《电机额定功率》PPT课件

面向21世纪高职高专系列教材,电机拖动与控制,第10章直流电动机,主讲：李志龙,张勇主编,在电力拖动系统中，选择电动机一般包括确定电动机的种类、型式、额定电压、额定转速和额定功率、工作方式等。而最重要的是选择电动机的额定功率。决定电动机功率时，要考虑电动机的发热、允许过载能力和起动能力等因素，以发热问题最重要。,一、电动机的种类、型式、额定电压与额定转速的选择,1.电动机种类的选择选择电动机的原则是电动机性能满足生产机械要求的前提下，优先选用结构简单、价格便宜、工作可靠、维护方便的电动机。在这方面交流电动机优于直流电动机，交流异步电动机优于交流同步电动机，笼型异步电动机优于绕线式异步电动机。负载平稳，对起，制动无特殊要求的连续运行的生产机械，宜优先选用普通笼型异步电动机，普通的笼型异步电动机广泛用于机械、水泵、风机等。深槽式和双鼠笼是异步电动机用于大中功率，要求起动转距较大的生产机械、如空压机、皮带运输机等。起动、制动比较频繁，要求有较大的起动、制动转矩的生产机械，如桥式起重机、矿井提升机、空气压缩机、不可逆轧钢机等，应采用绕线式异步电动机。无调速要求，需要转速恒定或要求改善功率因数的场合，应采用同步电动机，例如中、大容量的水泵，空气压缩机等。只要求几种转速的小功率机械，可采用变极多速(双速、三速、四速)鼠笼式异步电动机，例如电梯、锅炉引风机和机床等。,调速范围要求在13以上，且需连续稳定平滑调速的生产机械，宜采用他励直流电动机或用变频调速的鼠笼式异步电动机，例如大型精密机床、龙门刨床、轧钢机、造纸机等。要求起动转距大，机械特性软的生产机械，使用串励或复励直流电动机，例如电车、电机车、重型起重机等。2.电动机型式的选择(1)安装型式的选择电动机安装型式按其位置的不同，可分为卧式和立式两种。一般选卧式，立式电动机的价格贵，只有在为了简化传动装置，必须垂直运转时才采用。(2)防护型式的选择为防止电动机受周围环境影响而不能正常运行，或因电机本身故障引起灾害，必须根据不同的环境选择不同的防护型式。电动机常见的防护型式有开启式、防护式、封闭式和防爆式4种。开启式这种电机价格便宜，散热条件较好，但容易进入水气、水滴、灰尘、油垢等杂物，影响电机的寿命及正常运转，故只能用于干燥清洁的环境之中。防护式这种电机一般防止水滴，等杂物落入机内，但不能防止潮气及灰尘的侵入，故只能用于干燥和灰尘不多又无腐蚀和爆炸性气体的环境。防闭式这类电机又分为自冷式、强迫通风式和密封式3种，前两种电机，潮气和灰尘不易进入机内，能防止任何方向飞溅的水滴和杂物侵入，适用于潮湿、多尘土、易受风雨侵袭，有腐蚀性蒸汽或气体的各种场合。密封式电机，一般使用于液体(水或油)中的生产机械，例如潜水泵等。,防爆式在封闭结构的基础上制成隔爆型，增安型和正压型3类，都适用于有易燃易爆气体的危险环境，例如油库、煤气站或矿井等场所。对于湿热地带、高海拔地区及船用电机等，还得选用有特殊防护要求的电机。3.额定电压的选择电动机的额定电压的选择，取决于电力系统对该企业的供电电压和电动机容量的大小。交流电动机电压等级的选择主要依使用场所供电电压等级而定。一般低电压网为380V，故额定电压为380V(Y或接法)、220/380V(/Y接法)，380/660V(/Y接法)3种；矿山及煤厂或大型化工厂等联合企业，越来越要求使用660V(接法)或660/1140V(/Y接法)的电机。等电动机功率较大，供电电压为6000V或10000V时，电动机的额定电压应选与之适应的高电压。直流电动机的额定电压也要与电源电压相配合。一般为110V、220V和440V。其中220V为常用电压等级，大功率电机可提高到6001000V。当交流电源为380V，用三相桥式可控硅整流电路供电时，其直流电动机的额定电压应选440V，当用三相半波可控硅整流电源供电时，直流电动机的额定电压应为220V，若用单相整流电源，其电动机的额定电压应为160V。,4.额定转速的选择额定功率相同的电动机，其额定转速越高，则电动机的体积越小，重量越轻，造价越低，一般地说电动机的飞轮距GD2也越小。但生产机械的转速一定，电动机的额定转速越高，拖动系统传动机构的速比越大，传动机构越复杂。