電機及拖動 復(fù)習(xí)與上課專用 第9章

本章主要教學(xué)內(nèi)容：1.電力拖動系統(tǒng)方案的選擇2.電動機的一般選擇3.電動機的發(fā)熱與溫升4.電動機的額定功率與允許溫升之間的關(guān)系5.電動機額定功率的選擇6.選擇電動機額定功率的統(tǒng)計法和類比法供電電源的選擇；電動機的選擇；電動機與生產(chǎn)機械負(fù)載配合的穩(wěn)定性；調(diào)速方案的選擇；電力拖動系統(tǒng)的啟動、制動方法，正、反轉(zhuǎn)方案的選擇；經(jīng)濟指標(biāo)，主要包括電網(wǎng)功率因數(shù)、電網(wǎng)污染等；電力拖動系統(tǒng)控制策略的選擇；系統(tǒng)可靠性。主要考慮如下內(nèi)容：9.1電力拖動系統(tǒng)方案的選擇電力拖動系統(tǒng)的供電電源可分為三大類：交流工頻電源；獨立變流機組電源；電力電子變流器電源。獨立變流機組電源在20世紀(jì)70年代就開始使用，但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，這種電源正逐步被電力電子變流器電源所代替。

9.1.1電力拖動系統(tǒng)的供電電源電動機與負(fù)載合理配合，在工作點應(yīng)滿足，若要穩(wěn)定運行：

9.1.2電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定性電動機機械特性與負(fù)載特性的配合對于直流電動機和異步電動機，對于同步電動機，例如，在左圖中，A1與A2為不穩(wěn)定工作點，A3

為穩(wěn)定工作點?；?.1.3調(diào)速方案的選擇直流電動機

(1)電樞回路串電阻調(diào)速； (2)降低電源電壓調(diào)速； (3)弱磁調(diào)速。

前兩個屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載；弱磁調(diào)速屬恒功率調(diào)速，適用于恒功率負(fù)載。9.1.3調(diào)速方案的選擇異步電動機調(diào)速方法：(1)變頻調(diào)速；(2)變極調(diào)速；(3)改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。其中，轉(zhuǎn)差率的改變可通過改變定子電壓、轉(zhuǎn)子電阻、在轉(zhuǎn)子繞組上施加轉(zhuǎn)差頻率的外加電壓等方法實現(xiàn)。基頻以下變頻調(diào)速與Y/YY變極調(diào)速屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載；基頻以上變頻調(diào)速與D/YY變極調(diào)速屬恒功率調(diào)速，適用于恒功率負(fù)載；改變定子電壓調(diào)速既非恒轉(zhuǎn)矩也非恒功率調(diào)速，轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，串級調(diào)速根據(jù)調(diào)速實現(xiàn)的方法不同，既可以是恒功率調(diào)速，也可以是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

9.1.4啟動、制動與正反轉(zhuǎn)方案的選擇——啟動(1)啟動轉(zhuǎn)矩必須大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩；(2)啟動電流要有一定限制?；\型異步電動機的啟動性能較差，容量越大，啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)越低，啟動越困難。可采用深槽轉(zhuǎn)子或雙籠轉(zhuǎn)子異步電動機，若仍不滿足要求，則應(yīng)選擇功率較大的電動機。直流電動機和繞線型異步電動機的啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩可調(diào)，僅需考慮啟動過程的快速性。同步電動機的啟動較復(fù)雜，通常僅用于功率較大的機械負(fù)載。9.1.4啟動、制動與正反轉(zhuǎn)方案的選擇——制動需考慮制動時間、制動實現(xiàn)的難易程度及經(jīng)濟性直流電動機(串勵除外)可采用反接、能耗和回饋制動。反接制動：制動轉(zhuǎn)矩大、制動劇烈、能量損耗大，且要求轉(zhuǎn)速降為零時應(yīng)及時切斷電源，才能可靠停車；能耗制動：制動過程平穩(wěn)，能夠準(zhǔn)確停車，但隨著轉(zhuǎn)速下降制動轉(zhuǎn)矩減小較快回饋制動：無需改接線路，電能回饋電網(wǎng)，只能在位能性負(fù)載下放場合或降壓降速過程中進行，且轉(zhuǎn)速不可能降為零。9.1.4啟動、制動與正反轉(zhuǎn)方案的選擇——制動交流異步電動機同樣可采用反接、能耗和回饋制動。反接制動：通過改變定子電源相序?qū)崿F(xiàn)的，相當(dāng)于直流電動機電樞回路外加電源的反接；能耗制動：需在定子繞組中通以直流，略顯復(fù)雜；回饋制動：僅發(fā)生在位能性負(fù)載下放或同步轉(zhuǎn)速能夠改變的場合，如變極、降頻降速過程。

