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第十四章 电力拖动系统电动机的选择第十四章 电力拖动系统电动机的选择 电力拖动系统电动机的选择， 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。 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。 决定电动机功率时，要考虑电动机的发热， 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，以发热问题最为重要。 力三方面的因素，一般情况下，以发热问题最为重要。 温升：电动机温度与周围环境温度之差。 温升：电动机温度与周围环境温度之差。 在电机当中，耐热性能最差的是绝缘材料， 在电机当中，耐热性能最差的是绝缘材料，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，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 额定温升。 绝缘材料的最高允许温度与40之差，或称为额定温升。 选择电动机功率时，除考虑发热外， 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。 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： 的过载可按下列条件： Tmax KNTN 对于笼型异步电动机，有时还须进行起动能力的校验。 对于笼型异步电动机，有时还须进行起动能力的校验。 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 电动机的发热是由于工作时，在其内部产生损耗 P 造成的 ，其值为 电动机的发热是由于工作时， = P = P P = P (1/) 1) 1 2 2 = P = P(1) 1 = P = p0 + pCu 式中， 为热流量（电动机单位时间内发出的热量） 式中， 为热流量（电动机单位时间内发出的热量） 热平衡方程 将电机看成一个热分布均匀的整体， 将电机看成一个热分布均匀的整体，其产生的热量正比于电机的温 即内外温差；这些热量一部分留在电机当中， 升，即内外温差；这些热量一部分留在电机当中，使电机温升进一步升 一部分散发到周围介质空间里： 高，一部分散发到周围介质空间里： dt = Cd + Adt 将方程 dt = Cd + Adt左右各除以 Adt ，得 + C d = A dt A d = W dt 令 C A = T , A = W ，得基本形式的微分方程 其解为下列形式： 其解为下列形式： +T 式中， Q 发热过程的起始温升。 发热过程的起始温升 发热过程的起始温升。 式中， 电动机的最高稳定温升可达 P m = N = N A A 电动机在额定功率下运行时 P 及N电动机在额定功率下运行时 N 的损耗功率及热流量。 的损耗功率及热流量。 W 稳定温升，达到此温升时电机的 稳定温升 稳定温升， 发热量与散热量相等； 发热量与散热量相等； 发热时间常数 发热时间常数， T 发热时间常数，表征电机的温升变化 快慢。 快慢。 = W (1 et /T ) +Qet /T 电动机发热过 程的温升曲线 当电机的温升达到 m 后，电机的温度将不再上升。即绝缘材料的 电机的温度将不再上升。 以内，就可以保证电机不会过热。 允许温升在 m 以内，就可以保证电机不会过热。 进一步，由 m = 进一步， 电动机在运行中只要电动机发出的热流量 N或P PN ，电动 机温度就不会超过允许值。 机温度就不会超过允许值。 根据 N P = N A A 可见： 可见： = P = P (1) 1 A P = m N N P N 1N m = = N A A 对同样尺寸的电动机，欲使其额定功率提高，可由下列三方面入手： 对同样尺寸的电动机，欲使其额定功率提高，可由下列三方面入手： 1、提高额定效率 N 2、提高散热系数A 提高散热系数A 3、提高绝缘材料的允许温升 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， 电动机的冷却可能有两种情况。