采用封闭式结构、临界转差率（对于笼型异步电动机）设计得较高。,对一台具体的电动机而言，不同负载持续率ZC％时，其额定输出功率不同。以国产的一台起重机用绕线转子异步电动机为例，其型号及数据见下表。,43,如果负载持续率，可按短时工作制选择电动机；另外，如，可按连续工作制选择电动机。,44,[例14-4]电动机的负载图如右图，试校验JZR42-8型绕线转子异步电动机能否适用，该电动机在负载持续率时，额定功率为，额定转速，过载倍数。假定电动机为他扇冷式，而且在不同输出功率时，其功率因数不变。,45,则,由于，故JZR42-8型电机不能适用，必须改选功率较大的电动机。,第五节笼型异步电动机允许小时合闸次数的确定,笼型异步电动机在带动某些生产机械时，起动制动很频繁，每小时合闸次数达600次以上。此时由于起动与制动过程的能量损耗较大，往往会造成电动机的严重发热，因此笼型异步电动机每小时允许合闸次数根据发热条件是有限制的。选择在这种情况下工作的电动机，必须进行小时合闸次数的校验，每小时实际的合闸次数必须低于允许的合闸次数，检验才算通过，电动机连续工作才不致过热。,如果电动机稳速运转时，其负载为额定负载，,46,第六节带冲击负载时电动机的选择,具有冲击负载的生产机械的负载图，其特点是负载在工作时间中作剧增及剧减地变化，并作周期性地交替。属于这种类型的生产机械有冲床、压力机、轧钢机、锻锤等。,具有冲击负载的生产机械广泛采用带飞轮的电力拖动系统，以帮助电动机克服冲击负载。飞轮起到了平衡负载的作用，使电动机的损耗降低，从而降低电动机的功率。,47,介绍一下带附加飞轮拖动系统中电动机功率的选择问题。选择的步骤如下,2）预选附加飞轮的飞轮矩,3）绘制电动机的负载图,4）校验电动机的发热,5）校验过载能力,48,第七节电力拖动调速电动机功率的选择,一、直流调速电动机功率的选择,（一）降压调速,若把降压调速用于恒功率负载，则为了使电动机能安全运行，必须加大电动机的功率，其值将为负载功率的D倍，即,49,龙门刨实际需要的切削功率为,由于降压调速由额定转速向下调节，因此电动机的不能小于负载要求的最高转速，通常取,50,（二）弱磁调速,二、变频调速笼型异步电动机功率的选择,（一）（）调速段,在变频调速时，电动机的输出功率为,假定在不同频率下,如果忽略定子损耗，转矩为,51,当，而且为定值，则,容许转矩输出近似恒定，而容许输出功率为,在调速段，调速方式是近似恒转矩的。,52,（二）（）调速段,由于时，保持不变，此时磁通Φ将随之上升而下降。,此时，电动机的容许输出功率近似恒功率性质,53,第八节选择电动机功率的统计法或类比法,经过不断总结经验，目前已陆续得出一些生产机械选用电动机功率的实用方法。这些方法比较简便，但有一定的局限性。,以机床制造业为例，目前我国对不同类型机床的主拖动电动机的功率采用统计分析法估算。,54,55,第九节电动机电流种类、形式、额定电压与额定转速的选择,一、电动机电流种类的选择,二、电动机结构形式的选择,三、电动机额定电压的选择,四、电动机额定转速的选择,56,第十四章结束,