电力拖动毕业设计

1、1引言 电力推动系统电动机的选择，首要的是在各种工作制度下电动机功率的选择，同时还要确定电动机的电流种类、类型、额定电压与额定转速。 正确选择电动机的原则，应当是在电动机能够胜任生产机械负载要求的前提下，最经济最合理决定电动机的功率。 正确决定电动机的功率与很重要的意义。如果功率过大，会造成浪费，设备投资增大，而且电机经常欠载运行，效率及交流电动机的功率因数较低，运行费用较高，急不经济；反之如果功率选择小了，电机将过载运行。造成电动机过早的损坏。或者在保持电动机不过热的情况下，只能降低负载使用。因此，电动机不适当地选择得太大货太小。都将对国民经济造成损失。 决定电动机功率时，要考虑电动机的发热

2、，允许过载能力与起动能力等三方面的因素。一般情况下，发热问题最为重要。2电动机的定义电动机（拼音：dindngj，英文：motor）俗称马达，是一种将电能转化成机械能，并可再使用机械能产生动能，用来驱动其他装置的电气设备。按运动方式分两种类型。一种是旋转式器件,它主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子,其导线中有电流通过并受磁场的作用而使转动,这些机器中有些类型可作电动机用,也可作发电机用。另一种是线性马达。 电动机种类很多，有直流电动机和交流电动机。交流电动机按所使用电源的相数，可分为单相电动机和三相电动机。其中三相电动机又分为同步电动机和异步电动机（即感应

3、电动机），而异步电动机按转子结构不同，还分为绕线转子异步电动机和笼型异步电动机 电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。电动机主要由定子与转子组成。通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。它是将电能转变为机械能的一种机器。通常电动机的做功部分作旋转运动，这种电动机称为转子电动机；也有作直线运动的，称为直线电动机。电动机能提供的功率范围很大，从毫瓦级到万千瓦级。电动机的使用和控制非常方便，具有自起

4、动 、加速、制动、反转、掣住等能力，能满足各种运行要求；电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。3电力推动系统中电动机的选择各种电机在运行过程中都会产生损耗,这些损耗一方面降低了电机运行时的效率,另一方面损耗转变为热能,温度升高。电机温度与周围冷却介质温度之差,称为温升,它是电机的一项重要性能指标。绝缘材料是电机中耐热性最差的部分。所以发热问题直接关系到电机的使用寿命和运行的可靠性。为了限制发热对电机的影响,使电机的温度不超过一定的数值,一方面要控制电机各部分的损耗,使发

5、热量减少;另一方面要改善电机的冷却系统,提高其传热和散热能力,从而把电机内部的热量很快地传导和散发出去。电机的温升不仅决定于负载的大小,还与负载的持续时间有关,即与电动机的工作方式有关。根据电机在运行于不同的机械负载和不同的工作方式,有其相应的负载功率计算方式,通过负载功率即可完成对电动机的选择。电机温升是衡量电机性能的一个重要指标,它表征电机的内部损耗,即表征电机发热的物理量。电机内部耐热性最差的部分就是绝缘材料。3.1绝缘材料的等级电动机在负载运行时, 其内部总损耗转变为热能使电动机温度升高。而电动机中耐热最差的是绝缘材料,若电动机的负载太大, 损耗太大而使温度超过绝缘材料允许的限度时,

6、绝缘材料的寿命就急剧缩短, 严重时会使绝缘遭到破坏, 电动机冒烟而烧毁。这个温度限度称为绝缘材料的允许温度。由此可见, 绝缘材料的允许温度就是电动机的允许温度；绝缘材料的寿命就是电动机的寿命。电机中常用绝缘材料的耐热等级和温度限值如表一所示如表中的绝缘材料的最高允许温升(也称允许温升)就是最高允许温度与标准环境温度 40的差值, 它表示一台电动机能带负载的限度, 而电动机的额定功率就代表了这一限度。电动机铭牌上所标注的额定功率, 表示在环境温度为 40时, 电动机长期连续工作, 而电动机所能达到的最高温度不超过绝缘材料最高允许温度时的输出功率。当环境温度低于 40时, 电动机的输出功率可以大于