其一是负载减小，电动机损耗功率 下降时；其二是电动机自电网断开，不再工作，电动机的 变为零。 P下降时；其二是电动机自电网断开，不再工作，电动机的P变为零。 电动机冷却 过程的曲线 电动机负载减小 电动机自电网断开 三、电动机工作制的分类 （一）连续工作制 电动机连续工作时间很长， 电动机连续工作时间很长， 其温升可达稳定值。 其温升可达稳定值。 连续工作制的曲线 （二）短时工作制 电动机的工作时间较短， 电动机的工作时间较短，在此 时间内温升达不到稳定值， 时间内温升达不到稳定值，而停车时间 又相当长， 又相当长，电动机的温度可以降到周围 介质的温度， 介质的温度， 短时工作制的曲线 （三）断续周期工作制 在断续周期工作制中，负载工作 在断续周期工作制中， 时间与整个周期之比称为负载持 续率ZC。 续率ZC。 ZC% = tg tg + t0 100% 连续周期工作制 的功率负载图 断续周期工作制的P=f（ 断续周期工作制的P=f（t）和=f（t）曲线 =f（ 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分为常值负载 变化负载两类。 连续工作制电动机的负载分为常值负载和变化负载两类。 常值负载和 两类 一、常值负载下电动机功率的选择 在计算出负载功率 P 后，选择额定功率应等于或略大于 P ，即 Z Z P P N Z 如果电机的环境温度 如果电机的环境温度0与40 相差很大，在保证绝缘材料最高允 相差很大， 许温度的条件下，为了充分利用电机， 许温度的条件下，为了充分利用电机，其输出功率可以与 P 不同。 N不同。 估算公式为： 估算公式为： m 0 m 40 C 可见， 可见，0 40 C 时 P P ； 0 P 。 N N P=P N (k +1) k 在周围环境温度不同时，电动机功率可粗略地相应增减。环境温度 在周围环境温度不同时，电动机功率可粗略地相应增减。 低于30 一般电动机功率也只增加8 低于30时，一般电动机功率也只增加8。 环境温度 电动机功率增减的百分数 30 30 8 35 35 5 40 40 0 45 45 5 50 50 12.5 12.5 55 55 25 25 二、变化负载下电动机功率的选择 在变化负载下所使用的电动机，一般是为常值负载工作而设计的。因此， 在变化负载下所使用的电动机，一般是为常值负载工作而设计的。因此， 这种电动机用于变化负载下的发热情况，必须进行校验。所谓发热校验， 这种电动机用于变化负载下的发热情况，必须进行校验。所谓发热校验，就 是看电动机在整个运行过程中所达到的最高温升是否接近并低于允许温升， 是看电动机在整个运行过程中所达到的最高温升是否接近并低于允许温升， 因为只有这样，电动机的绝缘材料才能充分利用而又不致过热。 因为只有这样，电动机的绝缘材料才能充分利用而又不致过热。 变化负载下电动机功率选择的一般步骤如下： 变化负载下电动机功率选择的一般步骤如下： 1、计算并绘制生产机械负载图P = f (t) 或 TZ = f (t) 。 Z 2、预选电动机的功率。 预选电动机的功率。 Pt P 1t1 + P 2t2 + Zi i Z 负载平均功率 P = Z = 1n Zd t1 + t2 + ti T t + T t + = 平均转矩 TZd = Z1 1 Z 2 2 t1 + t2 + 1 n T t 1 n Zi i t 1 n i 在过渡过程中，可变损耗与电流平方成正比，电动机发热较为严重， 在过渡过程中，可变损耗与电流平方成正比，电动机发热较为严重，电动 机额定功率按下式预选 3、作出电动机的负载图 ，作图时已考虑了电动机的稳定运转及过渡过程 等工作情况。 等工作情况。 4、进行发热、过载能力及必要时的起动能力校验。 进行发热、过载能力及必要时的起动能力校验。 TZd nN P (1.1 1.6)P , P (1.1 1.6) N Zd N 9550 校验发热的方法 一、平均损耗法 用于变化周期短，发热时间常数较大时，稳定后温升曲线波动不大。 用于变化周期短，发热时间常数较大时，稳定后温升曲线波动不大。