电力拖动系统方案与电动机选择

1、1.电气传动系统的方案选择；电机的选择：电机内部的加热和冷却规则；电机工作系统；不同工作模式下电机额定功率的选择。2.13.1由电机、电源、控制设备和生产机械组成的电气传动系统的方案选择。因此，在选择电气传动系统的基本方案时，应着重考虑以下几个方面：(1)电气传动系统的供电考虑；电机的选择；电机与生产机械负载协调的稳定性考虑：调速方案的选择；电力系统起动、制动方式及正反转方案的选择；经济指标的考虑主要包括电网功率因数的考虑、调速方案的选择和电网污染的考虑；电气传动系统控制策略的选择：可靠性考虑。3.13.1.1考虑到电力驱动系统的供电，电力驱动系统的供电可分为三类：交流工频50Hz电源；独立转

2、换器单元电源；电力电子变换器的电源。整流器(DC电源)由电力电子器件、变频器、交流调压器(交流电源)逆变器组成，4.13.1.2。考虑到电驱动系统的稳定性，只有电机和拖动负载之间的合理配合才能保证电驱动系统的稳定运行。借助于电机提供的机械特性和生产机械的负载转矩特性，可以判断电驱动系统的稳定运行。稳定性应根据：通用电气传动系统，稳定运行条件： 1。电机的机械特性和负载扭矩特性之间存在交集；2.在两条特性曲线的交点处，满足：的物理意义：如果转速在电机的机械特性和负载转矩特性的交点附近增加，电磁转矩的增加必须小于负载转矩的增加。这样，系统的旋转速度可以降低，并最终返回到原始的稳定工作点。图13.1

3、给出了由各种电机组成的电驱动系统的机械特性和恒转矩负载特性，旨在判断电驱动系统的稳定性。图13.1电驱动系统的电机机械特性和负载转矩特性的协调1-单独励磁DC电机的机械特性，P1点运行不稳定；串联励磁绕组可用于补偿电枢反映的影响。2异步电动机的机械特性。P3点也是一个不稳定的操作点，因为P3点的t1大于TSt，驱动系统无法启动。你可以选择深槽转子或双鼠笼转子异步电动机，或绕组与转子串联电阻异步电动机，以提高起动转矩和改变机械特性。P2是一个稳定的运行点，可以顺利启动。6、13.1.3、调速方案的选择，电机的机械特性决定了驱动系统的调速方式，而每种调速方式都有不同的调速特性。电机的调速特性应与负

4、载的转矩特性相一致，这样才能充分利用电机的功率。对于单独励磁的DC电机，可以采用电枢电路串联电阻调速、电枢电压调速和弱磁调速。从调速特性来看：电枢电路串联电阻调速和电枢电压调速属于恒转矩调速特性，因此适用于恒转矩负载；U1单独下降n下降E单独下降，Ra单独增加n下降E下降，7。分励DC电机的弱磁调速属于恒功率调速的特性，因此适用于恒功率负载。异步电动机可采用变频调速、变极调速和变转差调速。其中，转差率的改变可以通过改变定子电压、转子电阻以及对转子绕组施加转差频率的电压来实现(如双馈调速和串级调速)。从调速的本质来说，变频调速8、13.1.4、起动、制动、正反转及相应方案的选择。电驱动系统的过渡

5、过程包括启动/制动、正转/反转、加速/减速和负载变化，这与系统的快速性、生产率提高、降耗和可靠性保证密切相关。电驱动系统对起动过程的基本要求是电动机的起动转矩必须大于负载转矩；应限制启动电流，以免影响周围设备的正常运行。9、对于鼠笼式异步电机，其起动性能较差。容量越大，起动转矩倍数越低，起动越困难。如果普通鼠笼异步电动机不能满足起动要求，可以考虑深槽转子或双鼠笼转子异步电动机。如果起动能力不能满足要求，可以考虑软起动或变频起动。DC电动机和绕线式异步电动机的起动转矩和起动电流是可调的，只需考虑起动过程的快速性。然而，同步电动机的起动和牵引同步是复杂的，通常只适用于高功率的机械负载。对于同步电机

