电力拖动系统方案与电动机选择.ppt

第13章 电力拖动系统的方案与电动机选择,刘锦波 山东大学 控制科学与工程学院,电力拖动系统的方案选择； 电动机的选择：电动机内部的发热与冷却规律、电动机的工作制以及各种工作方式下电动机额定功率的选取。,内容简介,13.1 电力拖动系统的方案选择,电力拖动系统是由电动机、供电电源、控制设备以及生产机械组成。因此，在电力拖动系统基本方案选择时，应该重点考虑如下几个方面的问题：,电力拖动系统供电电源的考虑； 电动机的选择； 电动机与生产机械负载配合的稳定性考虑； 调速方案的选择； 电力系统的起、制动方法、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、调速方案的选择以及电网污染的考虑； 电力拖动系统控制策略的选择； 可靠性的考虑。,A、电力拖动系统供电电源的考虑,电力拖动系统的供电电源可分为三大类： 交流工频50Hz电源； 独立变流机组电源； 电力电子变流器电源。,其中，电力电子变流器电源指的是由各类电力电子器件组成的整流器（直流电源）、变频器、交流调压器（交流电源）以及各式各样的逆变器等。,B、电力拖动系统稳定性的考虑,电机与所拖动的负载只有合理配合，才能确保电力拖动系统稳定运行。借助于电动机所提供的机械特性和生产机械的负载转矩特性便可以对电力拖动系统的稳定运行情况进行判别。,图13.1给出了由各种电动机组成的电力拖动系统的机械特性与恒转矩负载特性，旨在对电力拖动系统的稳定性进行判别。,图13.1 电力拖动系统电动机机械特性与负载转矩特性的配合,C、调速方案的选择,电动机的机械特性决定了拖动系统的调速方式，而且每一种调速方式又具有不同的调速性质。电动机的调速特性应与负载的转矩特性相一致，才能使电动机的功率得到充分利用。,对于他励直流电动机，可以采用电枢回路串电阻调速、电枢调压调速以及弱磁调速。 从调速性质来看：电枢回路串电阻调速与电枢调压调速属于恒转矩调速性质，因而适应于恒转矩负载；而弱磁调速属于恒功率调速性质，因而适应于恒功率负载。,对于同步电动机，只有改变同步电动机的供电频率实现调速。为确保电动机内部磁通以及最大电磁转矩不变，一般要求在改变定子频率的同时改变定子电压。一旦供电频率超过基频以上，则保持供电电压为额定值不变。 从调速性质来看：基频以下属于恒转矩调速，适应于恒转矩负载；而基频以上则属于恒功率调速，适应于恒功率负载,对于异步电动机，可以采用变频调速、变极调速和改变转差率调速。其中，转差率的改变可以通过改变定子电压、转子电阻、在转子绕组上施加转差频率的外加电压（如双馈调速与串级调速）等方法来实现。 从调速性质来看：变频调速与变极调速属于恒转矩调速，适应于恒转矩负载；而变极调速则属于恒功率调速，适应于恒功率负载。改变转差率调速则视具体调速方式有所不同，其中，改变定子电压的调速方式既非恒转矩也非恒功率调速，而转子串电阻的调速则属于恒转矩调速，双馈调速则属于恒转矩调速。,D、起、制动和正、反转与相应方案的选择,电力拖动系统的过渡过程包括起、制动、正、反转、加减速以及负载变化等，它与系统的快速性、生产率的提高、损耗的降低、可靠性的保证等密切相关。,a、起动,电力拖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； 起动电流要有一定限制，以免影响周围设备的正常运行。,对于鼠笼式异步机，其起动性能较差。容量越大，起动转矩倍数越低，起动越困难。若普通鼠笼式异步机不能满足起动要求，则可考虑采用深槽转子或双鼠笼转子异步机。若起动能力不能满足要求，可考虑采用软起动或变频起动。,直流电动机与绕线式异步电动机的起动转矩和起动电流是可调的，仅需考虑起动过程的快速性。而同步电动机的起动和牵入同步则较为复杂，通常仅适用于功率较大的机械负载。