電機(jī)原理與拖動基礎(chǔ) 課件 第11章－電力系統(tǒng)中電動機(jī)的選擇

第11章電力拖動系統(tǒng)中電動機(jī)的選擇第11章電力拖動系統(tǒng)中電動機(jī)的選擇

11.1電動機(jī)容量選擇概述

11.2電動機(jī)的發(fā)熱和冷卻規(guī)律

11.3按發(fā)熱觀點(diǎn)規(guī)定的電動機(jī)的工作制

11.4連續(xù)工作制的電動機(jī)的額定功率選擇

11.5短時工作制電動機(jī)的額定功率選擇

11.6斷續(xù)周期工作制電動機(jī)額定功率的選擇

11.7電動機(jī)電流種類、結(jié)構(gòu)、額定電壓與額定轉(zhuǎn)速的選擇

概述

電力拖動系統(tǒng)主要由電動機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)、控制設(shè)備、電源等組成。不同類型的工作機(jī)械對電動機(jī)提出不同的要求。這樣也就存在選擇電動機(jī)的問題。電動機(jī)主要選擇的內(nèi)容：電動機(jī)的類型；電動機(jī)的形式；電動機(jī)的額定功率；額定電壓；額定轉(zhuǎn)速等等。如果電動機(jī)選擇大了，好比大馬拉小車?yán)速M(fèi)，如果電動機(jī)選擇小了電動機(jī)過載發(fā)熱，影響電動機(jī)壽命。選擇電動機(jī)容量的原則：完全滿足生產(chǎn)機(jī)械11.1電動機(jī)容量的選擇對電動機(jī)提出的功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及起動、調(diào)速、制動和過載等要求；電動機(jī)在工作過程中充分利用，而不超過國家對電機(jī)所規(guī)定的溫升。確定電機(jī)容量應(yīng)考慮：電機(jī)發(fā)熱、允許過載能力和起動能力，其中發(fā)熱為重點(diǎn)。電機(jī)的使用壽命與電機(jī)本身溫度的關(guān)系是：

決定電動機(jī)額定功率主要考慮：電動機(jī)的發(fā)熱及溫升；電動機(jī)的短時過載能力；籠型異步電動機(jī)還要考慮起動能力。過載能力的校驗(yàn)異步電動機(jī)短時過載能力受到最大轉(zhuǎn)矩Tmax限制，通常用最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)λm=Tmax/TN=2-2.2表示。直流電動機(jī)短時過載倍數(shù)受換向條件的限

式中，t是電動機(jī)的使用壽命即電動機(jī)的絕緣材料的使用壽命；A與α是絕緣材料系數(shù)。制，可以用電流過載系數(shù)λI=Imax/IN表示,也可以用轉(zhuǎn)矩過載系數(shù)Tmax/TN=1.5-2表示。校驗(yàn)電動機(jī)的過載能力時，應(yīng)使電動機(jī)承受的短時最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLmax滿足

TLmax

≤λmTN

考慮電網(wǎng)電壓波動的影響，應(yīng)留有一定的余量。校驗(yàn)如下

TLmax

≤0.9KV2λm

TNKV(0.85-0.9)為電壓波動系數(shù)。0.9為余量系數(shù)。

確定電動機(jī)額定功率的方法確定電動機(jī)額定功率，一般是這樣進(jìn)行的。首先要知道生產(chǎn)機(jī)械的工作情況，也就是負(fù)載圖。生產(chǎn)機(jī)械在生產(chǎn)過程中的功率或(靜阻)轉(zhuǎn)矩與時間的變化關(guān)系圖叫生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載圖。電動機(jī)在生產(chǎn)過程中的功率、轉(zhuǎn)矩或電流與時間的變化關(guān)系圖叫電動機(jī)的負(fù)載圖。然后根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載圖或者經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，預(yù)選一臺容量適當(dāng)?shù)碾妱訖C(jī)，再用該電動機(jī)的數(shù)據(jù)和生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載圖，求出電動機(jī)的負(fù)載圖。最后按電動機(jī)的負(fù)載圖從發(fā)熱、過載能力和起動能力進(jìn)行校驗(yàn)。如果不合適(電動機(jī)的功率過大或過小)就要再選一臺電動機(jī)，重新進(jìn)行計算，直到合適為止。根據(jù)負(fù)載圖計算電動機(jī)額定功率的方法比較精確。還有一些方法，如統(tǒng)計法、類比法、能量消耗指標(biāo)法等。本章僅講利用負(fù)載圖計算電動機(jī)額定功率的方法。電力拖動系統(tǒng)電動機(jī)的選擇，主要是確定電動機(jī)的功率和工作方式，同時還要確定電動機(jī)的電流種類、型式、額定電壓和額定轉(zhuǎn)速。選擇電動機(jī)的原則：1）滿足生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載要求；2）經(jīng)濟(jì)合理在決定電動機(jī)的功率時，要考慮電動機(jī)的發(fā)熱、過載能力和啟動能力三方面的因素，其中一般以發(fā)熱問題最為重要。

