電機(jī)與電力拖動(dòng)課件-第7章

第7章電力拖動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的選擇7.1電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱、冷卻及電動(dòng)機(jī)的工作制分類7.2電動(dòng)機(jī)功率的選擇7.3電動(dòng)機(jī)的類型、額定電壓和額定轉(zhuǎn)速的選擇

電力拖動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的選擇,首先是在各種工作制下電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇,其次還要確定電動(dòng)機(jī)的類型、外部結(jié)構(gòu)形式、額定電壓與額定轉(zhuǎn)速等。

選擇電動(dòng)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。

7.1電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱、冷卻及電動(dòng)機(jī)的工作制分類

7.1.1電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱過(guò)程

1.電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱過(guò)程

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí),內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生銅損耗和鐵損耗,這些損耗在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)化為熱能。隨著熱量的不斷產(chǎn)生,電動(dòng)機(jī)本身溫度升高,當(dāng)升高至超過(guò)周?chē)h(huán)境溫度時(shí),就產(chǎn)生溫度差,電動(dòng)機(jī)就要向周?chē)帷Ｎ覀儗㈦妱?dòng)機(jī)本身溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度的差值稱為溫升,用τ表示。

研究實(shí)際電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱情況時(shí),為了簡(jiǎn)化分析,可假設(shè):

(1)電動(dòng)機(jī)在恒定負(fù)載下運(yùn)行,總損耗不變。

(2)電動(dòng)機(jī)是一個(gè)均勻物體,各點(diǎn)溫度一樣,且各部分表面散熱系數(shù)相同。

(3)電動(dòng)機(jī)散發(fā)到周?chē)橘|(zhì)中去的熱量與電動(dòng)機(jī)溫升成正比。

(4)周?chē)h(huán)境溫度不變。

根據(jù)能量守恒定律,任何時(shí)間內(nèi),電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的總熱量等于電動(dòng)機(jī)本身溫度升高需要的熱量和散發(fā)到周?chē)橘|(zhì)中去的熱量之和,則電動(dòng)機(jī)的熱平衡方程式為

式中,Q為電動(dòng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量(J/s);C為電動(dòng)機(jī)溫度每升高1度所需的熱量,稱為熱容量(J/℃);dτ為電動(dòng)機(jī)溫度升高增量(℃);A為電動(dòng)機(jī)溫度高出環(huán)境溫度1度時(shí),單位時(shí)間內(nèi)向周?chē)橘|(zhì)散發(fā)出去的熱量,稱為散熱系數(shù)(J/℃·s)。

將式(7-1)整理改寫(xiě)為

令C/A=T為發(fā)熱時(shí)間常數(shù),Q/A=τw為發(fā)熱過(guò)程穩(wěn)態(tài)溫升,則熱平衡方程式可寫(xiě)成

圖7-1電動(dòng)機(jī)發(fā)熱過(guò)程曲線

2.電動(dòng)機(jī)的絕緣等級(jí)

電動(dòng)機(jī)在負(fù)載運(yùn)行時(shí),其內(nèi)部總損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苁闺妱?dòng)機(jī)溫度升高。

絕緣材料的允許溫度就是電動(dòng)機(jī)的允許溫度;絕緣材料的壽命就是電動(dòng)機(jī)的壽命。為使電動(dòng)機(jī)能達(dá)到正常的使用年限,規(guī)定了電動(dòng)機(jī)的各種絕緣材料的絕緣等級(jí),如表7-1所示。

7.1.2電動(dòng)機(jī)的冷卻過(guò)程

電動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定溫升τw后,如果減小它的負(fù)載或停止運(yùn)行,則電動(dòng)機(jī)內(nèi)損耗∑p及Q將隨之減少或不再繼續(xù)產(chǎn)生。這樣,就使發(fā)熱量少于散熱量,破壞了熱平衡狀態(tài),電動(dòng)機(jī)溫升下降,直至達(dá)到新的穩(wěn)定溫升。這個(gè)溫升下降的過(guò)程稱為電動(dòng)機(jī)的冷卻過(guò)程。

1.電動(dòng)機(jī)負(fù)載減小

當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的負(fù)載減小時(shí),其損耗減小,單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量減少為Q',相應(yīng)的穩(wěn)定溫升降低到τ'w,而起始溫升則為原來(lái)的穩(wěn)定溫升τw。設(shè)散熱系數(shù)A不變,此時(shí)的溫升公式為