,对于同步电动机，可以采用变频、辅助电动机或自耦调压器起动。,b、制动,制动方法的选择主要应从制动时间、制动实现的难易程度以及经济性等几个方面来考虑。 对于交、直流电动机（串励直流电动机除外），均可考虑采用反接、能耗和回馈三种制动方案。,c、反转,对拖动系统反转的要求是：不仅能够实现反转，而且正、反转之间的切换应当平稳、连续。 一般来讲，直流电动机比交流电动机优越。但随着电力电子变流器技术的发展，交流电机包括无刷直流电动机、开关磁阻电动机等均可实现正、反转之间的平滑切换。,d、平稳性与快速性,根据第3章，电力拖动系统的动力学方程式可表示为：,（13-4）,利用上式便可得到电动机起、制动或调速过程所需要的时间表达式为：,（13-5）,结论： 若希望缩短起、制动过程，应使 尽可能大。这是选择电动机的一个重要依据。,从运行的平稳性上看，则希望电动机的惯量与负载惯量相匹配，亦即电动机的惯量要超过负载的惯量，即：,（13-6）,若负载惯量是变化的（如工业机械手负载等），为确保系统平稳运行，则要求负载飞轮矩的变化量应小于电动机飞轮矩的1/5，即：,（13-7）,为了提高电动机的力矩惯量比，可选用小惯量电动机。但根据惯量匹配原则，小惯量电动机仅适应于负载惯量较小、过载能力要求不高的场合。对于象重型机床等负载惯量大、过载严重的场合，则应选择大惯量电机如力矩电动机。,E、电力拖动系统经济性指标的考虑,经济性指标主要是指一次性投资与运行费用，而运行费用则取决于耗能即效率指标。电力拖动系统的设计过程中，应考虑如下几个方面：,a、电网功率因数的改善,对于异步电动机，最大功率因数大都发生在满载附近。轻载时，为了改善功率因数，可以采用调压或变频方案，也可以考虑在供电变压器上增加并联电容，通过电容器组的投切实现无功补偿。或者采用转子直流励磁的同步电动机，并使其工作在过励状态。,b、调速节能,异步电动机的最高效率多出现在满载附近。当电动机轻载或空载运行时，可以采用变频调速或使用多台电动机协调运行，以提高交流拖动系统的运行效率。,不同的调速方式具有不同的运行效率。就直流拖动系统来讲，晶闸管变流器供电的直流调速与自关断器件的斩波器调速的效率要比电枢回路串电阻调速的效率高得多。位能性负载下降（或下坡）时采用回馈制动可以回收能量，达到节电的目的。,对于交流拖动系统，可采用的调速方案有：转子串电阻调速、调压调速、滑差电机调速、双馈电机调速（包括串级调速）、变频调速等。前三种调速方式耗能较大，后两种调速方式效率较高。,c、电网污染,解决由电力电子变流器供电电源所引起的“电网污染”问题，实现所谓的“绿色”电能的转换，可采取如下措施： 在供电变压器的二次侧额外增加有源滤波器（Active-Power-Filter，APF）； 在变流器内部采用由自关断器件组成的PWM整流器（Pulse-Width-Modulation Rectifier，PWM Rectifier）。,13.2 电动机的一般选择,电动机容量的选择应避免出现“大马拉小车”的现象，以免造成电动机的运行效率与功率因数均偏低，电动机以及传输线路的损耗增加，电能浪费严重。但 也要适当考虑设备运行的可靠性。 当然，电动机的选择不仅仅包括容量选择，而且还涉到电动机的额定电压、额定转速以及结构形式等的选择。下面分别对后者介绍如下：,A、额定电压的选择,电动机的额定电压、相数、额定频率应与供电系统一致。对于交流电动机，中、小型异步电动机的额定电压大都为220/380V(联结)及380/660V(联结)两种。当电动机功率较大时，可根据供电电源系统，选用3000、6000V和10000V的高压电动机。 对于直流电动机，其额定电压一般为110V、220V、440V以及6001000V。也可采用新改型的直流电动机，如160V(配合单相全波整流)、440V(配合三相桥式整流)等电压等级。,B、额定转速的选择,从经济角度和提高系统快速性角度看，选用高速电机比较合适。