电机及拖动基础.doc
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1、第十四章 电力拖动系统电动机的选择内容提要 本章阐明如何为生产机械正确地选择电动机。本章第一节首先介绍电动机的发热和冷却过程;第二节至第四节分别介绍连续、短时及断续周期三种工作制电动机的选择问题,着重介绍按发热观点的平均损耗法与等效法的本质、用法以及按满足起动能力要求的短时工作制电动机的选择;第五节分析笼型异步电动机按发热观点允许小时合闸次数Z,探讨如何增加z以满足生产率的要求;第六节介绍带飞轮及冲击负载时电动机选择的有关问题;第七节介绍电力施动调速电动机功率的选择,分别介绍直流调速电动机及变频调速笼型异步电动机功率的选择;第八节介绍选择电动机功率的实用方法(统计法或类比法);第九节介绍电动机
2、电流种类、型式、额定电压与额定转速的选择方法等有关内容。 电力拖动系统电动机的选择,首要的是在各种工作制下电动机功率的选择,同时还要确定电动机的电流种类、型式、额定电压与额定转速。 正确选择电动机功率的原则,应当是在电动机能够胜任生产机械负载要求的前提下,最经济最合理地决定电动机的功率。 正确决定电动机的功率有很重要的意义。如果功率选得过大,会造成浪费。设备投资增大,而且电动机经常欠载运行,效率及交流电动机的功率因数较低,运行费用较高,极不经济;反之,如果功率选小了,电动机将过载运行,造成电动机过早地损坏。或者在保待电动机不过热的情况下,只能降低负载使用。因此,电动机不适当地选得太大或太小,都
3、将会造成资源的浪费和损失。 决定电动机功率时,要考虑电动机的发热、允许过载能力与起动能力三方面的因素,一般情况下,以发热同题最为重要。 电动机的发热,是由于在实现能量变换过程中在电动机内部产生损耗并变成热量使电动机的温度升高。在电动机中,耐热最差的是绕组的绝缘材料,不同等级的绝缘材料,其最高允许温度是不同的。电动机中常用的绝缘材料可有五种等级: (1)A级绝缘 包括经过绝缘浸溃处理的棉纱、丝、纸等,普通漆包线的绝缘漆。最高允许温度为l05 (2)E级绝缘 包括高强度漆包线的绝缘漆,环氧树脂,三醋酸纤维薄膜、聚酌薄膜及青壳纸,纤维填料塑料。最高允许温度为120 3)B级绝缘 包括由云母、玻璃纤维
4、、石棉等制成的材料,用有机材料粘合或浸渍;矿物填料塑料。最高允许温度为130 (4)F级绝缘 包括与B级绝缘相同的材料,但粘合剂及浸演漆不同。最高允许温度为l55。 (5)H级绝缘包括与“级绝缘相同的林料,但用耐温l80的硅有机树脂粘合或浸渍;硅有机橡胶;无机填料塑料。最高允许温度为180。 目前的趋势是日益广泛地使用高允许温度等级的绝缘材料,如F, H级绝缘材料。这样,可以在一定的输出功率下使电动机的重量与体积大为降低。 当电动机温度不超过所用绝缘材料的最高允许温度时,绝缘材料的寿命较长,可达20年以上;反之,如温度超过上述最高允许温度,则绝缘材料老化、变脆,缩短了电动机的寿命,严重情况下,
5、绝缘材料将碳化、变质、失去绝缘性能,从而使电动机烧坏。 由此可见,绝缘材料的最高允许温度是一台电动机带负载能力的限度,而电动机的额定功率就是代表这一限度。电动机铭牌上所标的额定功率即指如环境温度(或冷却介质温度)为4,电动机带动额定负载(指负载功率为额定值)长期连续工作,温度逐渐升高趋于稳定后,最高温度可达到绝缘材料允许的极限。 上述环境温度40是我国规定的标准(我国旧系列电动机,如J、Z系列电动机,标准的环境温度曾规定35既然电动机的额定功率是对应于环境温度为标准值40时的功率,则当环境温度低于40时,电动机可带动高于额定值的负载;反之,当环境温度高于40时,所带负载应适当降低,以保证两种情
6、况下电动机最终都不超过绝缘材料最高允许温度。 必须指出,在研究电动机发热时,常把电动机温度与周围环境温度之差称为“温升”。显然,使用不同的绝缘材料的电动机,其最高允许温升是不同的。电动机铭牌上所标的温升是指所用绝缘材料的最高允许温度与40之差,或称为额定温升。例如,国产z272直流电动机用的是E级绝缘,其最高允许温度是120C,所以其铭牌上标的温升是80。 选择电动机功率时,除考虑发热外,有时还要考虑电动机的过载能力是否足够,因为各种电动机的短时过载能力都是有限的。校验电动机的过载可按下列条件: 式中电动机的转矩允许过载倍数; 电动机在工作巾承受的最大转矩。 对于异步电动机,取决于心,其关系为
