电机及拖动 复习与上课专用 第9章

本章主要教学内容：1.电力拖动系统方案的选择2.电动机的一般选择3.电动机的发热与温升4.电动机的额定功率与允许温升之间的关系5.电动机额定功率的选择6.选择电动机额定功率的统计法和类比法供电电源的选择；电动机的选择；电动机与生产机械负载配合的稳定性；调速方案的选择；电力拖动系统的启动、制动方法，正、反转方案的选择；经济指标，主要包括电网功率因数、电网污染等；电力拖动系统控制策略的选择；系统可靠性。主要考虑如下内容：9.1电力拖动系统方案的选择电力拖动系统的供电电源可分为三大类：交流工频电源；独立变流机组电源；电力电子变流器电源。独立变流机组电源在20世纪70年代就开始使用，但随着电力电子技术的发展，这种电源正逐步被电力电子变流器电源所代替。

9.1.1电力拖动系统的供电电源电动机与负载合理配合，在工作点应满足，若要稳定运行：

9.1.2电力拖动系统的稳定性电动机机械特性与负载特性的配合对于直流电动机和异步电动机，对于同步电动机，例如，在左图中，A1与A2为不稳定工作点，A3

为稳定工作点。或9.1.3调速方案的选择直流电动机

(1)电枢回路串电阻调速； (2)降低电源电压调速； (3)弱磁调速。

前两个属恒转矩调速，适用于恒转矩负载；弱磁调速属恒功率调速，适用于恒功率负载。9.1.3调速方案的选择异步电动机调速方法：(1)变频调速；(2)变极调速；(3)改变转差率调速。其中，转差率的改变可通过改变定子电压、转子电阻、在转子绕组上施加转差频率的外加电压等方法实现。基频以下变频调速与Y/YY变极调速属恒转矩调速，适用于恒转矩负载；基频以上变频调速与D/YY变极调速属恒功率调速，适用于恒功率负载；改变定子电压调速既非恒转矩也非恒功率调速，转子串电阻的调速属于恒转矩调速，串级调速根据调速实现的方法不同，既可以是恒功率调速，也可以是恒转矩调速。

9.1.4启动、制动与正反转方案的选择——启动(1)启动转矩必须大于负载转矩；(2)启动电流要有一定限制。笼型异步电动机的启动性能较差，容量越大，启动转矩倍数越低，启动越困难。可采用深槽转子或双笼转子异步电动机，若仍不满足要求，则应选择功率较大的电动机。直流电动机和绕线型异步电动机的启动电流和启动转矩可调，仅需考虑启动过程的快速性。同步电动机的启动较复杂，通常仅用于功率较大的机械负载。9.1.4启动、制动与正反转方案的选择——制动需考虑制动时间、制动实现的难易程度及经济性直流电动机(串励除外)可采用反接、能耗和回馈制动。反接制动：制动转矩大、制动剧烈、能量损耗大，且要求转速降为零时应及时切断电源，才能可靠停车；能耗制动：制动过程平稳，能够准确停车，但随着转速下降制动转矩减小较快回馈制动：无需改接线路，电能回馈电网，只能在位能性负载下放场合或降压降速过程中进行，且转速不可能降为零。9.1.4启动、制动与正反转方案的选择——制动交流异步电动机同样可采用反接、能耗和回馈制动。反接制动：通过改变定子电源相序实现的，相当于直流电动机电枢回路外加电源的反接；能耗制动：需在定子绕组中通以直流，略显复杂；回馈制动：仅发生在位能性负载下放或同步转速能够改变的场合，如变极、降频降速过程。

9.1.4启动、制动与正反转方案的选择——反转拖动系统对反转的要求是，不仅能够正、反转，而且正、反转之间的切换应当平稳、连续。一般通过回馈制动容易达到上述目的，但需具有回馈制动的条件；反接制动虽然能实现正、反转的过渡，但切换过程较剧烈，平滑性差。直流电动机的正、反转要比交流电动机优越。随着电力电子技术的发展，交流电机、无刷直流电动机、开关磁阻电动机等均可实现正、反转之间的平滑切换。9.1.4启动、制动与正反转方案的选择——平稳性和快速性电力拖动系统的运动方程式

启制动与调速过程所需时间缩短启动、制动过程时间，要求尽量大满足拖动系统运行平稳性，要求若负载惯量是变化的，则要求根据负载惯量的实际情况，选择合适的电动机。9.1.5电力拖动系统的经济性可增加有源滤波器或在变流器内部采用自关断器件组成的PWM变流器等方法。若功率因数偏低，可并联电容器或同步电动机。

电网功率因数节能电网污染合理选择电动机容量与供电电压、调速系统、多台运行的使用台数或变频调速时的运行频率。9.2电动机的一般选择9.2.1种类选择——电动机的主要种类9.2.1种类选择选择电动机种类时，主要考虑：电动机的机械特性与负载的转矩特性相适应。电动机的启动转矩、最大转矩等性能均能满足负载要求。

电动机的调速性能，调速范围、调速平滑性、调速系统的经济性等满足拖动系统的要求。系统运行的经济性，从结构、价格、运行、维护、配套设备等方面考虑，尽可能降低整个拖动系统的能耗及综合成本。9.2.2工作条件分析——环境条件电力拖动系统中的电动机对环境条件的基本要求