9.1.4啟動、制動與正反轉(zhuǎn)方案的選擇——反轉(zhuǎn)拖動系統(tǒng)對反轉(zhuǎn)的要求是，不僅能夠正、反轉(zhuǎn)，而且正、反轉(zhuǎn)之間的切換應(yīng)當(dāng)平穩(wěn)、連續(xù)。一般通過回饋制動容易達到上述目的，但需具有回饋制動的條件；反接制動雖然能實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)的過渡，但切換過程較劇烈，平滑性差。直流電動機的正、反轉(zhuǎn)要比交流電動機優(yōu)越。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流電機、無刷直流電動機、開關(guān)磁阻電動機等均可實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)之間的平滑切換。9.1.4啟動、制動與正反轉(zhuǎn)方案的選擇——平穩(wěn)性和快速性電力拖動系統(tǒng)的運動方程式

啟制動與調(diào)速過程所需時間縮短啟動、制動過程時間，要求盡量大滿足拖動系統(tǒng)運行平穩(wěn)性，要求若負(fù)載慣量是變化的，則要求根據(jù)負(fù)載慣量的實際情況，選擇合適的電動機。9.1.5電力拖動系統(tǒng)的經(jīng)濟性可增加有源濾波器或在變流器內(nèi)部采用自關(guān)斷器件組成的PWM變流器等方法。若功率因數(shù)偏低，可并聯(lián)電容器或同步電動機。

電網(wǎng)功率因數(shù)節(jié)能電網(wǎng)污染合理選擇電動機容量與供電電壓、調(diào)速系統(tǒng)、多臺運行的使用臺數(shù)或變頻調(diào)速時的運行頻率。9.2電動機的一般選擇9.2.1種類選擇——電動機的主要種類9.2.1種類選擇選擇電動機種類時，主要考慮：電動機的機械特性與負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性相適應(yīng)。電動機的啟動轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩等性能均能滿足負(fù)載要求。

電動機的調(diào)速性能，調(diào)速范圍、調(diào)速平滑性、調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟性等滿足拖動系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，從結(jié)構(gòu)、價格、運行、維護、配套設(shè)備等方面考慮，盡可能降低整個拖動系統(tǒng)的能耗及綜合成本。9.2.2工作條件分析——環(huán)境條件電力拖動系統(tǒng)中的電動機對環(huán)境條件的基本要求

包括使用環(huán)境的海拔高度，空氣溫度、濕度，不存在腐蝕性化學(xué)物質(zhì)等環(huán)境條件。與規(guī)定不同時溫升限值的修正

特殊環(huán)境條件下的防護

特殊環(huán)境下，應(yīng)選用對該種環(huán)境有相應(yīng)防護措施的電動機，或設(shè)置特殊的防護裝置。

9.2.2工作條件分析——電氣條件額定電壓的選擇電動機的額定電壓、相數(shù)、額定頻率應(yīng)與供電系統(tǒng)一致電壓和頻率的允差電源電壓和頻率在一定范圍內(nèi)變化時，電動機的輸出功率仍要維持額定值。電壓及電流的波形與平衡性要求在一定范圍內(nèi)波動。9.2.3額定轉(zhuǎn)速的選擇相同功率下，轉(zhuǎn)速越高，電機尺寸越小，價格降低，一般電動機設(shè)計成高額定轉(zhuǎn)速，額定轉(zhuǎn)速不低于500r/min，最常見1500r/min額定轉(zhuǎn)速。9.2.3額定轉(zhuǎn)速的選擇對連續(xù)工作，很少啟、制動的電力拖動系統(tǒng)，主要考慮設(shè)備投資、占地面積、維護檢修等方面；對經(jīng)常啟、制動和反轉(zhuǎn)的電力拖動系統(tǒng)，要根據(jù)最小過渡過程時間、最少能量損耗等條件來確定轉(zhuǎn)速比和額定轉(zhuǎn)速；一般高、中轉(zhuǎn)速機械，可選用相應(yīng)轉(zhuǎn)速電機，直接連接；不調(diào)速低轉(zhuǎn)速機械，用適當(dāng)轉(zhuǎn)速電動機通過減速裝置傳動；需要調(diào)速的大型系統(tǒng)，可選用串級調(diào)速的異步電機，將轉(zhuǎn)差功率返回電網(wǎng)，調(diào)速范圍和調(diào)速精度要求高的系統(tǒng)可選擇可調(diào)速直流電機或變頻調(diào)速交流電機。