7、额定功率；反之, 电动机的输出功率将低于额定功率, 以保证电动机最终都能达到或不超过绝缘材料的最高允许温度。当绝缘处于表一所示的极限工作温度时,电机的使用寿命可以长达1520年。如果高于表一所表示的温度连续运行,电机的使用寿命将迅速下降。据统计,A级绝缘材料的工作温度每上升810 ,绝缘的寿命将缩短一半。现代电机中应用用最多的是E级和B级绝缘。3.2电机各部分的允许温升当电机所用的绝缘材料确定后,电机的最高允许温度就确定了,此时温升的限值就取决于冷却介质的温度。一般电机中冷却介质是空气,它的温度随地区及季节而不同,为了制造出能在全国各地全年都能适用的电机,并明确统一的检查标准,国家标准规定:冷

8、却空气的温度定为40oC.在此环境温度下,电机绕组的温升限值:E级绝缘为75oC,B级绝缘为80oC。电机运行时,输出功率越大,则电流和损耗越大,温度越就越高,但最高温度不得超过绝缘的最高允许温度。因此,电机容许的长期最大输出功率(即电机的容量或额定功率)受绝缘的最高允许温度限制,或者说容量由绝缘的最高允许温度所决定。电机铭牌上所表明的额定功率就是指在标准的环境温度(我国规定为40oC)和规定的工作方式下,其温度不超过绝缘的最高允许温度时的最大输出功率。4电动机的分类4.1按结构及工作原理分类 电动机按结构及工作原理可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁

9、阻同步电动机和磁滞同布电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。4.2按工作分类 根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和

10、三相电动机。4.3按用途分类 电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机又分为（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。4.4按起动与运行方式分类电动机按起动与运行方式可分为起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。4.5按转子的结构分类 电动机按转子的结构可分为笼型感

11、应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。4.6按运转速度分类电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。 调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无极变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机和磁阻调速电动机。5电动机的发热和冷却及电动机工作制的分类5.1电机的发热过程电机中的各种损耗产生的热量,使电机的温度升高。电机温度升高以后,便借辐射和对流作用向周围空气散发热量。当所产生的热量与

12、所散热的热量相等时,电机温度便不再上升而达到某一稳定数值。下面研究电机的温度升高随时间而变化的过程。电机中的温度升高过程是极为复杂的,在电机中有绕组,铁芯,轴承等好几个不同的热源,各热源之间一定存在有热交换,再加上每部分的散热条件又不相同,因此要精确计算电机中的温度分布情况是十分困难的。为了使问题简化,只讨论均质等温固体的发热过程。即认为物体表面各点的散热条件完全一样,体内各点的温度相同。在发热过程中,电动机所产生的热量可以分成两部分:其中一部分Cd储存在电动机内部使物体温度升高d,另一部分Ad则散发到周围空气中去。这样,电动机的热平衡方程式为:dt =_Cd+_Ad_在式中, A表示散热系数

13、,即物体单位面积上当温差为10C时每秒钟所散出的热量;假设在时t=0 ,起始温度t= Q,根据这一初始条件,令C/A =T,/A =W 代入上式解微分方程的:=W(1-e-t/T)+ Qe-t/T上式所表示的电动机发热过程的温升曲线如图14-1所示。开始发热时,电机所产生的热量全部用于提高本身的温度,所以温度上升得很快。随着电机温度的升高,电机与周围介质之间的温差逐渐增大,电机向外散发的热量也逐渐增多,这样,温度的升高也就逐渐缓慢下来,形成如图所示的温升曲线。电动机发热过程的温升5.2电机的冷却过程如果温升达到稳定值后,电机停止运行,电机内部便不在产生热量,于是=0。此时,由于电机内部热量逐渐