7、 =(0.80.85)式中异步电动机临界转矩与额定转矩的比值,=/;0.80.85考虑电网电压下降引起及下降的系数。 对于直流电动机,过载能力受换向所允许的最大电流值的限制。一般Z2型与Z型直流电动机,在额定磁通下、可选为=1.52对于专为起重机、轧钢机、冶金辅助机械等设计的22型和ZZY型电动机,以及同步电动机,为 =2 .53 当过载校验不能通过时,则另选过载能力较大的电动机或选功率较大的电动机,来满足过载条件的要求。 对于笼型异步电动机,有时还须进行起动能力的校验。如果该电动机的起动转矩兀.较小,在起动时低于负载转矩爪,则不能满足生产机械的要求,此时必须改选双.较大的异步电动机或选功率较
8、大的电动机。对于直流电动机与绕线转子异步电动机,则不必校验起动能力,因其起动转矩- 6t的数值是可调的。第一节电动机的发热和冷却及电动机工作制的分类一、电动机的发热过程我们首先研究电动机长时连续工作,负载不变情况下的发热过程。电动机的发热是由于工作时,在其内部产生损耗八P造成的,其值为式中 热流量(电动机单位时间内发出的热量)J/s,或W;P1及P2电动机的输人功率和轴上的输出功率(W); 电动机效率; 不变损耗,即为空载损耗,包括铁耗与机械损耗,它们仅与转速有关,而与负 载的大小无关; 可变损耗,即为铜耗,它随负载的变化而变化,与负载电流的二次方成正比。 电动机发热的具体情况较为复杂,为了研
9、究方便,我们把电动机看成是一个在任何时候各部分温度均相同的均匀整体,其热容量可用一个系数表示,电动机向周围介质散发的热量与二者的温度差(即温升)成正比关系。 为了求出表达电动机发热情况的温升变化曲线,首先应写出热量平衡的基本方程。在时问dt内,电动机所发出的热量动有两个去向,一部分Cd二被电动机吸收,使电动机的温度升高d为电动机的热容,即为使电动机温度升高1所需的热量,单位为J/K,另一部分是向周围介质散发的热量aSdt或 为电动机的散热系数,即电动机与周围介质温度相差1时,单位时间内电动机向周围介质散发的热量,单位为w/K;S为散热表面积,单位为m2 ;。为传热系数,即温升1时,每秒钟从每平
10、方米的面积上散发的热量,单位为W/(m2×K)。这样,可以写出热平衡方程式为 将Adt除式(146),整理后得令C/A=T,得基本形式的微分方程其解为下列形式:式中发热过程的起始温升。 显然,如发热过程由周围介质温度开始,即=0,则式(148)变为在图14-1上绘出两条,其中曲线2对应于=0。最终趋于稳定温升 由温升曲线可见,发热过程开始时,由于温升较小,散发到周围空气中去的热量较小,大部分热量被电动机吸收,因而温升:增长较快;其后,随着温度的升高,散发出去的热最不断加大,而电动机发出热量则由于负载不变而维持不变,电动机吸收的热量不断减少,温升曲线趋于平缓;最后,发热量与散热量相等,
11、电动机的温度不再升高,温升达到稳定值我们把称为发热时间常数T表示电动机温升变化快慢的程度,是一个表征热惯性的时间常数,由前C与A的单位可导出T的单位为s。与前反映机械惯性及电磁惯性的时间常数相比,发热时间常数是很大的,它以几十分钟甚至几小时计。T的大小与电动机构造尺寸以及散热条件有关,电动机的体积愈大,一般发热时间常数几也愈大,这是因为。热容C与电动机体积(或重量)成正比,而散热系数则与电动机的外表面积成正比。 下面讨论一下另一个参量。由式(14 -8)可见,当t=00时即发热过程终了时,温升不再升高,趋干稳定值.。此时d,由式(146)可见显然,此时电动机在时间dt内发出的热量全部向周围介质
12、散发掉,电动机不再吸收热量,其温度也自然不再升高了。因此,只要稳定温升肠控制在绝缘材料允许的最高温升、以内,电动机连续工作也不会过热。 电动机的最高稳定温升可达。式中及中,电动机在额定功率下运行时的损耗功率及热流量。电动机在运行中只要发出的热流量、或,电动机温度就不会超过允许值。在式(1412)中,如用代人,并稍加整理,得由上式可见,对同样尺寸的电动机,欲使其额定功率P、提高,可由下列三方面人手。1提高额定效率,即相当于采取措施降低电动机损耗。2)提高散热系数A,用加大空气流通速度与散热表面积可使散热加快,因此电动机中广泛采用风扇(自带风扇的自扇冷式及另外配备通风机的他扇冷式)和带散热筋的机壳
13、,在结构形式上,同样尺寸的开启式电动机,其额定功率比封闭式的大,因前者的散热条件较好,其散热系数比后者的大。3)提高绝缘材料的允许温升。,这可从采用等级较高的绝缘材料达到要求。二、电动机的冷却过程 电动机的冷却可能有两种情况。其一是负载减小,电动机损耗功率么P(或热流量必)下降时;其二是电动机自电网断开,不再工作,电动机的尸或矽变为零。 电动机冷却过程的温升曲线变化规律方程式的形式与式(148)相同,其中为冷却开始时的温升,而为由降低负载后的或巾所决定的稳定温升,显然,这一情况在图14一2上用曲线1表示。当电动机自电网断开时,式(14一8)变为 在图14-2用曲线2表示电动机脱离电源的冷却过程