11.2電動機(jī)的發(fā)熱與冷卻11.2.1電動機(jī)的發(fā)熱過程電動機(jī)在運(yùn)行過程中會發(fā)熱：實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換過程中電動機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生損耗，并轉(zhuǎn)換成熱量而使電動機(jī)的溫度升高為研究方便，通常假定電動機(jī)為一均質(zhì)等溫固體設(shè)電動機(jī)在恒定負(fù)載下長期連續(xù)工作，單位時間內(nèi)由電動機(jī)損耗所產(chǎn)生的熱量為Q，則在dt時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量為Qdt另一部分Q2，則向周圍散發(fā)出去電動機(jī)的熱平衡方程式：其中Q1為電動機(jī)吸收，使電動機(jī)溫度升高電動機(jī)的溫升曲線方程：由溫升曲線可見，發(fā)熱過程開始時，由于溫升小，散發(fā)出去的熱量較少，大部分熱量被電動機(jī)所吸收，因而溫升增長較快，其后隨著溫升的增加，散發(fā)的熱量不斷增長，而電動機(jī)產(chǎn)生的熱量因負(fù)載不變，則電動機(jī)吸收的熱量不斷減少，溫升曲線趨于平緩。當(dāng)發(fā)熱量與散熱量相等時，電動機(jī)的溫升不再升高，達(dá)到一穩(wěn)定值對應(yīng)于一定的負(fù)載，電動機(jī)的損耗所產(chǎn)生的熱量是一定的，因此電動機(jī)的穩(wěn)定溫升也是一定的，與起始溫升無關(guān)。若電動機(jī)在額定負(fù)載時，對應(yīng)于損耗而產(chǎn)生的熱量為QN。此時的穩(wěn)定溫升為，則當(dāng)電動機(jī)在小于額定負(fù)載運(yùn)行時，其穩(wěn)定溫升就不會超過11.2.2電動機(jī)的冷卻過程電動機(jī)的冷卻過程有兩種情況：冷卻過程的溫升曲線也是一條指數(shù)曲線，如圖：1）當(dāng)負(fù)載減小時，電動機(jī)產(chǎn)生的熱量為，相應(yīng)的溫升由原來的溫升降低到新的穩(wěn)定溫升，仿照發(fā)熱過程對溫升曲線方程的推導(dǎo)，可得冷卻過程的溫升方程。2）電動機(jī)自電網(wǎng)斷開（停機(jī)或斷能）時，電動機(jī)產(chǎn)生的熱量為零，則電動機(jī)額定溫升Δt0=電動機(jī)最高允許溫度t-環(huán)境溫度t0，式中t0=+40℃，t是指電動機(jī)繞組的最高允許溫度。對于運(yùn)行的電動機(jī)，由于無法直接測出繞組的實(shí)際溫度，只能間接測出機(jī)殼外表溫度(即吊環(huán)孔內(nèi)的溫度)，比電動機(jī)繞組最熱點(diǎn)約低10℃左右。故機(jī)殼外表實(shí)測溫度加上10℃左右溫差，方為電動機(jī)最高允許溫度t。

11.3按發(fā)熱觀點(diǎn)規(guī)定的電動機(jī)的工作制電動機(jī)工作時，負(fù)載持續(xù)時間的長短對電機(jī)的發(fā)熱情況影響較大，對正確選擇電動機(jī)的功率也有影響。電動機(jī)的工作制就是對電動機(jī)承受負(fù)載情況的說明。國家標(biāo)準(zhǔn)把電動機(jī)的工作制分為國家標(biāo)準(zhǔn)將電動機(jī)工作制分成三大類共8種11.3.1連續(xù)工作制（S1）連續(xù)工作制是指電動機(jī)在恒定負(fù)載下持續(xù)運(yùn)行，其工作時間足以使電機(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)工作制電動機(jī)。其典型負(fù)載圖和溫升曲線如所示對于連續(xù)工作制的電動機(jī)，我們?nèi)∈蛊浞€(wěn)定溫升τw

恰好等于容許最高溫升時的輸出功率作為額定功率。短時工作制：指電動機(jī)拖動恒定負(fù)載在給定的時間內(nèi)運(yùn)行。該運(yùn)行時間不足以使電動機(jī)達(dá)到穩(wěn)定溫升，隨之即斷電停轉(zhuǎn)足夠時間，使電動機(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。短時工作制標(biāo)準(zhǔn)時限為15min、30min、60min、90min。為了充分利用電動機(jī)，用于短時工作制的電動機(jī)在規(guī)定的運(yùn)行時間內(nèi)應(yīng)達(dá)到容許溫升，并按照這個原則規(guī)定電動機(jī)的額定功率，即按照電動機(jī)拖動恒定負(fù)載運(yùn)行，取在規(guī)定的運(yùn)行時間內(nèi)實(shí)際達(dá)到的最高溫升恰好等于容許最高溫升時的輸出功率，作為電動機(jī)的額定功率。11.3.2短時工作制（S2）電動機(jī)的溫升在一個穩(wěn)定的小范圍內(nèi)波動。11.3.3斷續(xù)周期工作制電動機(jī)按一系列相同的工作周期運(yùn)行，根據(jù)一個周期運(yùn)行狀態(tài)不不同可分為六類，既斷續(xù)周期工作制（S3），包括啟動的斷續(xù)周期工作制（S4）、包括電制動的斷續(xù)周期工作制（S5）、連續(xù)周期工作制（S6）、包括電制動的連續(xù)周期工作制（S7）、包括負(fù)載與轉(zhuǎn)速相應(yīng)變化的連續(xù)周期工作制（S8）負(fù)載持續(xù)率FC：斷續(xù)周期工作制中，負(fù)載工作時間與整個周期之比國標(biāo)規(guī)定FC為15%、25%、40%和60%四種，每個周期的總時間不大于10min.典型負(fù)載圖和溫升曲線11.4連續(xù)工作制電動機(jī)容量的選擇