9.2.4結(jié)構(gòu)類型的選擇安裝方式分為臥式和立式兩種，兩種類型的電動機使用的軸承不同，立式價格稍高。

軸伸個數(shù)電動機有單軸伸與雙軸伸兩種，大多采用單軸伸。防護方式按防護方式分，電動機有開啟式、防護式、封閉式和防爆式幾種。

為拖動系統(tǒng)選擇合適電動機，要考慮：根據(jù)拖動系統(tǒng)的負(fù)載特性，預(yù)選電動機種類，要求預(yù)選電動機在機械特性方面能夠完全滿足負(fù)載的要求；正確選擇電動機的功率，使電動機在工作中能充分利用，又能通過發(fā)熱、過載和啟動能力校驗；正確選擇電動機的電流種類、電壓等級及額定轉(zhuǎn)速，所選擇電動機的結(jié)構(gòu)形式和防護措施應(yīng)適應(yīng)周圍環(huán)境條件；電機及輔助設(shè)備的經(jīng)濟性。9.3電動機的發(fā)熱與溫升9.3.1發(fā)熱過程電動機運行時功率損耗變?yōu)闊崮苌l(fā)出去，電動機溫度會隨之升高，超過周圍環(huán)境。電動機單位時間發(fā)出的熱量等于散出的熱量時，電動機保持在一個穩(wěn)定不變的溫升，處于發(fā)熱與散熱的平衡狀態(tài)。

Q——電動機單位時間產(chǎn)生的熱量；C——電動機的熱容量；

A——散熱系數(shù)；——溫升；——時間電動機吸收的熱量；——電動機單位時間散出的熱量；——起始溫升；——穩(wěn)態(tài)溫升；——發(fā)熱時間常數(shù)；熱平衡方程式為：解得發(fā)熱過程溫升曲線9.3.2冷卻過程負(fù)載運行的電動機，溫升穩(wěn)定后，若減少負(fù)載，電機損耗及單位時間產(chǎn)生的熱量都會減少，原來的熱平衡被打破，發(fā)熱少于散熱，電動機溫度會下降，即溫升降低。隨著溫升減小，單位時間散發(fā)的熱量也減少。當(dāng)重新達到時，電動機穩(wěn)定在新的溫升上。溫升下降的過程稱為冷卻過程，曲線表達式與發(fā)熱過程相同。電動機冷卻過程溫升曲線9.4電動機的額定功率與允許溫升之間的關(guān)系9.4.1允許溫升絕緣材料的耐溫限度，即允許溫度，也就是電動機的允許溫度。絕緣材料的壽命，一般也是電動機的壽命。絕緣材料或電動機的允許溫度減去標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度40℃是允許溫升，用表示，單位為K或℃。六種絕緣材料允許溫度和允許溫升（單位℃）9.4.2額定功率與允許溫升之間的關(guān)系——工作方式連續(xù)工作方式工作時間，溫升可以達到穩(wěn)定值。短時工作方式

工作時間，停歇時間。工作時溫升達不到穩(wěn)定值，停后降為零。周期性斷續(xù)工作方式電動機工作與停歇交替進行，時間都比較短，，，工作時溫升達不到穩(wěn)定值，而停歇時降不到零。每個周期內(nèi)工作時間占的比例稱為負(fù)載持續(xù)率，。9.4.2額定功率與允許溫升之間的關(guān)系——連續(xù)工作方式下電動機的額定功率取使穩(wěn)態(tài)溫升等于（或接近于）允許溫升的輸出功率P作為電動機的額定功率。連續(xù)工作方式下，

與為常數(shù)時，電動機額定功率與允許溫升成正比關(guān)系，絕緣材料的等級越高，電動機額定功率越大。連續(xù)工作方式電動機的負(fù)載與溫升9.4.2額定功率與允許溫升之間的關(guān)系——短時工作方式下電動機的額定功率規(guī)定工作時間內(nèi)，負(fù)載運行時達到的最高溫升等于或接近于允許溫升時電動機的輸出功率為額定功率。工作時間越短，額定功率越大。短時工作方式電動機的負(fù)載與溫升9.4.2額定功率與允許溫升之間的關(guān)系——周期性斷續(xù)工作方式下電動機的額定功率經(jīng)過足夠多周期后，電動機實際達到的最高溫升等于或接近于允許溫升，相應(yīng)的輸出功率為額定功率。

負(fù)載持續(xù)率FS%影響額定功率的大小，負(fù)載持續(xù)率越小，額定功率越大。周期性斷續(xù)工作方式電動機的負(fù)載與溫升9.4.2額定功率與允許溫升之間的關(guān)系——提高額定功率的方法對同樣大小的電動機，采取以下措施可提高輸出功率：設(shè)法降低電動機的損耗，提高效率；加強散熱，提高散熱系數(shù)A值；采用高一級的絕緣材料，提高其允許溫升值。9.5電動機額定功率的選擇9.5.1額定功率的選擇步驟第一步：計算負(fù)載功率，若為周期性負(fù)載，還要作出負(fù)載圖或者；第二步：根據(jù)負(fù)載功率預(yù)選電動機額定功率及其它參數(shù)；第三步：校核預(yù)選的電動機。一般先校核溫升，再校核過載能力，必要時校核啟動能力。若不能通過校核，則從第二步