14、散发到周围空气中去,电机温度开始下降。在冷却过程中,=0,把这一条件代入式中,于是解得冷却过程的表示式为_ _=qe-t/T冷却过程如图所示,也是一条指数曲线。图电动机的冷却曲线5.3电动机的工作的分类及其选择电机工作时,其温升不仅决定于负载的大小,而且与负载的持续时间有关系,同一台电机,如果工作时间长短不同,则能够承担的负载功率也不同。为了适应不同负载的需要,电机制造时,按负载持续时间的不同,把电机分成为三种工作方式或三种工作制。5.3.1连续(长期)工作制,其特点是:电机连续工作时间长,其工作时间tg (34)T,可达几小时甚至几十小时,因此电机温升可达到稳定值.属于此类工作制的生产机械有

15、水泵,通风机,造纸机,机床主轴等。5.3.2常值负载下电动机功率的选择常值负载下电动机容量的选择比较简单，只需要按照负载功率Pz选择即可。即PNPz，额定功率 因为一般电机是按常值负载连续工作设计的,如负载功率不超过电机的额定功率,则电机的温升就不会超过允许值。5.3.3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，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，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：1）计算并

16、绘制生产机械负载图2）预选电动机的功率 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。4）进行发热、过载能力及必要时的起动能力校验。下面着重介绍校验发热的方法：（一）平均损耗法 （二）等效法（式中C为常数 ）把平均损耗中的可变损耗 所对应的电流称为等效电流 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流 来代替变化的负载电流 （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：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

17、矩图 ，可以写成转矩形式如果预选电动机的额定转矩 ，则发热校验通过。可由预选电动机的额定功率及额定转速算出，即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。 如 ，则电动机的发热校验即告通过。同样，必须进行功率过载能力的校验。（三）有起动、制动及停歇过程时校验发热公式的修正以下图所示的负载电流图为例 有起、制动，停歇时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左图的电流图所示 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，然后求出等效电流值。 例14-2 下图中绘出了具有尾绳和摩擦轮的矿井提升机

18、的示意图。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）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。提升机用双电动机拖动，试计算电动机功率。已知下列数据：1井深2负载重3、每个罐笼（内有一空矿车）重4、主绳与尾绳每米重5、摩擦轮直径6、摩擦轮飞轮惯量7、导轮直径8、导轮飞轮惯量9、额定提升速度 10、提升加速度11、提升减速度 12、周期长13、摩擦用增加负载重的20%考虑解 预选电动机功率 式中 考虑起动及制动过程中加速转矩的系数，取 ，则每个电动机的功率为 700kW对于功率为700kW，转速为47.5r/min的电动机，飞轮惯量阻

19、转矩 加速时间 加速阶段罐笼行经高度 减速时间 减速阶段罐笼行经高度 稳定速度罐笼行经高度 稳定速度运行时间 停歇时间 折算到电动机轴上系统总的飞轮惯量 式中 系统中转动部分的飞轮惯量； 系统中直线运动部分的飞轮惯量 导轮转速 二导轮折算到电动机轴上的飞轮惯量系统直线运动部分总重式中 系统直线运动部分重量折算到电动机轴上的飞轮惯量 系统总飞轮惯量 加速阶段的加速转矩 减速阶段的动态转矩 电动机转矩加速阶段： 稳定运行阶段： 减速阶段： 停歇阶段： 按负载图，求出等效转矩 式中，散热恶化系数 矿井提升附在图过载能力校验： 两电机的等效功率 电动机发热及过载能力的校验均可通过。 考虑到在过度过程中

20、电机的电流较正常工作时大,而可变损耗与电流平方成正比,故电机发热较严重。但平均功率Pzd 和平均转矩Mzd 中没有反映过度过程中电机发热加剧的情况,因此,电机额定功率按下式预选: PN(1.11.6)Pzd或 PN(1.11.6)TzdnN/9550注意:电机预选后,要进行发热,过载能力及必要时的启动能力校验。校验发热的方法有:平均损耗法,等效法(等效电流法,等效转矩法,等效功率法)。 连续(长期)工作制如下图5.3.4短时工作制其特点是:电机工作时间短,tg (34)T,电机的温度足以降到和周围环境温度一样,即温升足以降到零。属于此类工作制的生产机械有机床的辅助运动,如水闸闸门的起闭机械等。