6、，变频电机、辅助电机或自动电压调节器可用于启动。a、起动、b、制动时，制动方法的选择应从几个方面考虑，如制动时间、制动难度和经济性。对于交流电机和DC电机(串联励磁DC电机除外)，可以考虑三种制动方案，包括反向连接、能耗和反馈。10，c，反向旋转，驱动系统的反向旋转的要求是不仅可以实现反向旋转，而且正向旋转和反向旋转之间的切换应该是平滑和连续的。总的来说，DC电机优于交流电机。然而，随着电力电子变换器技术的发展，交流电机，包括无刷DC电机和开关磁阻电机，可以实现正反转之间的平滑切换。根据第三章，电驱动系统的动力学方程可以表示为：(13-4)，电机起动、制动或调速所需的时间可以用上述公式表示为：

7、(13-5)、11。结论：如果你想缩短起动和制动过程，你应该使它尽可能大。这是选择电机的重要依据。从运行稳定性的角度来看，希望电动机的惯性与负载惯性相匹配，即电动机的惯性将超过负载的惯性，即(13-6)。如果负载惯性是可变的(如工业机械手负载等。)，为了保证系统的平稳运行，要求负载飞轮力矩的变化应小于电机飞轮力矩的1/5，即(13-7)，但根据惯性匹配原理，小惯性电机只适用于负载惯性小、过载能力不高的情况。对于惯性大、过载严重的地方，如重型机床，应选用大惯性电机，如力矩电机。考虑到电力拖动系统的经济指标，经济指标主要指一次性投资和运行成本，而运行成本取决于能耗，即效率指标。在电气传动系统的设计

8、过程中，应考虑以下几个方面：一是提高电网的功率因数；调速与节能；c、电网污染，a、电网功率因数提高。对于异步电动机，最大功率因数大多出现在接近满载时(负载率75%)。在轻载情况下，为了提高功率因数，可以采用调压或变频方案，并在供电变压器上增加并联电容，实现无功补偿。或者采用转子DC励磁的同步电机，使其在过励磁状态下工作。13、b、调速和节能，异步电动机的最高效率大多发生在接近满载时。当电机轻载或空载运行时，可采用变频调速或多台电机协调运行(减少轻载下的电机数量)来提高交流传动系统的运行效率。当无负载或轻负载时，只有励磁分量Im和jXm控制定子电流，功率因数很低(0.10.2)。a，提高电网的功

9、率因数，14，b当潜在负载下降(或下坡)时，反馈制动可以回收能量并节约电能。交流传动系统可采用的调速方案有：转子串联电阻调速、调压调速、转差电机调速、双馈电机调速(包括串级调速)、变频调速等。前三种调速方式能耗较高，后两种调速方式效率较高。为解决电力电子变换器供电带来的“电网污染”问题，实现所谓的“绿色”电力变换，可采取以下措施：在供电变压器的二次侧增加一个有源电力滤波器(APF)；变流器采用由自关断器件组成的脉宽调制整流器。不同的调速方式有不同的运行效率。15、13.2电机的总体选择和电机容量的选择应避免“大马拉小车”现象，以避免电机运行效率和功率因数低，电机和输电线路损耗增加，电能浪费严重

10、。然而，还应适当考虑设备运行的可靠性。当然，电机的选择不仅包括容量的选择，还包括额定电压、额定转速和电机结构形式的选择。后者介绍如下：(1)额定电压的选择；(2)额定速度的选择；(3)结构形式的选择；(3)额定电压的选择；(3)额定电压的选择；(3)电动机的额定电压、相数和额定频率应与供电系统一致。对于交流电机，中小型异步电机的额定电压大多为220/380伏(/y连接)和380/660伏(/y连接)。当电机功率较大时，可根据供电系统选择3000、6000、10000伏高压电机。DC电机的额定电压一般为110伏、220伏、440伏和600 1000伏。也可采用新的改进型DC电机，如160伏(带单

11、相全波整流)和440伏(带三相桥式整流)。17、B、选择额定转速，对于相同额定功率的电机，额定转速越高，电机的体积和重量越小，成本越低，电机的转子越细长，转子的飞轮惯性GD2越小，起动和制动时间越短。从经济性和提高系统快速性的角度来看，选择高速电机更为合适。然而，马达的速度越高，传动机构的速比越高，这使得传动机构复杂并且相应的传动损失增加。因此，必须结合电机和生产机械的因素来选择电机的额定转速。对于经常在起动和制动条件下工作的电机，可以证明，为了减少起动和制动时间，可以选择GD2和nN2乘积较小(对应于系统中存储的动能较小)的电机。结构形式的选择根据不同的安装方法，电机可分为垂直结构和水平结构