电动机的GD2和额定转速影响到电动机过渡程持续的时间和过渡过程中的能量损耗。电动机的GD2越小，过渡过程越快，能量损耗越小。因此，电动机额定转速的选择，应根据生产机械的具体情况，综合考虑上面所述的各个因素来确定。,二、电动机的发热与冷却,1.电动机的发热电动机运行过程中，各种能量损耗最终变成热能，使得电动机的各个部分温度上升，因而会超过周围环境温度。温度升高的热过渡过程，称之为电动机的发热过程，电动机温度高出环境温度的值称为温升。一旦有了温升，电动机就要向周围散热。当电动机单位时间发出的热量等于散出的热量时，温度不再增加，而保持一个稳定不变的温升，称为动态热平衡。,2.电动机的冷却负载运行的电动机，在温升稳定以后，如果减少或去掉负载，那么电动机内耗及单位时间发热量都会随之减少。这样，原来的热平衡状态被破坏，变为发热少于散热，电动机温度就要下降，温升降低。降温过程中，随着温升减小，单位时间散热量也减少。当重新达到平衡时，电动机不再继续降温，而稳定在一个新的温升上。这个温升下降的过程称为电动机的冷却过程。3.电动机的绝缘等级从发热方面来看，决定电动机容量的一个主要因素就是它的绕组绝缘材料的耐热能力，也就是绕组绝缘材料所能容许的温度。电动机在运行中最高温度不能超过绕组绝缘的最高温度，超过这一极限时，电动机使用年限就大大缩短，甚至因绝缘很快烧坏而不能使用。根据国际电工委员会规定，电工用的绝缘材料可分为7个等级，而电动机中常用的有A、E、B、F、H5个等级，而各等级的最高容许温升分别为105、120、130、155、180。我国规定40为标准环境温度，绝缘材料或电动机的温度减去40即为允许温升，用max表示。,三、电动机的工作方式,电动机工作时，负载持续时间的长短对电动机的发热情况影响很大，因而对选择的电动机功率影响也很大。按电动机发热的不同情况，可分为以下3种工作方式。1.连续工作方式连续运行方式是指电动机工作时间tr(34)(为电动机的发热时间常数，表征电动机热惯性的大小)后温升可以达到稳态值，也称长期工作制。属于这类生产机械的有水泵、鼓风机、造纸机等。2.短时工作方式短时工作方式是指电动机工作时间tr(34)。这样工作时温升达不到稳态值，而停歇后温升降为零。属于此类生产机械的有机床的夹紧装置、某些冶金辅助机械、水闸闸门启闭机等。短时工作方式下电动机的额定功率是与规定的工作时间相对应的，这一点需要注意，与连续工作方式的情况不完全一样。电动机铭牌上给定的额定功率是按15min、30min、60min、90min4种标准时间规定的。,3.周期性断续工作方式周期性断续工作方式是指工作和与停歇相互交替进行，两者时间都比较短，即工作时间trn0情况，此时EaU，Ia反向，T反向，由驱动变为制动。从能量方向看，电机处于发电状态回馈制动状态（P1=UIa0、P2=T0）。,稳定运行有两种情况:1）正向回馈2）反向回馈,3.5.4回馈制动（再生制动）,发生在调速过程中的回馈制动过程有以下两种情况：,回馈制动时由于有功功率回馈到电网，因此与能耗和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。,3.5他励直流电动机的制动,注意：机械制动具有快速、准确的优点，但是对于高速、惯性大的设备，机械冲击比较大；电磁制动则具有制动相对平稳、制动转矩容易控制的特点。说明：很多情况下采用机械制动结合电磁制动的方法来进行制动，即先通过电磁制动将电机转速降到一个比较低的速度（接近零速），然后再机械抱闸制动，这样既避免了机械冲击又有比较好的制动效果。,3.5他励直流电动机的制动,例3-2：Z2-92型的直流他励电动机额定数据如下：PN=40kW，UN=220V，IN=210A，nN=1000r/min，电枢内电阻Ra=0.07W，试求：（1）在额定负载下进行能耗制动，欲使制动电流等于2IN时，电枢应接入多大的电阻？（2）求出它的机械特性的方程。（3）如电枢直接短接，制动电流应多大？