21、电机在短时工作时,其容量往往只受过载能力和起动能力的限制,因此专门为短时工作制设计的电机,其过载能力和起动转矩都较大。我国生产的短时工作制电机,其工作时间有15min ,30min,60min,90min四种定额。短时工作制电动机的选择电机在短时工作时,其容量往往只受过载能力和起动能力的限制,因此专门为短时工作制设计的电机,其过载能力和起动转矩都较大。我国生产的短时工作制电机,其工作时间有15min ,30min,60min,90min四种定额。选择专门为短时工作制设计的电机时,电动机额定功率短时负载功率即可。若选择连续工作制电动机，为了使电动机得到充分利用，应使电动机额定功率短时负载功率,具

22、体数值需经计算后取定。短时间工作制如图所示5.3.5断续周期工作制断续周期工作制又称为重复短时工作制。其特点是:工作和停止周期性地交替进行,但工作时间和停止时间都较短,tg (34)T,tg (34)T,且规定工作周期(tg=t0)。工作时温升增加,但达不到tg稳定值;停止时温升下降,但降不到零。每个周期结束时的温升都比开始时的温升高,这样经过若干个周期后,就会出现一个周期内温升的增长和降落相等的情况,这时温升就达到一个稳定的波动状态,即在最高温升与最低温升之间波动,平均温升不变。属于此类工作制的生产机械有起重机,电梯,轧钢辅助机械,某些自动机床的工作机构等。 在重复工作制中,额定负载时间与整

23、个周期之比称为负载持续率。标准的负载持续率为15%,25%,40%及60%.每个周期为10min。 周期工作时,电机的发热和冷却过程是交错进行的,故它达到的温升将比连续运行时低,如图。不论是周期工作定额的电机还是短时定额的电机,都不可按其周期工作定额或短时工作定额作长期连续运行,否则会使电机过热而损坏。周期工作时,电机的发热和冷却过程是交错进行的,故它达到的温升将比连续运行时低。不论是周期工作定额的电机还是短时定额的电机,都不可按其周期工作定额或短时工作定额作长期连续运行,否则会使电机过热而损坏。断续周期工作制电动机的选择断续周期工作制电动机功率选择的步骤与连续工作制变化负载下的功率选择是相似

24、的,在一般情况下,也要经过预选及校验等步骤。在计算负载功率后作出生产机械的负载图,初步确定负载持续率ZC%.根据负载功率的平均值PZd及ZC%,预选电动机的功率。然后作出电动机的负载图,进行发热,过载能力及必要时的启动能力校验。在断续周期工作制中，负载工作时间与整个周期之比称为负载持续率ZC 断续周期工作制的曲线如下 6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，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。属于这种类型的生产机械有冲床、压力机、轧钢机、锻锤等。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，以帮助电动机克服冲击负载。飞轮起到了平衡负载的作用，使

25、电动机的损耗降低，从而降低电动机的功率。带冲击负载机构的生产机械负载下图7电动机结构形式的选择 电动机的结构形式有开启式、防护式、封闭式和防爆式四种。为使电动机能正常工作于不同环境下, 必须根据工作环境条件来选择电动机的防护形式, 以保护电动机长期工作而不被损坏。7.1 开启式 开启式电动机的价格便宜, 散热条件最好, 但由于转子和绕组暴露在空气中, 容易被水汽、 灰尘、 铁屑、油污等侵蚀,影响电动机的正常工作及使用寿命。因此, 它只能用于干燥、灰尘很少又无腐蚀性和爆炸性气体的环境。7.2 防护式 防护式电动机一般可防止水滴、铁屑等外界杂物落入电动机内部, 但不能防止潮气及灰尘的侵入。它只适用