12、。通常，电驱动系统大多采用水平结构的电机。根据轴伸长度的不同，电机可分为单轴伸端和双轴伸端。大多数情况下使用单轴拉伸。根据保护方式的不同，电机可分为开式、保护式、闭式和防爆式。应根据不同的应用选择不同保护模式的电机。19、13.3电机的加热和冷却，a .电机的加热过程和电机的温升：在负载运行过程中，由于各种内部损耗(包括绕组铜损耗、铁损耗、机械损耗等)。)，电机温度超过环境温度(标准环境温度为)，超出部分称为电机温升。加热过程：由于温度上升，电机将热量散发到周围环境中。当散发的热量等于散发的热量时，电机本身达到热平衡状态。此时，温升达到稳定值。上述升温过程是电机的加热过程。20，假设：(1)电

13、机是一个均匀的发热体，即各点的温度是相同的；(2)电机向周围环境散发的热量与温升成正比。根据电机本身吸收的热量和散发到周围介质的热量，电机热平衡方程为：(13-8)，其中q为电机单位时间产生的热量；C为热容量，表示电机温升上升1C时所需的热量；为温升，A为散热系数，表示单位时间温升增加1C时的散热量；Qdt:表示电机在dt时间内产生的总热量。d:dt时间内温度上升的增量；Cd:电机温升所需的热量，单位为dt时间。 dt:指在dt时间内散发到周围介质中的热量；完成后得到公式(13-8):(13-9)，其中加热时间常数；它代表热惯性的大小，与电机的大小和散热条件有关；是温度上升的稳态值；21，假设

14、初始条件为：方程(13-8)的解为：(13-10)由三元法得到，电机加热过程的温升曲线根据方程(13-10)绘制，如图13.2所示。图13.2显示了加热过程中电机的温升曲线。在图13.2中，曲线1显示了电机从非零初始温升开始运行时的温升曲线。曲线2显示了电机从零初始温升开始运行时的温升曲线。电机的冷却过程类似于加热过程，只是电机的温度是一个降低的过程。冷却过程仍然可以用公式(13-10)来描述。相应冷却过程的温升曲线如图13.3所示。图13.3显示了冷却过程中电机的温升曲线。在图13.3中，曲线1显示了当负载降低时的温度上升曲线；曲线2显示了电机完全停止时的温升曲线。23，C，电机额定功率与允

15、许温升的关系，a，电机允许温升，b，电机额定功率与允许温升的关系，24，电机带负荷运行过程中，电机内部的损耗导致电机发热，可能损坏电机内部的绝缘材料。一般来说，绝缘材料决定了电机的寿命，其最高温度(或温升)决定了电机的最高允许温度或温升。根据允许的温度，电机常用的绝缘材料可分为五个等级：A、E、B、F和h。不同等级的绝缘材料有不同的成分和不同的价格。根据40的标准环境温度，上述五级保温材料的允许温度和温升见表13.1。表13.1电机常用绝缘材料的最大允许温度和温升，A，电机允许温升，25，b，电机额定功率和允许温升的关系，让电机在额定负荷下运行，当电机温升趋于稳态温升时，温升不再上升，=0，电

16、机温升的稳态值可表示为：(13-11)，(13-11) 0.24是热系数的机械当量，额定负荷下的发热量，损耗为了充分利用电机，应根据稳态温升等于最大允许温升的原则选择电机的额定功率，因此将上述公式改为：提高额定效率。改进相当于减少电机的内部损耗；提高散热系数a.这可以通过增加散热面积和介质循环速度来实现。因此，风扇(带或带附加风扇)和带冷却肋的外壳通常用于电机。使用高级绝缘材料来提高电机的最高允许温度。以上公式表明，对于相同尺寸的电机，为了提高额定功率，可采取以下措施：27，13.4电机工作系统。在电机制造过程中，电机一般分为三个工作系统：连续工作系统、短时工作系统和间歇周期工作系统。电机的工作系统与电机的额定功率密切相关。它们介绍如下：(1)连续工作系统，也称为长期工作系统，其特征是电动机的工作时间比(加热时间常数)长，而电动机的工作时间比(加热时间常数)长图13.4连续工作系统下电机的输出功率和