可用 平均温升 d 代替最大温升 m 。 对热量平衡方程两边积分： 对热量平衡方程两边积分： tZ 0 dt = Pdt = Cd + Ad tZ tZ tZ d = tz 0 dt 0 tz i i = tz 0 0 0 Pdt / tz A = P d d = A A 变化负载下的平均损耗为 P = d Pt 1 n t 1 n i 如果， P P 则预选电机的功率是合适的。 如果， d N 则预选电机的功率是合适的。 二、等效法 1、等效电流法 2 变化负载下第i 式中C 变化负载下第i 级负载的损耗为P = p0 + pCu = p0 + CIi （式中C为常数 ） i p 其中， 为不变损耗， 为可变损耗，随负载电流而变化。 其中， p0为不变损耗， Cu为可变损耗，随负载电流而变化。 平均损耗中的可变损耗 P 所对应的电流称为等效电流 I dx d 2 p0 + CIdx = ( p 1 n 0 + CI )ti 2 i i t 1 n = p0 + CI t n 2 i i t 1 1 n I dx = I 1 n 1 n 2 i i t i t i 等效电流法，就是按照损耗相等的原则， 等效电流法，就是按照损耗相等的原则，求出一个等效的不变的电 对于交流异步电动机， 流 I dx来代替变化的负载电流 I = f (t)（对于交流异步电动机，应为定子 电流），如果预选电动机的额定电流满足下列条件： ），如果预选电动机的额定电流满足下列条件 电流），如果预选电动机的额定电流满足下列条件： I N I dx 则发热校验通过。 则发热校验通过。 2、等效转矩法 有时已知的不是负载电流图，而是转矩图 ，可以用等效转矩Tdx 代 有时已知的不是负载电流图， 替等效电流 ，写成转矩形式： Ti2ti I dx 写成转矩形式： n Tdx = 1 t 1 n i T 如果预选电动机的额定转矩TN Tdx ，则发热校验通过。 N 可由预选电动 则发热校验通过。 机的额定功率及额定转速算出， T 机的额定功率及额定转速算出，即 = 9550 P N N nN 3、等效功率法 等效功率法是当转速基本不变时由等效转矩法引出来的。 等效功率法是当转速基本不变时由等效转矩法引出来的。 P = dx Pt 1 n i i t 1 n i 如 P P ，则电动机的发热校验即告通过。同样，必须进行功率 则电动机的发热校验即告通过。同样， N dx 过载能力的校验。 过载能力的校验。 三、有起动、制动及停歇过程时校验发热公式的修正 有起动、 自扇冷式电机在起停过程中，由于转速较小带来的散热条件变坏， 自扇冷式电机在起停过程中，由于转速较小带来的散热条件变坏， 导致温升实际升高。这样需要修正平均损耗或等效电流、功率、 导致温升实际升高。这样需要修正平均损耗或等效电流、功率、转矩提 高一定比例来反映这种变化， 高一定比例来反映这种变化，一般在等效公式分母对应启动和制动时间 上乘以一个恶化系数a 上乘以一个恶化系数a。 以下图所示的负载电流图为例，修正后等小电流为： 以下图所示的负载电流图为例，修正后等小电流为： 2 2 I12t1 + I 2 t2 + I3 t3 I dx = at1 + t2 + at3 + a0t0 有起、制动，停歇时 有起、制动， 间的变化负载电流图 四、等效法在非恒值变化负载下的应用 如果非恒值变化负载如右图的电流 图所示，可用等效电流法的积分形式： 图所示，可用等效电流法的积分形式： I dx = t 0 i2dt dt t 0 = t 0 i2dt t 用直线段代替曲线变化负载电流图 另一种较简便的方法是把变化曲线分 成许多直线段，求出各段的等效值， 成许多直线段，求出各段的等效值，然 后求出等效电流值。 后求出等效电流值。这样将曲线转化为 恒值、三角形、梯形的组合， 恒值、三角形、梯形的组合，恒值段不 需求等效值，三角、梯形段的等效为： 需求等效值，三角、梯形段的等效为： I 1 t1 I12 2 Idx1 = t dt = 1 2 t1 0 t1 3 I dx5 2 2 I 4 + I 4 I5 + I5 = 3 例 右图中绘出了具有尾绳和摩擦轮的矿井提 升机的示意图。 升机的示意图。 