26、于较干燥且灰尘不多又无腐蚀性和爆炸性气体的工作环境。这种电动机的通风散热条件也较好。7.3 封闭式 封闭式电动机有自冷式、强迫通风式和密闭式三种。自冷式电动机一般自带风扇, 自冷式和强迫通风式电动机能防止任何方向的水滴或杂物侵入电动机, 潮湿空气和灰尘也不易侵入, 因此适用于潮湿、多尘、易受风雨侵蚀, 有腐蚀性气体等较恶劣的工作环境, 应用最普遍。而密闭式电动机, 则适用于浸入液体中的生产机械, 如潜水泵等。7.4 防爆式 防爆式电动机是在密封结构的基础上制成隔爆型、增安型和正压型等, 适用于有爆炸危险的工作环境, 如矿井、油库、煤气站等场所。此外, 对于湿热地带、高海拔地带及船舶等用电动机,

27、 还应选具有特殊防护要求的电动机。8电动机容量的选择方法选择电动机的容量较为繁琐,不仅需要一定的理论分析计算, 还需要经过校验。其基本步骤是：根据生产机械负载提供的负载图 PL= f ( t )及温升曲线= f ( t ) , 并考虑电动机的过载能力, 预选一台电动机, 然后根据负载图进行发热校验, 将校验结果与预选电动机的参数进行比较, 若发现预选电动机的容量太大或太小, 再重新选择, 直到其容量得到充分利用, 最后再校验其过载能力与启动转矩是否满足要求。8.1电动机电压等级的选择 交流电动机额定电压的选择主要按使用场所的供电电压等级选择。一般低压电网为380 V，因此中小型三相异步电动机的

28、额定电压大多为380 V(Y或形法),220/380 V（/Y形接法)和380/660 V（/Y形接法）。单相异步电动机的额定电压多采用220 V, 矿山及钢铁企业的大型设备用大功率电动机, 可采用高压电动机, 这样既减小了电动机的体积, 又节约了铜线的用量。直流电动机的额定电压也要与电源电压相配合。由直流发电机供电的直流电动机额定电压一般为110 V或220 V。大功率电动机可提高到 6001000 V, 当电网电压为 380 V, 直流电动机由晶闸管整流电路供电时, 采用三相整流可选额定电压为 440 V, 单相整流可选额定电压为160 V或180 V。9 电力拖动调速电动机功率的选择9.

29、1直流调速电动机功率的选择9.1.1降压调速若对于恒转矩负载应用降压调速，此时电动机功率为可以选择电动机额定功率为： 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倍，即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 恒转矩调速与恒功率负载的配合龙门刨实际需要的切削功率为龙门刨的切削功率、切削力与切削速度的关系9.1.2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于负载功率，不必扩大功率，即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 的需要，必须按 及来选择电动机的功率，即9.2变

30、频调速笼型异步电动机功率的选择9.2.1 （ ） 调速段 在变频调速时，电动机的输出功率为假定在不同频率下 如果忽略定子损耗，转矩为当 ，而且 为定值，则在 调速段，调速方式是近似恒转矩的。 容许转矩输出近似恒定，而容许输出功率为 机械特性与容许输出转矩容许输出转矩与功率9.2.2调速段（ ） 由于 时， 保持不变，此时磁通将随 之上升而下降。 此时，电动机的容许输出功率近似恒功率性质 机械特性容许输出转矩与功率10选择电动机功率的统计法或类比法经过不断总结经验，目前已陆续得出一些生产机械选用电动机功率的实用方法。这些方法比较简便，但有一定的局限性。 以机床制造业为例，目前我国对不同类型机床的主拖动电动机的功率采用统计分析法估算。 1、车床 ( kW )式中 D工件的最大直径（m） 2、立式车床 ( kW )式中 D工件的最大直径（m） 3、摇臂钻床 ( kW )式中 D最大的钻孔直径（mm） 4、外圆磨床 ( kW )式中 B砂轮宽度（mm）； K考虑砂轮主轴采用不