《电机拖动基础与仿真应用》-第9章

９.１电动机的发热和冷却

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且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.发热是选择电动机额定功率时主要考虑的问题,因此,了解电动机的发热和冷却规律是十分必要的.电动机发热的具体情况较为复杂,为了研究方便,假设电动机是一个均匀发热体,负载和周围环境的温度保持不变.损耗的存在使得电动机发热,电动机的温度与周围环境温度之差称为温升,用θ表示,即θ＝电动机温度－周围环境温度下一页返回９.１电动机的发热和冷却

温升的存在又会使得电动机散热,当电动机的发热量等于其散热量时,温升达到稳定值.设电动机在单位时间内产生的热量为Q;电动机的热容量为电动机温度每提高１K①所需要的热量C;电动机的散热系数为电动机温升为１K时,每秒散出的热量A,则电动机在dt时间内产生的热量为Qdt.其中,被电动机吸收使其温升变化dθ的部分为Cdθ,散发至周围环境中去的部分为Aθdt.由此得到电动机的热平衡方程式为Cdθ＋Aθdt＝Qdt.等式两边都除以Adt,便得到下述微分方程式.上一页下一页返回９.１电动机的发热和冷却

这是一阶线性非齐次微分方程,解此微分方程可求得电动机的温升随时间变化的规律为式中,θi为电动机的初始温升;为电动机的稳定温升,其值取决于负载的大小;τ＝是电动机的发热和冷却时的时间常数.当θs＞θi时,电动机处于发热过程;当θs＜θi时,电动机处于冷却过程.这两个过程中温升θ随时间t变化的规律如图９-１所示.上一页下一页返回９.１电动机的发热和冷却

从图９-１可以看出,电动机无论是发热还是冷却,温升θ都随时间按指数规律变化.发热和冷却的快慢与电动机的时间常数τ有关,τ越大,发热或冷却得越慢;τ越小,发热或冷却得越快.从理论上讲,需经过无穷大时间温升才能稳定.但工程上只要t≥３τ时,即可认为温升已经稳定.上一页返回９.２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有很大影响.按照电动机发热和冷却情况的不同,我国的相关标准规定了电动机有九种工作制.其中,前三种是基本工作制,后六种是特殊工作制,本节将重点介绍前三种基本工作制.１.连续工作制连续工作制的代号为S１,这种工作制下电动机在恒定负载下运行的时间很长,足以使其温升达到稳定温升,其负载曲线和温升曲线如图９-２所示,图中PL表示负载功率,θs表示连续运行时的稳定温升.如通风机、水泵、纺织机、造纸机等生产机械中的电动机的工作方式与这种工作制基本相同,一般都选用这种工作制的电动机.下一页返回９.２电动机工作制的分类

２.短时工作制短时工作制的代号为S２,这种工作制下电动机在恒定负载下按给定的时间运行,该时间不足以使电动机达到稳定温升,随之电动机将断电停车,停车的时间相当长以致使电动机再度冷却到周围介质的温度.其负载曲线和温升曲线如图９-３所示,图中θm是电动机在负载运行时达到的最高温升,它小于该负载下的稳定温升θs.我国规定的短时工作制电动机的标准运行时间有１５min、３０min、６０min和９０min四种.如水闸闸门起闭机,冶金、起重机械中的电动机的工作方式基本上都属于这种工作制.上一页下一页返回９.２电动机工作制的分类

３.断续周期工作制断续周期工作制的代号为S３,这种工作制下电动机按一系列相同的工作周期运行.每一周期包括一段恒定负载工作时间和一段电动机能停转的停歇时间,两段时间都很短.工作时间期间,电动机温升未达到稳定温升,停歇时间期间,温升又未降到周围介质温度以内.经过长期运行后,最后温升在某一范围内上下波动.其负载曲线和温升曲线如图９-４所示,图中tW为负载运行时间,tS为停歇时间,θH为每个周期内的上限温升,其小于该负载下的稳定温升θs;θL为每个周期内的下限温升,它大于2k.断续周期工作制包括启动的断续周期工作制和电制动的断续周期工作制.上一页下一页返回９.２电动机工作制的分类

(１)启动的断续周期工作制.启动的断续周期工作制的代号为S４,这种工作制下电动机按一系列相同的工作周期运行,每周期包括一段对温升有显著影响的启动时间、一段恒定负载运行时间和一段断电停转时间,每周期持续的时间都很短,不足以使电动机达到稳定温升.(２)电制动的断续周期工作制.电制动的断续周期工作制的代号为S５,这种工作制下电动机按一系列相同的工作周期运行,每周期包括一段启动时间、一段恒定负载运行时间、一段快速电制动时间和一段断电停转时间.每个周期持续的时间很短,不足以使电动机达到稳定温升.上一页下一页返回９.２电动机工作制的分类