,解：(1)额定负载时，电动机电动势EaN=UN-IaRa=（220-2100.07）=205.3V按要求Ia=-2IN=(-2210)=-420A能耗制动时，电枢回路总电阻R=-EaN/Ia=(-205.3/-420)=0.489W应接入制动电阻RZ=R-Ra=(0.489-0.07)=0.419W,3.5他励直流电动机的制动,(3)如电枢直接短接，制动电流IZ=-EaN/Ra=-205.3/0.07=-2933A,(2)电动势系数CeFN=EaN/nN=205.3/1000=0.2053转矩系数CTFN=9.55CeFN=9.550.2053=1.96所以机械特性方程为n=-RT/CeCTFN2=-0.489T/0.20531.96=-1.215T,注：此电流约为额定电流的14倍，所以能耗制动时，不许直接将电枢短接，必须接入一定数值的制动电阻。,3.6他励电动机的调速,电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构转速比进行调速的方法称为机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上，如果机械特性不变，因负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。,他励直流电动机的转速为,电气调速方法：1.电枢回路串电阻调速；2.降低电源电压调速；3.弱磁调速。,3.6他励电动机的调速,（1）调速范围,衡量调速好坏的指标：,（2）调速的平滑性,在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比称为调速的平滑性，平滑系数为：,越接近1，平滑性越好，当时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。,（3）调速的稳定性（静差率）,指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。静差率，是指电动机在某机械特性上运转时，由理想空载至满载时的转速降对理想空载转速的百分比，即：,%越小，相对稳定性越好；%与机械特性硬度和n0有关。,D与%相互制约:越小,D越小,相对稳定性越好;在保证一定的指标的前提下,要扩大D,须减少n,即提高机械特性的硬度。,3.6他励电动机的调速,衡量调速好坏的指标：,（4）调速的经济性,主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。,3.6他励电动机的调速,衡量调速好坏的指标：,（5）调速时电动机的容许输出,是指电动机得到充分利用的情况下，在调速过程中所能输出的功率和转矩。,3.6.1电枢回路串电阻调速,3.6他励电动机的调速,未串电阻时的工作点,串电阻R1后,工作点由AAB,拖动恒转矩负载为例。保持电源电压及主极磁通为额定值不变，在电枢回路内串入不同的电阻。,C,n2,串入更大的电阻R2后,将以更低的速度n2运行,3.6.1电枢回路串电阻调速,调速时，电流变化及转速变化曲线如下：,3.6.1电枢回路串电阻调速,优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。,1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；2）电枢回路串电阻越大，稳定运行时转速越低，所以，只能在低于额定转速的范围内调速，一般称为由基速（额定转速）向下调速。3）低速时特性曲线斜率大,静差率大,所以转速的相对稳定性差；（即受负载波动的影响大）4）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D2；5）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。,缺点：,3.6.2降低电源电压调速,拖动恒转矩负载为例。保持主极磁通为额定值不变，电枢回路不串入电阻，降低电源电压。,3.6.2降低电源电压调速,优点：1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。,2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。,3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达D=2.512。