包括使用环境的海拔高度，空气温度、湿度，不存在腐蚀性化学物质等环境条件。与规定不同时温升限值的修正

特殊环境条件下的防护

特殊环境下，应选用对该种环境有相应防护措施的电动机，或设置特殊的防护装置。

9.2.2工作条件分析——电气条件额定电压的选择电动机的额定电压、相数、额定频率应与供电系统一致电压和频率的允差电源电压和频率在一定范围内变化时，电动机的输出功率仍要维持额定值。电压及电流的波形与平衡性要求在一定范围内波动。9.2.3额定转速的选择相同功率下，转速越高，电机尺寸越小，价格降低，一般电动机设计成高额定转速，额定转速不低于500r/min，最常见1500r/min额定转速。9.2.3额定转速的选择对连续工作，很少启、制动的电力拖动系统，主要考虑设备投资、占地面积、维护检修等方面；对经常启、制动和反转的电力拖动系统，要根据最小过渡过程时间、最少能量损耗等条件来确定转速比和额定转速；一般高、中转速机械，可选用相应转速电机，直接连接；不调速低转速机械，用适当转速电动机通过减速装置传动；需要调速的大型系统，可选用串级调速的异步电机，将转差功率返回电网，调速范围和调速精度要求高的系统可选择可调速直流电机或变频调速交流电机。

9.2.4结构类型的选择安装方式分为卧式和立式两种，两种类型的电动机使用的轴承不同，立式价格稍高。

轴伸个数电动机有单轴伸与双轴伸两种，大多采用单轴伸。防护方式按防护方式分，电动机有开启式、防护式、封闭式和防爆式几种。

为拖动系统选择合适电动机，要考虑：根据拖动系统的负载特性，预选电动机种类，要求预选电动机在机械特性方面能够完全满足负载的要求；正确选择电动机的功率，使电动机在工作中能充分利用，又能通过发热、过载和启动能力校验；正确选择电动机的电流种类、电压等级及额定转速，所选择电动机的结构形式和防护措施应适应周围环境条件；电机及辅助设备的经济性。9.3电动机的发热与温升9.3.1发热过程电动机运行时功率损耗变为热能散发出去，电动机温度会随之升高，超过周围环境。电动机单位时间发出的热量等于散出的热量时，电动机保持在一个稳定不变的温升，处于发热与散热的平衡状态。

Q——电动机单位时间产生的热量；C——电动机的热容量；

A——散热系数；——温升；——时间电动机吸收的热量；——电动机单位时间散出的热量；——起始温升；——稳态温升；——发热时间常数；热平衡方程式为：解得发热过程温升曲线9.3.2冷却过程负载运行的电动机，温升稳定后，若减少负载，电机损耗及单位时间产生的热量都会减少，原来的热平衡被打破，发热少于散热，电动机温度会下降，即温升降低。随着温升减小，单位时间散发的热量也减少。当重新达到时，电动机稳定在新的温升上。温升下降的过程称为冷却过程，曲线表达式与发热过程相同。电动机冷却过程温升曲线9.4电动机的额定功率与允许温升之间的关系9.4.1允许温升绝缘材料的耐温限度，即允许温度，也就是电动机的允许温度。绝缘材料的寿命，一般也是电动机的寿命。绝缘材料或电动机的允许温度减去标准环境温度40℃是允许温升，用表示，单位为K或℃。六种绝缘材料允许温度和允许温升（单位℃）9.4.2额定功率与允许温升之间的关系——工作方式连续工作方式工作时间，温升可以达到稳定值。短时工作方式

工作时间，停歇时间。工作时温升达不到稳定值，停后降为零。周期性断续工作方式电动机工作与停歇交替进行，时间都比较短，，，工作时温升达不到稳定值，而停歇时降不到零。每个周期内工作时间占的比例称为负载持续率，。9.4.2额定功率与允许温升之间的关系——连续工作方式下电动机的额定功率取使稳态温升等于（或接近于）允许温升的输出功率P作为电动机的额定功率。连续工作方式下，

与为常数时，电动机额定功率与允许温升成正比关系，绝缘材料的等级越高，电动机额定功率越大。连续工作方式电动机的负载与温升9.4.2额定功率与允许温升之间的关系——短时工作方式下电动机的额定功率规定工作时间内，负载运行时达到的最高温升等于或接近于允许温升时电动机的输出功率为额定功率。工作时间越短，额定功率越大。短时工作方式电动机的负载与温升9.4.2额定功率与允许温升之间的关系——周期性断续工作方式下电动机的额定功率经过足够多周期后，电动机实际达到的最高温升等于或接近于允许温升，相应的输出功率为额定功率。

负载持续率FS%影响额定功率的大小，负载持续率越小，额定功率越大。周期性断续工作方式电动机的负载与温升9.4.2额定功率与允许温升之间的关系——提高额定功率的方法对同样大小的电动机，采取以下措施可提高输出功率：设法降低电动机的损耗，提高效率；加强散热，提高散热系数A值；采用高一级的绝缘材料，提高其允许温升值。9.5电动机额定功率的选择9.5.1额定功率的选择步骤第一步：计算负载功率，若为周期性负载，还要作出负载图或者；第二步：根据负载功率预选电动机额定功率及其它参数；第三步：校核预选的电动机。一般先校核温升，再校核过载能力，必要时校核启动能力。若不能通过校核，则从第二步