式中,τ'w為負(fù)載減小后電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定溫升;T'為電動(dòng)機(jī)的冷卻時(shí)間常數(shù)。

在負(fù)載減小時(shí),電動(dòng)機(jī)的冷卻時(shí)間常數(shù)T'和發(fā)熱時(shí)間T相等。冷卻過(guò)程的溫升曲線如圖7-2中曲線1所示。圖7-2電動(dòng)機(jī)冷卻過(guò)程曲線

2.斷電停車(chē)

電動(dòng)機(jī)脫離電源后,電動(dòng)機(jī)的損耗為零,不再產(chǎn)生熱量,其溫升逐漸下降,直到電動(dòng)機(jī)本身的溫度與周?chē)橘|(zhì)溫度相同為止。因此,穩(wěn)定溫升τ'w=0,有

此時(shí),冷卻過(guò)程的溫升曲線如圖7-2中曲線2所示。

7.1.3電動(dòng)機(jī)的工作制分類

1.連續(xù)工作制(S1)

連續(xù)工作制是指電動(dòng)機(jī)在恒定負(fù)載下持續(xù)運(yùn)行,其工作時(shí)間足以使電動(dòng)機(jī)的溫升達(dá)到穩(wěn)定溫升τw。

連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)的典型負(fù)載圖與溫升曲線如圖7-3所示。圖7-3連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)的典型負(fù)載圖與溫升曲線

2.短時(shí)工作制(S2)

短時(shí)工作制下運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī),工作時(shí)間tg較短,在工作時(shí)間內(nèi),電動(dòng)機(jī)的溫升達(dá)不到穩(wěn)定溫升τw;停歇時(shí)間t0相當(dāng)長(zhǎng),在工作停歇內(nèi),電動(dòng)機(jī)的溫升可以降到零,其溫度和周?chē)橘|(zhì)溫度相同。

短時(shí)工作制電動(dòng)機(jī)的負(fù)載圖與溫升曲線如圖7-4所示。圖7-4短時(shí)工作制電動(dòng)機(jī)的負(fù)載圖與溫升曲線

3.斷續(xù)周期工作制(S3)

電動(dòng)機(jī)按一系列相同的工作周期運(yùn)行,工作時(shí)間tg和停歇時(shí)間t0相互交替,兩段時(shí)間都較短。在工作時(shí)間內(nèi),電動(dòng)機(jī)不能達(dá)到穩(wěn)定溫升,停歇時(shí)間內(nèi)電動(dòng)機(jī)溫升未下降到零,下一工作周期已開(kāi)始。每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期,溫升有所上升,經(jīng)過(guò)若干周期后,電動(dòng)機(jī)的溫升在最高溫升和最低溫升之間波動(dòng),達(dá)到周期性變化的穩(wěn)定狀態(tài)。其最高溫升仍低于拖動(dòng)同樣負(fù)載連續(xù)運(yùn)行的穩(wěn)定溫升τw。其負(fù)載圖與溫升曲線如圖7-5所示。圖7-5斷續(xù)周期工作制電動(dòng)機(jī)的負(fù)載圖與溫升曲線

每個(gè)工作周期內(nèi)工作時(shí)間占的百分?jǐn)?shù)叫作負(fù)載持續(xù)率(又稱暫載率),用FS表示,即

7.2電動(dòng)機(jī)功率的選擇

1.恒定負(fù)載連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)額定功率選擇恒定負(fù)載是指在長(zhǎng)期運(yùn)行中,負(fù)載大小恒定不變或基本恒定不變的負(fù)載,如水泵、風(fēng)機(jī)、大型機(jī)床主軸等。在選擇連續(xù)恒定負(fù)載的電動(dòng)機(jī)時(shí),只要計(jì)算出負(fù)載所需功率PL,選擇一臺(tái)額定功率PN略大于PL的連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)即可,不必進(jìn)行發(fā)熱校核。

2.周期性變化負(fù)載連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)額定功率選擇

周期性變化負(fù)載連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇步驟:

(1)計(jì)算出生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載圖;

(2)在此基礎(chǔ)上預(yù)選電動(dòng)機(jī)并作出電動(dòng)機(jī)的負(fù)載圖,確定電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱情況;