但电动机的转速越高，则势必要求传动机构的转速比增大，使传动机构复杂，相应的传动损耗也有所增加。因此，必须综合电动机和生产机械两方面的因素来选择电动机的额定转速。,C、结构形式的选择,根据安装方式的不同，电动机有立式和卧式结构之分。一般情况下电力拖动系统多采用卧式结构的电动机。 根据轴伸情况的不同，电动机有单轴伸端和双轴伸端之分。大多数情况下采用单轴伸端。 根据防护方式的不同，电动机有开启式、防护式、封闭式和防爆式之分。应该根据不同的应用场合选择不同保护方式的电动机。,13.3 电机的发热与冷却,A、电机的发热过程,电机的温升： 在负载运行过程中，由于内部的各种损耗（包括绕组铜耗、铁耗、机械耗等）电机自身会发热，其结果造成电机的温度超过环境温度（标准环境温度为 ），超出的部分称为电机的温升。,发热过程： 由于存在温升，电机便向周围的环境散热。当发出的热量等于散出的热量时，电机自身便达到一个热平衡状态。此时，温升达到稳定值。上述温度升高的过程即是电机的发热过程。,假定： （1）电机为一均匀发热体，即各点的温度相同； （2）电机向周围环境散发的热量与温升成正比。,根据发热过程中电机自身吸收的热量和向周围介质散发的热量得电机的热平衡方程式为：,（13-8）,式中，Q为电机单位时间内所产生的热量；C为热容量，它表示电机温升升高时所需的热量； 为单位时间散发的热量；A为散热系数，它表示单位时间内温升提高 时的散热量； 为温升。,式（13-8）经整理后得：,（13-9）,其中， 为发热时间常数；它表示热惯性的大小，与电机的尺寸及散热条件有关； 为温升的稳态值；,设初始条件为： ，由三要素法得方程（13-8）的解为：,(13-10),根据式（13-10）绘出电机发热过程的温升曲线如图13.2所示。,图13.2 电机发热过程的温升曲线,图13.2中，曲线1表示电机从非零初始温升开始运行时的温升曲线；曲线2则表示电机从零初始温升开始运行时的温升曲线。,B、电机的发热过程,冷却过程与发热过程类似，只不过电机的温度是一个降低过程。冷却过程仍可用式（13-10）来描述。相应的冷却过程的温升曲线如图13.3所示。,图13.3 电机冷却过程的温升曲线,图13.3中，曲线1表示负载减小时的温升曲线；曲线2则表示电机完全停车时的温升曲线。,C、电动机的额定功率与允许温升之间的关系,在电机负载运行过程中，电机内部的损耗导致电机发热，有可能损坏电机内部的绝缘材料。一般来讲，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。,按照允许温度的不同，电机常用的绝缘材料可分为A、E、B、F、H共五级。不同等级的绝缘材料所采用材料的成分有所不同，价格也差异很大。按标准环境温度为计算，上述五级绝缘材料的允许温度和温升如表13.1所示。,表13.1 电机中常用绝缘材料的最高允许温度与温升,b、电动机的额定功率与允许温升之间的关系,设电动机额定负载运行，根据上一节的假定，电动机温升的稳态值可表示为：,a、电机的允许温升,(3-11),(3-12),又,将上式代入式（13-11）得：,(3-13),为了使电动机得到充分利用，应根据电动机稳态时的温升值 等于最高允许温升 的原则来选取电动机的额定功率，于是上式变为：,上式表明：对于尺寸相同的电动机，要想提高额定功率 ,可以采用如下措施：,提高额定效率 。提高 相当于降低电动机的内部损耗; 提高散热系数A。这可通过加大散热面积和介质的流通速度来实现。故此， 一般电动机多采用风扇（自带或采用附加通风机）和带散热筋的机壳; 采用更高等级的绝缘材料，以提高电动机的最高允许温升 。,13.4 电动机的工作制,在电机制造过程中，一般将电动机分为三种工作制：连续工作制、短时工作制和断续周期工作制。电动机的工作制与电动机的额定功率密切相关。