,4）电能损耗较小。,缺点：需要一套电压可连续调节的直流电源。,3.6.3弱磁调速,拖动恒转矩负载为例。保持电枢电压不变，电枢回路不串入电阻，减小电动机的励磁电流使主极磁通值减弱。,3.6.3弱磁调速,减弱磁通调速前、后转速变化曲线,减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线(Ea=CeFn，弱磁瞬间n不能突变，F减小则Ea减小，UN=Ea+IaRa，Ia增大),结论：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。,调速时，电流变化及转速变化曲线如下：,3.6.3弱磁调速,优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。,2）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大；,为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压调速。,缺点：1）机械特性的斜率变大，特性变软；,3.6他励电动机的调速,例3-3：某台他励直流电动机，额定功率PN=220kW，UN=220V，IN=115A，nN=1500r/min，电枢回路电阻Ra=0.1W，忽略空载转矩T0，电动机带额定负载运行，试求：（1）要求把转速降到1000r/min，可有几种方法，并求出它们的参数。（2）当减弱磁通至F=3/4FN时，拖动恒转矩负载时，求电动机稳定转速和电枢电流。能够长期运行？为什么？如果拖动恒功率负载，情况又怎样？,解：(1)把转速降到1000r/min，可有两种方法:1）电枢回路串电阻；2）降低电枢电压。1）计算电枢串入电阻的数值CeFN=（UN-INRa）/nN=（220-1150.1）/1500=0.139电枢串电阻为R，则有R=（UN-CeFNn）/IN-Ra=(220-0.1301000/115)-0.1=0.604W,2）计算降低后的电枢电压数值U=CeFNn+INRa=（0.1391000+1150.1）=150.5V(2)F=3FN/4时，电动机的转速和电枢电流的计算根据电磁转矩公式T=CTFNIa拖动恒转矩负载T=TL=常数则有，Ia=FNIN/F=4IN/3=4115/3=153A电动机转速n=（UN-IaRa）/CeF=（200-1530.1）/0.750.139=1964r/min可见，由于电动机的电枢电流IaIN，故不能长期运行。如果拖动恒功率负载，由于此时电枢电流I=IN=常数电动机转速n=（UN-IaRa）/CeF=（220-1150.1）/0.750.139=2000r/min故，电动机可以长期运行（未考虑最高转速的限制）。,3.6他励电动机的调速,3.7直流电机的故障分析及维护1、直流电动机安装时，有哪些基本要求？2、电机发生故障时，应从哪些方面做常规检查？3、影响换向恶化的原因主要有哪些？4、电机振动的原因和带来的危害有哪些？通过什么手段来检测振动情况？5、换向器对表面光洁度和清洁度都有严格要求，如出现异常，分别采取哪些方法处理？6、电刷与换向器的接触面积有什么要求？对电刷的压力有什么要求？为什么同一台电机必须使用统一型号的电刷？新更换的电刷需做什么处理？7、电刷架的位置能随便移动吗？为什么？8、电枢绕组匝间短路的后果是什么？9、在电源电压一定的情况下，转速偏高的原因是什么？10、如果电机出现局部过热，试列出几个原因。,3.7直流电机的故障分析及维护,3.7直流电机的故障分析及维护,3.7.1直流电机运行时的换向故障,1.机械原因（1）电机振动。现象：电刷在换向器表面跳动。原因：电枢两端的平衡块脱落或位置移动。处理办法：进行平衡。低速，静平衡；高速，动平衡。（2）换向器。现象：电刷不能在换向器上平稳滑动或火花增大。原因：换向器变形；片间云母突出；表面有疤痕或毛刺；换向器表面有油污。处理办法：沾酒精擦拭；用与换向器表面吻合的曲面木块垫上细砂纸磨换向器，严重则刀削外圆；云母突出则将云母下刻。,3.7直流电机的故障分析及维护,3.7.1直流电机运行时的换向故障,（3）电刷。现象：产生有害火花。