11.4.1恒定負(fù)載下電動機(jī)容量的選擇

只要計算出負(fù)載所需功率PL，選擇一臺額定功率PN略大于PL的連續(xù)工作制電動機(jī)即可，不必進(jìn)行發(fā)熱校核。11.4.2變化負(fù)載下電動機(jī)容量的選擇當(dāng)電動機(jī)拖動周期性變化負(fù)載時，其溫升也必然作周期性的波動。圖為負(fù)載變動的生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載圖。

動機(jī)容量應(yīng)在最大負(fù)載與最小負(fù)載之間，選擇合適，既可使電動機(jī)得到充分利用，又可使電動機(jī)溫升不超過容許值。電動機(jī)的容量通常按下面幾種方法進(jìn)行選擇（1）等效電流法其基本原理是用一個不變的等效電流Idx來代替實(shí)際變動的負(fù)載電流IL，在同一周期內(nèi)，等效電流Idx與負(fù)載電流IL產(chǎn)生的熱量相等。假定電動機(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的工作時間。求出等效電流后，則所選的電動機(jī)，其額定電流應(yīng)不小于等效電流。用等效電流法時，必須先求出用電流表示的負(fù)載圖。

（2）等效轉(zhuǎn)矩法如果電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流成正比，可得等效轉(zhuǎn)矩的公式

（3）等效功率法如果拖動系統(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，即選擇的電動機(jī)的額定功率應(yīng)不小于等效功率。求出等效轉(zhuǎn)矩后，所選的電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)不小于等效轉(zhuǎn)矩用等效轉(zhuǎn)矩法時，必須先求出用轉(zhuǎn)矩表示的負(fù)載圖。用等效功率法時，必須根據(jù)最大負(fù)載校驗(yàn)電動機(jī)的過載能力是否符合要求11.5短時工作制電動機(jī)容量的選擇11.5.1直接選用短時工作制電動機(jī)按照生產(chǎn)機(jī)械的功率，工作時間和轉(zhuǎn)速選取合適的電動機(jī)。如果短時負(fù)載是變動的，則也可用等效法選擇電動機(jī)，此時等效電流為式中，I1、In分別為起動和制動電流；t1、tn、t0分別為起動、制動及停轉(zhuǎn)時間;α和β對自扇冷式電動機(jī)在啟動、制動和停轉(zhuǎn)期間因散熱條件變壞而采用的系數(shù)，對直流電動機(jī)α=0.75，β=0.25。用等效法選擇電動機(jī)時，必須校驗(yàn)過載能力。11.5.2.選用斷續(xù)周期工作制電動機(jī)在沒有合適的短時工作制電動機(jī)時，可選用斷續(xù)周期工作制電動機(jī)。負(fù)載持續(xù)率FC與短時負(fù)載的工作時間tR之間的對應(yīng)關(guān)系為：tR=30min，相當(dāng)于FC=15％；tR=60min，相當(dāng)于FC＝25％；tR=90min，相當(dāng)于FC=40％。11.5.3選用斷續(xù)周期工作制電動機(jī)

專用的斷續(xù)周期工作制電動機(jī)具有較大的過載能力，可以用來拖動短時工作制負(fù)載。負(fù)裁持續(xù)率與短時負(fù)載工作時間之間的對應(yīng)關(guān)系為：30相當(dāng)于15％；60相當(dāng)于25％；90相當(dāng)于＝40％。11.6斷續(xù)周期工作制電動機(jī)的選擇根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的暫載率、功率、和轉(zhuǎn)速從產(chǎn)品目錄中直接選取，但由于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電動機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)暫載率FC只有四種，這樣就常遇到與標(biāo)準(zhǔn)暫載率相差甚遠(yuǎn)的情況，這時可按下式進(jìn)行計算，先求出生產(chǎn)機(jī)械的暫載率FCx和功率Px再換算為標(biāo)準(zhǔn)暫載率FCx和功率Px選擇標(biāo)準(zhǔn)暫載率FC應(yīng)接近生產(chǎn)機(jī)械的暫載率FCx選擇電動機(jī)的額定功率，應(yīng)不小于P。若FC<10％，選短時