现分别介绍如下：,A、连续工作制,连续工作制又称为长期工作制，其特点是：电机的工作时间较长，一般大于 （ 的物理意义见13.3.1节），工作过程中温升可以达到稳态值。,图13.4给出了连续工作制下电动机的输出功率与温升随时间的变化曲线。,图13.4 连续工作制下电动机的输出功率与温升曲线,B、短时工作制,短时工作制的特点是：电机的工作时间 较短，一般小于 ，工作过程中温升达不到稳定值，而停歇时间又较长，停歇后温升降为零。 短时工作制电动机铭牌上的额定功率是按30min、60min、90min三种标准时间规定的。,图13.5 短时工作制下电动机的输出功率与温升曲线,图13.5给出了短时工作制下电动机的输出功率与温升随时间的变化曲线。,C、断续周期性工作制,断续周期性工作制又称为重复短时工作制，其特点是：电动机工作与停歇交替进行，两者持续的时间都比较短，其工作时间 和停歇时间 均小于 。工作过程中温升达不到稳定值，停歇时温升降不到零。 按国家标准规定，断续周期性工作制下，电动机工作与停歇周期 应小于10min。,负载持续率： 断续周期性工作制下，电动机每个周期内的工作时间与整个周期之比定义为负载持续率ZC%，即：,(13-14),断续周期性工作制电动机共有四种标准的负载持续率：15%、25%、40%和60%。,图13.6给出了断续周期性工作制下电动机的输出功率与温升随时间的变化曲线。,图13.6 断续周期性工作制下电动机的输出功率与温升曲线,13.5 电动机的额定功率的选择,电动机额定功率选择的一般方法： 首先应根据生产机械的运行特点以及静态负载功率的大小预先确定。然后，再进行如下校验： （1）发热校验 （2）过载能力校验 （3）起动能力校验 （4）电动机飞轮矩校验,A、几种常用生产机械负载功率的计算,a、离心式水泵,对于离心式水泵，其折合到电动机转子轴上的负载功率可按下式计算：,（kW),(13-15),式中，Q 为泵的流量（单位： ）；H 为水的扬程（单位：m）； 为水的密度（单位： ）； 为水泵的效率； 为传动机构的效率。,b、离心式风机,与离心式水泵相似，离心式风机折合到电动机转子轴上的负载功率为：,（kW),(13-16),式中，Q 为泵的送风量（单位： ）；H 为空气压力（单位：Pa）； 为水泵的效率； 为传动机构的效率。,c、起重机,对于起重机负载，其折合到电动机转子轴上的负载功率可按下式计算：,（kW),式中， 为所提升重物的重量（单位： ）；v为提升速度（单位： ）；,d、机床,对于主轴电机，其负载功率可按下式计算：,（13-17）,（13-18）,对于进给电动机，其负载功率为：,（13-19）,式中， 为进给运动的总阻力（单位： ）； 为最大进给速度（单位： ）；,对于辅助传动电动机，其负载功率和负载起动转矩分别为：,（13-20）,（13-21）,其中，G 为移动件的重量；v 为移动速度； 、 分别为动、静摩擦系数；,B、电动机发热的校验,a、连续工作制负载下电动机发热的校验,分如下两种情况进行讨论：,1. 对于连续恒定性负载,首先利用负载转矩和转速计算出所需负载功率，然后再按下式选择电动机的额定功率：,（13-22）,式中， 为折算至电机轴上的负载转矩。,只要式（13-22）满足，则电动机工作时的温升就不会超过最大容许温升，而发热则不需再进行校核。,2. 对于连续周期性负载,可先按下式计算一个周期内的平均负载功率：,（13-23）,式中， 为第i段的负载功率； 为各段持续的时间；负载的周期 。 然后按下式预选电动机的额定功率：,（13-24）,最后再按照平均损耗法和等效法校验电动机的发热。其中，等效法又包括等效电流法、等效转矩法和等效功率法。现介绍如下：,1. 平均损耗法,具体方法： 首先将功率变化曲线 （又称功率负载图）变为损耗曲线 。