(3)進(jìn)行發(fā)熱、過(guò)載及起動(dòng)校驗(yàn)。

如圖7-6所示為一個(gè)周期的周期性變化負(fù)載下連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)的負(fù)載圖。圖7-6周期性變化負(fù)載下連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)的負(fù)載圖

(1)等效電流法。

等效電流法的基本原理是用一個(gè)不變的等效電流Ieq來(lái)代替實(shí)際變動(dòng)的負(fù)載電流IL,在同一周期內(nèi),等效電流Ieq與負(fù)載電流IL產(chǎn)生的熱量相等。假定電動(dòng)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(duì)應(yīng)負(fù)載電流為In的工作時(shí)間。

(2)等效轉(zhuǎn)矩法。

如果電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí),其轉(zhuǎn)矩與電流成正比(如他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁保持不變、異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和氣隙磁通保持不變時(shí)),則式(7-7)可改寫(xiě)成等效轉(zhuǎn)矩公式:

(3)等效功率法。

如果電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí),其轉(zhuǎn)速保持不變,則功率與轉(zhuǎn)矩成正比,由式(7-8)可得等效功率為

7.2.2短時(shí)工作制電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇

1.選用短時(shí)工作制電動(dòng)機(jī)

我國(guó)電機(jī)制造行業(yè)專門(mén)設(shè)計(jì)制造了一種專供短時(shí)工作制使用的電動(dòng)機(jī),其工作時(shí)間分為15min、30min、60min、90min四種,每一種又有不同的功率和轉(zhuǎn)速。因此,可以按生

產(chǎn)機(jī)械的功率、工作時(shí)間及轉(zhuǎn)速的要求,從產(chǎn)品目錄中直接選用不同規(guī)格的電動(dòng)機(jī)。

如果在一個(gè)周期內(nèi),負(fù)載的變化包括起動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng)和停歇等過(guò)程,其實(shí)際溫升還要高一些,因此一般應(yīng)把等效電流或功率等參數(shù)選得大一些。為此,可在式(7-7)、式(7-8)和式(7-9)的分母中對(duì)應(yīng)起動(dòng)和制動(dòng)的時(shí)間值上乘以一個(gè)系數(shù)α,在對(duì)應(yīng)停歇的時(shí)間值上乘以一個(gè)系數(shù)β,則有:

【例7-1】一臺(tái)自扇冷式他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī),PN=7.5kW,nN=1500r/min,λm=2,電機(jī)磁通Φm保持不變,一個(gè)周期的轉(zhuǎn)矩負(fù)載圖如圖7-7所示,試校驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱是否通過(guò)?圖7-7-他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩負(fù)載圖

2.選用連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)

短時(shí)工作的生產(chǎn)機(jī)械,也可選用連續(xù)工作制的電動(dòng)機(jī)。這時(shí),從發(fā)熱的觀點(diǎn)上看,電動(dòng)機(jī)的輸出功率可以提高。為了充分利用電動(dòng)機(jī),選擇電動(dòng)機(jī)額定功率的原則應(yīng)是在短時(shí)工作時(shí)間tg內(nèi)達(dá)到的溫升恰好等于電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行并輸出額定功率時(shí)的穩(wěn)定溫升,即電動(dòng)機(jī)絕緣材料允許的最高溫升。由此可得:

式中,對(duì)于直流電機(jī)a=1.0~1.5,對(duì)于異步電機(jī)a=0.5~0.7。在一個(gè)工作周期tz內(nèi),當(dāng)工作時(shí)間tg<(0.3~0.4)tz時(shí),可取

式中,λm為過(guò)載能力。

3.選用斷續(xù)周期工作制電動(dòng)機(jī)

專用的斷續(xù)周期工作制電動(dòng)機(jī)具有較大的過(guò)載能力,可以用來(lái)拖動(dòng)短時(shí)工作制負(fù)載。負(fù)載持續(xù)率FS與短時(shí)負(fù)載的工作時(shí)間tg之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表7-2所示。

7.2.3斷續(xù)周期工作制電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇

斷續(xù)周期工作制的電動(dòng)機(jī),其額定功率是與銘牌上標(biāo)出的負(fù)載持續(xù)率相應(yīng)的。如果負(fù)載圖中的實(shí)際負(fù)載持續(xù)率FSx與標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載持續(xù)率FSN(15%,25%,40%,60%)相同,且負(fù)載恒定,則可直接按產(chǎn)品樣本選擇合適的電動(dòng)機(jī)。當(dāng)FSx與FSN不同時(shí),就需要把FSx下的實(shí)際功率Px換算成FSN下的功率P,換算公式如下:

選擇電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)不小于P。

【例7-2】題如【例7-1】,試校驗(yàn)該電動(dòng)機(jī)過(guò)載是否通過(guò)。

7.3電動(dòng)機(jī)的類型、額定電壓和額定轉(zhuǎn)速的選擇

7.3.1電動(dòng)機(jī)類型的選擇選擇電動(dòng)機(jī)類型的原則是在滿足生產(chǎn)機(jī)械技術(shù)性能的前提下,優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、價(jià)格便宜、維修方便、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)的電動(dòng)機(jī)。從這個(gè)意義上看,交流電動(dòng)機(jī)優(yōu)于直流電動(dòng)機(jī),異步電動(dòng)機(jī)優(yōu)于同步電動(dòng)機(jī),籠型異步電動(dòng)機(jī)優(yōu)于繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。

對(duì)于功率較大而又不需調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械,如大功率水泵、空壓機(jī)等,為了提高電網(wǎng)的功率因數(shù),可選用同步電動(dòng)機(jī)。

調(diào)速范圍要求不大,并可由機(jī)械變速箱配合的生產(chǎn)機(jī)械,如普通機(jī)床、鍋爐引風(fēng)機(jī)等,可選用多速籠型異步電動(dòng)機(jī)。

調(diào)速范圍要求較大,且需要平滑調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械,如軋鋼機(jī)、龍門(mén)刨床、大型精密機(jī)床、造紙機(jī)等,應(yīng)選用他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)或采用變頻調(diào)速的籠型異步電動(dòng)機(jī)。

7.3.2電動(dòng)機(jī)額定電壓的選擇

交流電動(dòng)機(jī)額定電壓的選擇主要按使用場(chǎng)所的供電電壓等級(jí)選擇。一般低壓電網(wǎng)為380V,因此中小型三相異步電動(dòng)機(jī)的額定電壓大多為380V(Y或△連接),220/380V(△/Y連接)和380/660V(△/Y連接)。單相異步電動(dòng)機(jī)的額定電壓多采用220V,礦山及鋼鐵企業(yè)的大型設(shè)備用大功率電動(dòng)機(jī),可采用高壓電動(dòng)機(jī),這樣既減小了電動(dòng)機(jī)的體積,又節(jié)約了銅線的用量。

7.3.3電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的選擇

電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的要求來(lái)選擇的。在一定功率時(shí),電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速越高,其體積越小,重量越輕,價(jià)格越低,運(yùn)行的效率越高,電動(dòng)機(jī)的飛輪矩越小,因此選用高速電動(dòng)機(jī)較經(jīng)濟(jì)。但是,若生產(chǎn)機(jī)械要求的轉(zhuǎn)速低,如果選擇高速電動(dòng)機(jī),則會(huì)使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜。因此必須綜合考慮電動(dòng)機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械兩方面的因素。

選擇電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速,一般可分下列情況討論。

(1)電動(dòng)機(jī)很少起、制動(dòng)或反轉(zhuǎn)。

(2)電動(dòng)機(jī)經(jīng)常起、制動(dòng)及反轉(zhuǎn),但過(guò)渡過(guò)程的持續(xù)時(shí)間對(duì)生產(chǎn)率影響不大,如高爐的裝料機(jī)械的工作情況即屬此類。

(3)電動(dòng)機(jī)經(jīng)常起、制動(dòng)及反轉(zhuǎn),過(guò)渡過(guò)程的持續(xù)時(shí)間對(duì)生產(chǎn)率影響較大。屬于這類情況的有龍門(mén)刨工作臺(tái)的主拖動(dòng)。

小結(jié)

電動(dòng)機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換的裝置,在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中必然有損耗,并轉(zhuǎn)化為熱能。其中一部分損耗被電機(jī)吸收提高了電機(jī)本身的溫度,另一部分散到周?chē)橘|(zhì)中去。根據(jù)能量守恒定律,電動(dòng)機(jī)的熱平衡方程為

從熱平衡方程可推導(dǎo)出電機(jī)在發(fā)熱和冷卻過(guò)程中,電動(dòng)機(jī)溫升τ隨時(shí)間t變化的方程τ=f(t)