电机与电力拖动课件-第7章

第7章电力拖动系统电动机的选择7.1电动机的发热、冷却及电动机的工作制分类7.2电动机功率的选择7.3电动机的类型、额定电压和额定转速的选择

电力拖动系统电动机的选择,首先是在各种工作制下电动机额定功率的选择,其次还要确定电动机的类型、外部结构形式、额定电压与额定转速等。

选择电动机的原则:

(1)满足生产机械负载要求;

(2)经济合理。

7.1电动机的发热、冷却及电动机的工作制分类

7.1.1电动机的发热过程

1.电动机的发热过程

电动机运行时,内部会产生铜损耗和铁损耗,这些损耗在电动机内部转化为热能。随着热量的不断产生,电动机本身温度升高,当升高至超过周围环境温度时,就产生温度差,电动机就要向周围散热。我们将电动机本身温度与标准温度的差值称为温升,用τ表示。

研究实际电动机的发热情况时,为了简化分析,可假设:

(1)电动机在恒定负载下运行,总损耗不变。

(2)电动机是一个均匀物体,各点温度一样,且各部分表面散热系数相同。

(3)电动机散发到周围介质中去的热量与电动机温升成正比。

(4)周围环境温度不变。

根据能量守恒定律,任何时间内,电动机产生的总热量等于电动机本身温度升高需要的热量和散发到周围介质中去的热量之和,则电动机的热平衡方程式为

式中,Q为电动机单位时间内产生的热量(J/s);C为电动机温度每升高1度所需的热量,称为热容量(J/℃);dτ为电动机温度升高增量(℃);A为电动机温度高出环境温度1度时,单位时间内向周围介质散发出去的热量,称为散热系数(J/℃·s)。

将式(7-1)整理改写为

令C/A=T为发热时间常数,Q/A=τw为发热过程稳态温升,则热平衡方程式可写成

图7-1电动机发热过程曲线

2.电动机的绝缘等级

电动机在负载运行时,其内部总损耗转变为热能使电动机温度升高。

绝缘材料的允许温度就是电动机的允许温度;绝缘材料的寿命就是电动机的寿命。为使电动机能达到正常的使用年限,规定了电动机的各种绝缘材料的绝缘等级,如表7-1所示。

7.1.2电动机的冷却过程

电动机达到稳定温升τw后,如果减小它的负载或停止运行,则电动机内损耗∑p及Q将随之减少或不再继续产生。这样,就使发热量少于散热量,破坏了热平衡状态,电动机温升下降,直至达到新的稳定温升。这个温升下降的过程称为电动机的冷却过程。

1.电动机负载减小

当电动机拖动的负载减小时,其损耗减小,单位时间内产生的热量减少为Q',相应的稳定温升降低到τ'w,而起始温升则为原来的稳定温升τw。设散热系数A不变,此时的温升公式为

式中,τ'w为负载减小后电动机的稳定温升;T'为电动机的冷却时间常数。

在负载减小时,电动机的冷却时间常数T'和发热时间T相等。冷却过程的温升曲线如图7-2中曲线1所示。图7-2电动机冷却过程曲线

2.断电停车

电动机脱离电源后,电动机的损耗为零,不再产生热量,其温升逐渐下降,直到电动机本身的温度与周围介质温度相同为止。因此,稳定温升τ'w=0,有

此时,冷却过程的温升曲线如图7-2中曲线2所示。

7.1.3电动机的工作制分类

1.连续工作制(S1)

连续工作制是指电动机在恒定负载下持续运行,其工作时间足以使电动机的温升达到稳定温升τw。

连续工作制电动机的典型负载图与温升曲线如图7-3所示。图7-3连续工作制电动机的典型负载图与温升曲线

2.短时工作制(S2)

短时工作制下运转的电动机,工作时间tg较短,在工作时间内,电动机的温升达不到稳定温升τw;停歇时间t0相当长,在工作停歇内,电动机的温升可以降到零,其温度和周围介质温度相同。

短时工作制电动机的负载图与温升曲线如图7-4所示。图7-4短时工作制电动机的负载图与温升曲线

3.断续周期工作制(S3)

电动机按一系列相同的工作周期运行,工作时间tg和停歇时间t0相互交替,两段时间都较短。在工作时间内,电动机不能达到稳定温升,停歇时间内电动机温升未下降到零,下一工作周期已开始。每经过一个周期,温升有所上升,经过若干周期后,电动机的温升在最高温升和最低温升之间波动,达到周期性变化的稳定状态。其最高温升仍低于拖动同样负载连续运行的稳定温升τw。其负载图与温升曲线如图7-5所示。图7-5断续周期工作制电动机的负载图与温升曲线

每个工作周期内工作时间占的百分数叫作负载持续率(又称暂载率),用FS表示,即

7.2电动机功率的选择

1.恒定负载连续工作制电动机额定功率选择恒定负载是指在长期运行中,负载大小恒定不变或基本恒定不变的负载,如水泵、风机、大型机床主轴等。在选择连续恒定负载的电动机时,只要计算出负载所需功率PL,选择一台额定功率PN略大于PL的连续工作制电动机即可,不必进行发热校核。

2.周期性变化负载连续工作制电动机额定功率选择

周期性变化负载连续工作制电动机额定功率的选择步骤:

(1)计算出生产机械的负载图;

(2)在此基础上预选电动机并作出电动机的负载图,确定电动机的发热情况;