其中，损耗曲线中各段的损耗功率 与负载功率 之间的关系可由下式给出：,(13-25),式中，各段负载功率 对应的效率 可由电动机的效率曲线查得。,然后，通过损耗曲线 按下式计算负载变化下的平均损耗：,(13-26),最后，检验平均损耗 是否满足下列条件： 。其中，额定负载时的损耗 的计算公式由式（13-12）给出。若上述条件满足，则发热校验通过。否则，需重新预选功率较大的电动机，再进行发热校验。,典型连续周期性变化负载的损耗曲线和温升曲线示意图如图13.7所示。,图13.7 典型连续周期性变化负载的损耗曲线和温升曲线,2. 等效法,等效电流法,具体方法： 首先根据负载电流的变化曲线 ，按下式求出单个循环周期 内的等效电流 （有效值）：,(13-29),然后，检验等效电流 是否满足条件：,若条件满足，则发热校验通过。,式（13-29）仅适用于负载电流在各时间段内按矩形规律变化的情况，如图13.8a所示。,图13.8 周期性变化负载下电动机的负载电流或转矩曲线,若负载电流是按三角形或梯形变化（见图13.8b），则应将各时间间隔内的电流换算为有效值后，再利用式（13-29）计算等效电流 。,例如对图13.8b，其对应时间 段内三角形电流的有效值为：,同样，可求得对应时间 段内梯形电流的有效值为：,其它各段电流的有效值均可按上述方法求得。,等效转矩法,在电动机运行过程中，若电磁转矩与电流成正比（如直流电机的励磁磁通不变、异步机的磁通与 近似不变），则等效电流的计算公式（13-29）可直接转变为等效负载转矩的计算公式：,(13-31),若满足： ，则发热校验通过。,等效转矩法仅适用于恒定磁通场合，若希望在弱磁升速范围内也能够使用等效转矩法，则需按下式修正：,(13-32),这里， 。,等效功率法,在电动机运行过程中，若转速基本不变，则式（13-31）可以转变为等效负载功率的计算公式：,(13-33),若满足： ，则发热校验通过。,3. 考虑起、制动及停歇过程时发热校验公式的修正,对电力拖动系统，若选用他扇冷却式电动机，则其冷却风扇的转速不会受起、制动和停歇过程 的影响。但若选用自扇冷却式电动机，则冷却风扇的转速会受到起、制动和停歇过程的影响，最终可能导致散热条件恶化，稳态温升提高。为此，在采用平均损耗法、等效电流法、等效转矩法以及等效功率法进行计算时，应在对应于起动、制动时间上乘以一散热恶化系数 ，在停歇时间上乘以散热恶化系数 。具体方法如下：,对于直流电动机，一般取 ， ；对于异步电动机，一般取 ， 。,如对于图13.9所示的负载电流，其修正后的等效电流可按下式计算：,图13.9 包括起、制动和停歇时间的负载电流图,（13-34）,b、短时工作制负载下电动机发热的校验,短时工作制的负载可以选用连续工作制的电动机，也可以选用短时工作制的电动机。现介绍如下：,1. 选择连续工作制电动机,短时工作制负载选择连续工作制电动机时，首先需将短时工作制下的负载功率折算到连续工作制，然后再预选电动机的额定功率。折算可按下式进行：,（13-35）,式中， 为电动机的发热时间常数； 为短时工作时间； 为折算到连续工作制下的负载功率。,短时工作制时的功率变化曲线与温升曲线如图13.10所示。,图13.10 短时工作制时的功率变化曲线与温升曲线,将短时工作制的负载功率折算至连续工作制，然后预选电动机的额定功率，其后也不需要进行温升校核。但考虑到电动机的额定功率要比实际（折算前的）负载功率低，因此一定要对电动机的过载能力和起动能力进行校核。,2. 选择短时工作制电动机,短时工作制电动机有三种：30min、60min、90min。若短时工作方式负载的工作时间 与标准时间相同，则选择电动机额定功率时只需确保 即可，不必再校核发热。,若负载的实际工作时间与标准时间不同，则应先将负载的功率折算至最接近的标准时间 ，然后再选择电动机。其折算可按式（13-39）进行，发热也不必再校核。,（13-3