电动机直接与摩擦轮1相联结，摩擦轮旋转， 电动机直接与摩擦轮1相联结，摩擦轮旋转， 靠摩擦力带动绳子及罐笼3 内有矿车及矿物G 靠摩擦力带动绳子及罐笼3（内有矿车及矿物G） 提升或下放。尾绳系在两罐笼之下， 提升或下放。尾绳系在两罐笼之下，以平衡提 升机左右两边绳子的重量。 升机左右两边绳子的重量。提升机用双电动机 拖动，试计算电动机功率。已知下列数据： 拖动，试计算电动机功率。已知下列数据： 1、井深 H 2、负载重 = 915m G = 58800N 3、每个罐笼（内有一空矿车）重 每个罐笼（内有一空矿车） 4、主绳与尾绳每米重 5、摩擦轮直径 G3 = 77150N G4 =106N/m 6、摩擦轮飞轮惯量 7、导轮直径 d1 = 6.44m GD2 = 2730000N m2 1 d2 = 5m 8、导轮飞轮惯量 9、额定提升速度 10、提升加速度 10、 11、提升减速度 11、 2 GD2 = 584000N m2 vN =16m /s a1 = 0.89m 2 /s a3 =1m 2 /s 12、周期长 tz = 89.2s 12、 13、摩擦用增加负载重的20%考虑 13、摩擦用增加负载重的20%考虑 解答： 解答：预选电动机功率 1.2GvN P=k 1000 考虑起动及制动过程中加速转矩的系数 考虑起动及制动过程中加速转矩的系数， 式中 k =1.2 1.25 考虑起动及制动过程中加速转矩的系数， 取 k = 1.25，则 1.2 5880016 P = 1.25 kw = 1400kw 1000 每个电动机的功率为 700kW 60vN 6016 nN = = r/m = 47.5r/m in in d1 6.44 对于功率为700kW，转速为47.5r/min的电动机 的电动机， 对于功率为700kW，转速为47.5r/min的电动机， 2 飞轮惯量 GDD =1065000N m2 阻转矩 Tz =1.2G 加速时间 t1 = a1 d1 6.44 =1.258800 N m = 227203N m 2 16 2 vN = 0.89 s =18s 1 2 1 h1 = a1t1 = 0.89182 m =144.2m 加速阶段罐笼行经高度 2 2 vN 16 减速时间 t3 = = s =16s 2 减速阶段罐笼行经高度 h3 = a3t3 = 1162 m =128m a3 1 稳定速度罐笼行经高度 h2 = H h1 h3 = 915m 144.3m 128m = 642.7m 稳定速度运行时间 t2 = 停歇时间 t0 = tz t1 t2 t3 = (89.2 18 40.2 16)s =15s 2 2 折算到电动机轴上系统总的飞轮惯量 GD2 = GDa + GDb 2 系统中转动部分的飞轮惯量 系统中转动部分的飞轮惯量； 式中 GDa 系统中转动部分的飞轮惯量； 1 2 1 2 h2 642.7 = s = 40.2s vN 16 GD2 系统中直线运动部分的飞轮惯量 b 系统中直线运动部分的飞轮惯量 60vN 6016 = r/m = 61r/m in in d2 5 二导轮折算到电动机轴上的飞轮惯量 导轮转速 n2 = 2 2 2 GDa = 2GDD + GD2 + 2(GD2 ) = 6780000N m2 1 61 2 2 n 2 2 2 GD2 = 2GD2 2 = 2584000 N m =1926262N m n 47.5 N ( ) 2 2 系统直线运动部分总重 G = G + 2G + G L 3 4 式中 L 2H + 90 = (2915 + 90)m =1920m G = (58800 + 2 77150 +106 1920)N = 416700N 系统直线运动部分重量折算到电动机轴上的飞轮惯量 2 365GvN 365 416700162 2 GD = = N m2 =17253838N m2 b 2 nN 47.52 系统总飞轮惯量 2 2 GD2 = GDa + GDb = (6786262 +17253838)N m2 = 24040100N m2 GD2 dn GD2 nN 24040100 47.5 加速阶段的加速转矩Ta1 = = N m =169171N m = 375 dt 1 375 t1 375 18 减速阶段的动态转矩 GD2 dn GD2 nN 24040100 47.5 Ta3 = = = N m = 190317N m 375 dt 3 375 t3 375 16 电动机转矩 T = Tz + Ta 加速阶段：t1 =18s 加速阶段： 稳定运行阶段： 稳定运行阶段：t2 = 40.2s 减速阶段：t3 =16s 减速阶段： 停歇阶段：t0 =15s 停歇阶段： 按负载图，求出等效转矩 按负载图， 式中，散热恶化系数 a = 0.75 a = 0.5 式中， 0 3963742 18 + 2272032 40.2 + 368862 16 Tdx = 0.7518 + 40.2 + 0.7516 + 0.515 = 259386N m T12t1 + T22t2 + T32t3 Tdx = at1 + t2 + at3 + a0t0 T = (227203+169171)N m = 396374N m 1 T2 = 227203N m T3 = (227203 190317)N m = 36886N m T0 = 0 矿井提升的负载图 过载能力校验： 过载能力校验： T 396374 1 = =1.53 2 Tdx 259386 两电机的等效功率 P = dx TdxnN =1290kW 9550 P P =1400kW dx N 电动机发热及过载能力的校验均可通过。 电动机发热及过载能力的校验均可通过。 第三节 短时工作制电动机的选择 一、选用为连续工作制而设计的电动机 如果选择连续工作制电动机， 设短时功率为 P ，时间为 tg 。如果选择连续工作制电动机，由发 g 热观点， 所以在选用连续工作制电动机时， 热观点，电动机不能得到充分利用 。所以在选用连续工作制电动机时， P 应选用 P P P ，显然其过载倍数也 15 30 60 90 是不同的， 是不同的，其关系为 15 30 60 90 。 当电动机实际工作时间t 与标准值t 不同时，应把t 下的功率P 当电动机实际工作时间tgx与标准值tg不同时，应把tgx下的功率Px换 算到t 下的功率P 再按P 来进行电动机功率的选择或发热校验。 算到tg下的功率Pg，再按Pg来进行电动机功率的选择或发热校验。校验 依据为t 下损耗一致。 依据为tgx与tg下损耗一致。 P = g P x tg + k 1 t tgx gx tg 或 g P P x t gx tg 第四节 断续周期工作制电动机的选择 这类电动机的共同特点是起动能力强、过载能力大、惯性小（飞轮 这类电动机的共同特点是起动能力强、过载能力大、惯性小（ 惯量小）、机械强度大、绝缘材料的等级高、较多采用封闭式结构、 ）、机械强度大 惯量小）、机械强度大、绝缘材料的等级高、较多采用封闭式结构、临 界转差率（对于笼型异步电动机）设计得较高。 界转差率（对于笼型异步电动机）设计得较高。 对一台具体的电动机而言，不同负载持续率ZC 对一台具体的电动机而言，不同负载持续率ZC时，其额定输出功 率不同。以国产的一台起重机用绕线转子异步电动机为例， 率不同。以国产的一台起重机用绕线转子异步电动机为例，其型号及数 据见下表。 据见下表。 当电机的实际工作 ZC% 不同时， 与标准工作 ZCx % 不同时，应把ZC% 下的功率 P x 再选择电机功率或校验发热。 换算成标准 ZCx % 下的功率值 P ，再选择电机功率或校验发热。 P= P x ZC% ZC% + k ZC % 1 ZCx % x 或 P P x ZCx % ZC% 如果负载持续率 ZCx % 70%，可按连续工作制选择电动机。 第五节 笼型异步电动机允许小时合闸次数的确定 笼型异步电动机在带动某些生产机械时，起动制动很频繁， 笼型异步电动机在带动某些生产机械时，起动制动很频繁，每小时 合闸次数达600次以上 此时由于起动与制动过程的能量损耗较大， 次以上。 合闸次数达600次以上。此时由于起动与制动过程的能量损耗较大，往 往会造成电动机的严重发热， 往会造成电动机的严重发热，因此笼型异步电动机每小时允许合闸次数 N根据发热条件是有限制的。选择在这种情况下工作的电动机，必须进 根据发热条件是有限制的。