14、的曲线。必须注意,电动机脱离电网时的冷却时间常数写与电动机通电时的时间常数几不同。这是因为,当电动机由电网断开后,电动机停转,在采用自扇冷式的电动机上,风扇不转,散热系数下降为A',使时间常数增大为在采用他扇冷式时,则 由图14-.可见,在电动机冷却时,发热减小或不发热,原来储存在电动机中的热量逐渐散出,使电动机温升下降。冷却开始时,电动机的温升大,散热量大,温升下降快;随着温升的不断下降,散热量愈来愈小,温升下降变得平缓,最后趋于。 三、电动机工作制的分类 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,因而也对决定电动机的功率大有影响。按电动机发热的不同情况,可分为三类
15、工作制。 1连续工作制 电动机连续工作时问很长,其温升可达稳定值。显然,工作时问,可达几小时甚至几昼夜。属于这类的生产机械有水泵、鼓风机、造纸机、机床主轴等。其简化的负载图及温升曲线如图(14-3所示。 2,短时工作制 电动机的工作时间tg较短,在此时间内温升达不到稳定值,而停车时间又相当长,电动机的温度可以降到周围介质的温度(即)属此类的生产机械有机床的辅助运动机械、某些冶金辅助机械、水闸闸门启闭机等。简化的功率负载图及温升曲线图如图144所示。 图中用虚线表示带同样大小功率的负载而且连续工作时的。由图可见,如果已把结束时的温升一设计为绝缘材料允许的最高温升,则该电动机带同样负载而连续工作时
16、,稳定温升将大大超过上述允许温升而烧坏。我国规定的短时工作的标准时间有15min、30min、60min、90min四种。3.断续周期工作制 在这种工作制中,工作时间和停歇时间轮流交替,两段时间都较短。在期间,电动机温升来不及达到稳定值,而期间,温升也来不及降到。这样经过每一周期,温升有所上升,最后温升将在某一范围内上下波动。属于这类工作制的生产机械有起重机、电梯、轧钢辅助机械(如辊道、压下装置)等。其负载图和温升曲线图如图1-5所示。图中也用虚线表示带同样大小的负载而连续工作时的温升曲线。与短时工作制相似,不可按电动机的断续周期定额作连续运行,否则电动机也会过热而烧坏。在断续周期工作制中,负
17、载工作时间与整个周期之比称为负载持续率ZC%,即我国规定的标准负载持续率有15%、25%、40%、60%四种,一个周期的总时间规定为电机厂专门设计和制造了适应不同工作制的电动机,并规定了连续、短时、断续三种定额,供不同的负载性质选配。 我国把周期工作制分为两类,上述一类称为断续周期工作制,另外还有一类为连续周期工作制,其负载图P=图14-6所示。此时电动机连续通电,负载作周期变化,每个周期由短时额定功率与短时空载功率组成。其负载持续率的定义与断续周期工作制时相似,亦为 每个周期的总时间也小于10rnin。 对于各种不同的生产机械,电动机负载图是不.同的,但就发热而言,一般都可归于连续、短时及断
18、续周期三类工作制中的一类,而连续周期工作制本质上应归于连续工作制(属负载变化时的连续工作制)。 不同工作.制下电动机功率选择的方法是不同的,在下列几节中将分别进行研究。第二节连续工作制电动机的选择 连续工作制电动机的负载可分为两类,即常值负载与变化负载(大多数情况属周期性变化负载),现分别介绍选择电动机功率的方法。 一、常值负载下电动机功率的选择在计算出负载功率后,选择额定功率,等于或略大于尸,的电动机,即 因一般电动机是按常值负载连续工作设计的,电动机设计及出厂试验保证电动机在额定功率下工作时,温升不会超过允许值,今电动机带的负载功率,发热自然没有问题,不需要进行发热校验。 电动机起动电流较
19、大,但由于起动时间较短,对电动机发热影响不大,可不予考虑。如果选用笼型异步电动机,一般还须校验其起动能力。 如果电动机周围环境温度。与标准值40相差较大,则为了充分利用电动机,其输出功率可与P不同,两者的关系可由下法计算。 设在40时,电动机的稳定温升为,热流量为,额定功率为,而在实际环境温度时,稳定温升为,热流量为,允许输出功率为P,为了在发热方面充分利用,电动机在不同的环境温度下,都应能达到绝缘材料的最高允许温度,即由上式可见以式(1417)除(1418),得由式(145),得式中 k不变损耗(空载损耗)与额定负载下可变损耗机结构与转速,一般在0.41.1的范围内变化如果电动机的磁通保持不
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