原因：电刷弹簧压力不合适；电刷材料不符合要求；电刷型号不一致；电刷与刷盒间配合太紧或太松；刷盒边离换向器表面距离太大。处理办法：电刷的弹簧压力根据不同的电刷确定；同一电机使用同一型号的电刷；更换电刷用较细的玻璃砂纸研磨，空转半小时，使换向器表面形成氧化膜，再投入工作。,3.7直流电机的故障分析及维护,3.7.1直流电机运行时的换向故障,2、由机械引起的电气原因现象：产生有害火花或火花增大。原因：磁极、刷盒的装配有偏差。处理办法：使各磁极、电刷安装合适、分布均匀，电刷架保持出厂时的位置，固定牢固。3、电枢绕组故障（1）电枢元件断线或焊接不良。现象：电刷接触和离开的瞬间呈现较大的点状火花，使断路元件两侧的换向片灼黑；若用电压表检查换向器片间电压，断线元件或换向器焊接不良的元件两侧的换向片片间电压特别高,3.7直流电机的故障分析及维护,3.7.1直流电机运行时的换向故障,（2）电枢绕组短路。现象：局部过热,4、定子绕组故障（1）换向极或补偿绕组极性接反。现象：换向火花急剧增大，换向片明显灼黑。原因：极性接反。（2）换向极或补偿绕组短路。现象：火花增大。原因：换向极或补偿绕组短路,3.7直流电机的故障分析及维护,3.7.1直流电机运行时的换向故障,（3）换向极绕组不合适。现象：电机修理后，再三调整还不能满足换向要求，从内部也找不出故障原因。原因：可能是换向极磁场不合适引起的。5、电源的影响现象：换向变坏；增加了电机的噪声、振动、损耗、发热。原因：使用晶闸管整流装置代替直流发电机组，这种电源带来了谐波电流和快速暂态变化。解决方法：用串接平波电抗器的方法来减少交流分量。一般外加平波电抗器的电感值约为直流电机电枢回路电感的2倍左右。,3.7直流电机的故障分析及维护,3.7.2直流电机运行时的性能异常及维护,1、转速异常当电机的转速发生异常时，可用转速公式中的有关因素来找原因。（1）转速偏高。现象：对并励或他励电动机，转速剧升，有飞车的危险。如带负载很重，电动机速度也不致升高，这时电流剧增，使开关的保护装置动作后跳闸；对串励电动机，励磁线圈断线即电枢开路，电动机停止运行。原因：励磁绕组中发生短路现象或个别磁极极性装反，或励磁线圈断线，磁极只有剩磁。,（2）转速偏低。现象：电机转速偏低。原因：电枢回路中连接点接触不良，使电枢电路的电阻压降增大。解决方法：检查电枢电路各连接点（包括电刷）的接头焊接是否良好，接触是否可靠。（3）转速不稳。现象：电机的转速和电流发生急剧变化，电机不能正常稳定运行，如不及时制止，电机和所接仪表均有损坏的危险。解决方法：首先检查串励绕组极性是否准确，减小励磁电阻并增大励磁回路电流；若电刷没有放在中性线上应加以调整。,3.7直流电机的故障分析及维护,3.7.2直流电机运行时的性能异常及维护,3.7直流电机的故障分析及维护,3.7.2直流电机运行时的性能异常及维护,2、电流异常现象：电枢电流增大，长时间运行，易烧毁电机绕组。原因：机械上有摩擦、轴承太紧、电枢回路中引线相碰或有短路现象、电枢电压太高等。3、局部过热现象：烧毁绕组；有绝缘烤糊味或局部过热。原因：电枢绕组中有短路现象；导体各联接点接触不良；换向器上的火花太大；电刷接触不良。,第三章习题,1、什么是电力拖动系统？试举出几个实例。2、电车前进方向为转速正方向，定性画出电车走平路与下坡时的负载转矩特性。3、他励直流电动机的电磁功率指什么？4、什么是他励直流电动机的固有机械特性，有何特点？5、他励直流电动机电枢回路串入电阻后，对理想空载转速大小有何影响？为什么？对机械特性硬度有无影响？为什么？6、直流电动机为什么不能直接起动？有哪几种起动方法？采用什么起动方法比较好？7、他励直流电动机起动时，为什么一定要先加励磁电压？如果未加励磁电压（或因励磁绕组断线），而将电枢接通电源，在下面两种情况下会有什么后果：(1)空载起动；（2）负载起动TL=TN。8、他励直流电动机有哪几种调速方法？各有什么优缺点？,第三章习题,9、当提到某台电动机处于制动状态时，是不是仅仅意味着减速停车？反之如果电动机在减速过程中，可否说电机一定处于制动状态？10、比较各种电磁制动方法的优缺点，它们各应用在什么地方？11、他励直流电动机的额定数据为PN=17kW，UN=220V，IN