(3)进行发热、过载及起动校验。

如图7-6所示为一个周期的周期性变化负载下连续工作制电动机的负载图。图7-6周期性变化负载下连续工作制电动机的负载图

(1)等效电流法。

等效电流法的基本原理是用一个不变的等效电流Ieq来代替实际变动的负载电流IL,在同一周期内,等效电流Ieq与负载电流IL产生的热量相等。假定电动机的铁耗和电阻不变,则损耗只和电流的平方成正比,由此可得

式中,tn为对应负载电流为In的工作时间。

(2)等效转矩法。

如果电动机在运行时,其转矩与电流成正比(如他励直流电动机的励磁保持不变、异步电动机的功率因数和气隙磁通保持不变时),则式(7-7)可改写成等效转矩公式:

(3)等效功率法。

如果电动机运行时,其转速保持不变,则功率与转矩成正比,由式(7-8)可得等效功率为

7.2.2短时工作制电动机额定功率的选择

1.选用短时工作制电动机

我国电机制造行业专门设计制造了一种专供短时工作制使用的电动机,其工作时间分为15min、30min、60min、90min四种,每一种又有不同的功率和转速。因此,可以按生

产机械的功率、工作时间及转速的要求,从产品目录中直接选用不同规格的电动机。

如果在一个周期内,负载的变化包括起动、运行、制动和停歇等过程,其实际温升还要高一些,因此一般应把等效电流或功率等参数选得大一些。为此,可在式(7-7)、式(7-8)和式(7-9)的分母中对应起动和制动的时间值上乘以一个系数α,在对应停歇的时间值上乘以一个系数β,则有:

【例7-1】一台自扇冷式他励直流电动机,PN=7.5kW,nN=1500r/min,λm=2,电机磁通Φm保持不变,一个周期的转矩负载图如图7-7所示,试校验电动机的发热是否通过?图7-7-他励直流电动机转矩负载图

2.选用连续工作制电动机

短时工作的生产机械,也可选用连续工作制的电动机。这时,从发热的观点上看,电动机的输出功率可以提高。为了充分利用电动机,选择电动机额定功率的原则应是在短时工作时间tg内达到的温升恰好等于电动机连续运行并输出额定功率时的稳定温升,即电动机绝缘材料允许的最高温升。由此可得:

式中,对于直流电机a=1.0~1.5,对于异步电机a=0.5~0.7。在一个工作周期tz内,当工作时间tg<(0.3~0.4)tz时,可取

式中,λm为过载能力。

3.选用断续周期工作制电动机

专用的断续周期工作制电动机具有较大的过载能力,可以用来拖动短时工作制负载。负载持续率FS与短时负载的工作时间tg之间的对应关系如表7-2所示。

7.2.3断续周期工作制电动机额定功率的选择

断续周期工作制的电动机,其额定功率是与铭牌上标出的负载持续率相应的。如果负载图中的实际负载持续率FSx与标准负载持续率FSN(15%,25%,40%,60%)相同,且负载恒定,则可直接按产品样本选择合适的电动机。当FSx与FSN不同时,就需要把FSx下的实际功率Px换算成FSN下的功率P,换算公式如下:

选择电动机的额定功率应不小于P。

【例7-2】题如【例7-1】,试校验该电动机过载是否通过。

7.3电动机的类型、额定电压和额定转速的选择

7.3.1电动机类型的选择选择电动机类型的原则是在满足生产机械技术性能的前提下,优先选用结构简单、工作可靠、价格便宜、维修方便、运行经济的电动机。从这个意义上看,交流电动机优于直流电动机,异步电动机优于同步电动机,笼型异步电动机优于绕线转子异步电动机。

对于功率较大而又不需调速的生产机械,如大功率水泵、空压机等,为了提高电网的功率因数,可选用同步电动机。

调速范围要求不大,并可由机械变速箱配合的生产机械,如普通机床、锅炉引风机等,可选用多速笼型异步电动机。

调速范围要求较大,且需要平滑调速的生产机械,如轧钢机、龙门刨床、大型精密机床、造纸机等,应选用他励直流电动机或采用变频调速的笼型异步电动机。

7.3.2电动机额定电压的选择

交流电动机额定电压的选择主要按使用场所的供电电压等级选择。一般低压电网为380V,因此中小型三相异步电动机的额定电压大多为380V(Y或△连接),220/380V(△/Y连接)和380/660V(△/Y连接)。单相异步电动机的额定电压多采用220V,矿山及钢铁企业的大型设备用大功率电动机,可采用高压电动机,这样既减小了电动机的体积,又节约了铜线的用量。

7.3.3电动机额定转速的选择

电动机的额定转速是根据生产机械传动系统的要求来选择的。在一定功率时,电动机的额定转速越高,其体积越小,重量越轻,价格越低,运行的效率越高,电动机的飞轮矩越小,因此选用高速电动机较经济。但是,若生产机械要求的转速低,如果选择高速电动机,则会使传动机构复杂。因此必须综合考虑电动机与生产机械两方面的因素。

选择电动机的额定转速,一般可分下列情况讨论。

(1)电动机很少起、制动或反转。

(2)电动机经常起、制动及反转,但过渡过程的持续时间对生产率影响不大,如高炉的装料机械的工作情况即属此类。

(3)电动机经常起、制动及反转,过渡过程的持续时间对生产率影响较大。属于这类情况的有龙门刨工作台的主拖动。

小结

电动机作为能量转换的装置,在能量转换过程中必然有损耗,并转化为热能。其中一部分损耗被电机吸收提高了电机本身的温度,另一部分散到周围介质中去。根据能量守恒定律,电动机的热平衡方程为

从热平衡方程可推导出电机在发热和冷却过程中,电动机温升τ随时间t变化的方程τ=f(t)