选择在这种情况下工作的电动机， 行小时合闸次数N的校验， 行小时合闸次数N的校验，每小时实际的合闸次数必须低于允许的合闸 次数，检验才算通过，电动机连续工作才不致过热。 次数，检验才算通过，电动机连续工作才不致过热。 平均损耗法求得的N 指电机经过N次合闸后， 平均损耗法求得的N，指电机经过N次合闸后，平均温升将等于最大 允许温升。 允许温升。 N = 3600 (P P )ZC + P a0 (1 ZC) (P P )ZC + P a0 (1 ZC) N W N N W N = 3700 W + W 0.97(W + WT ) Q T Q 如果电动机稳速运转时，其负载为额定负载， P 如果电动机稳速运转时，其负载为额定负载， W N = 3700 P a0 (1 ZC) N W + W Q T = PN 则 第六节 带冲击负载时电动机的选择 具有冲击负载的生产机械的负载图， 带冲击负载机构的生产机械负载图 具有冲击负载的生产机械的负载图， 其特点是负载在工作时间中作剧增及剧 减地变化，并作周期性地交替。 减地变化，并作周期性地交替。 具有冲击负载的生产机械广泛采用带 飞轮的电力拖动系统， 飞轮的电力拖动系统，以帮助电动机克 服冲击负载。 服冲击负载。飞轮起到了平衡负载的作 使电动机的损耗降低， 用，使电动机的损耗降低，从而降低电 动机的功率。 动机的功率。 某轧机的负载图 附加飞轮拖动系统中电动机功率的选择 1、预选电动机。预选电动机的额定负载取为 预选电动机。 Ti ti 式中, 个工作循环的平均转矩 个工作循环的平均转矩， 个工作循环的平均转矩， 式中, Td = ti 2、预选附加飞轮的飞轮惯量 GD = 2 TN = (1.1 1.3)Td 375TN t g TzM T0 ns sN ln TzM KTTN 3、绘制电动机的负载图 4、校验电动机的发热 5、校验过载能力，若 KT TN TzM ，则校验通过。 校验过载能力， 则校验通过。 第七节 电力拖动调速电动机功率的选择 一、直流调速电动机功率的选择 （一）降压调速 Tn Tn 若对于恒转矩负载应用降压调速， 若对于恒转矩负载应用降压调速，此时电动机功率为 P = N N = z N N 9550 9550 Tz nMAX 可以选择电动机额定功率为： 可以选择电动机额定功率为：N P 反之，若把降压调速用于恒功率负载，则为了使电动机能安全运行， 反之，若把降压调速用于恒功率负载，则为了使电动机能安全运行， 必须加大电动机的功率，其值将为负载功率的D 必须加大电动机的功率，其值将为负载功率的D倍，即 P = DP N z 由于降压调速由额定转速向下调节， 由于降压调速由额定转速向下调节，因此电动机的不能小于负载要求 的最高转速，通常取 nN = nmax，而电机的允许输出转矩应等于或略大于 的最高转速， 最大负载转矩 TN = Tzb 得P = N 9550 TNnN Tzbnmax Tzbnmin nmax = = ( ) = PD z 9550 9550 9550 nmin 电机额定功率应选 P P D 恒转矩调速与恒 N z 功率负载的配合 （二）弱磁调速 若应用弱磁调速于恒功率负载，电动机的额定功率选得等于或略大 若应用弱磁调速于恒功率负载， 于负载功率，不必扩大功率， 于负载功率，不必扩大功率，即 P P N z 如果弱磁调速用于恒转矩负载，为了在最高转速时也能满足 如果弱磁调速用于恒转矩负载， 需要， 来选择电动机的功率， 需要，必须按 nm 及 Tz 来选择电动机的功率，即 Tz nmax ax P N 9550 的 二、变频调速笼型异步电动机功率的选择 （一）基频以下段 基频以下调速时，为保证磁通不变，应使得U/f等于常值 等于常值。 基频以下调速时，为保证磁通不变，应使得U/f等于常值。 假定在不同频率下， 不变， 假定在不同频率下， 与cos1不变，则 P U I1 2 如果忽略定子损耗， 如果忽略定子损耗，转矩为 UI T = 9550 当 f1 fN ，而且U/f为定值，则 T I1 而且U/f为定值 为定值， P 1 e ns f1 在基频以下调速段，调速方式是近似恒转矩的。 恒转矩的 在基频以下调速段，调速方式