４.连续周期工作制连续周期工作制的代号为S６,这种工作制下电动机按一系列相同的工作周期运行,每个周期包括一段恒定负载运行时间和一段空载运行时间,无断电停转时间.每周期持续的时间很短,不足以使电动机达到稳定温升.连续周期工作制包括电制动的连续周期工作制和变速变负载的连续周期工作制.５.负载和转速非周期变化工作制负载和转速非周期变化工作制的代号为S９,这种工作制是负载和转速在允许的范围内变化的非周期工作制,该工作制下的电动机经常过载.上一页返回９.３电动机选择的基本内容一般来说,电动机的选择主要包括以下几方面的内容.１.电动机类型的选择首先根据生产机械对电动机的机械特性、启动性能、调速性能、制动方法和过载能力等方面的要求对各种类型的电动机进行分析比较,然后再从节省初期投资、减少运行费用等经济方面进行综合分析,最后将所需电动机的类型确定下来.在对启动、调速等性能没有特殊要求的情况下,优先选用三相笼型异步电动机.２.电动机功率的选择正确选择电动机的额定功率非常重要,因此,应使所选电动机的额率功率等于或稍大于生产机械所需要的功率.具体选择方法有以下几种:下一页返回９.３电动机选择的基本内容(１)类比法.通过调研参照同类生产机械来决定电动机的额定功率.(２)统计法.经统计分析,从中找出电动机的额定功率与生产机械主要参数之间的计算公式,按此公式计算出电动机的额定功率.(３)实验法.用一台同类型或相近类型的生产机械进行实验,测出所需功率的大小,按测出的数据决定电动机的额定功率.上述三种方法也可以结合进行.(４)计算法.根据电动机的负载情况,从电动机的发热、过载能力和启动能力等方面考虑,通过计算求出所需要的额定功率.上一页下一页返回９.３电动机选择的基本内容３.电动机电压的选择根据电动机的额定功率和供电电压的情况,选择电动机的额定电压.例如,三相异步电动机的额定电压主要有３８０V、３０００V、６０００V和１００００V等几种,由于高压电气设备的初期投资和维护费用比低压电气设备贵得多,一般当电动机额定功率PN≤２００kW时,往往选用３８０V电动机;电动机的额定功率PN＞２００kW的电动机一般都是高压电动机,由于３kV电网的损失较大,而１０kV电动机的价格又较昂贵,除特大型电动机外,一般大中型电动机都选用６kV电压.上一页下一页返回９.３电动机选择的基本内容三相同步电动机的额定电压基本上与三相异步电动机相同,中小型直流电动机的额定电压目前主要有１１０V、２２０V、１６０V和４４０V等几种,后两种分别适用于由２２０V单相桥式整流器供电和３８０V三相全控桥式整流器供电的场合,额定励磁电压为１８０V.４.电动机转速的选择根据生产机械的转速和传动方式,通过经济技术比较后确定电动机的额定转速.额定功率相同的电动机额定转速高,电动机的重量轻、体积小、价格低、效率和功率因数比较高.若生产机械的转速比较低,电动机的额定转速比较高,则传动机构复杂、传动效率降低,增加了传动机构的成本和维修费用.因此,应综合分析电动机和生产机械两方面的各种因素,最后确定电动机的额定转速.上一页下一页返回９.３电动机选择的基本内容５.电动机外形结构的选择根据电动机的使用环境选择电动机的外形结构,电动机的外形结构有以下五种.(１)开启式.(２)防护式.(３)封闭式.(４)密封式.(５)防爆式.６.电动机工作制的选择根据电动机的工作方式选择电动机的工作制.国产电动机按发热和冷却情况的不同,分为九种工作制,如连续工作制、短时工作制、断续周期工作制等.选择工作制与实际工作方式相当的电动机较经济.上一页下一页返回９.３电动机选择的基本内容７.电动机型号的选择根据前述各项的选择结果选择电动机的型号.国产电动机为了满足生产机械的不同需要,做成许多在结构形式、应用范围、性能水平等各异、功率按一定比例递增并成批生产的系列产品,并冠以规定的产品型号.它们的特点和数据可以从电动机产品目录中查到.例如,Y系列电动机是我国２０世纪８０年代设计的封闭笼型三相异步电动机,YR系列为绕线型三相异步电动机;YD系列为三相多速异步电动机;YB系列为防爆型三相异步电动机;T系列为三相同步电动机,Z系列为直流电动机等.型号选定后,便可按所选型号进行订货和采购.订货时,对安装形式等在型号中未反映的内容应附加说明.上一页返回９.４电动机的允许输出功率电动机运行时,若其实际的最高温度等于允许的最高温度,则这时的输出功率就是电动机允许的输出功率,它与电动机的工作条件有关.额定功率只是在额定工作条件下的允许输出功率,工作条件变化时,电动机的允许输出功率也会发生变化.本节首先讨论额定功率是如何确定的,然后分析当实际工作条件与额定工作条件不同时,电动机的允许输出功率应该如何修正.１.额定功率的确定各种电动机铭牌上标示的额定功率都是指在规定的工作制和额定状态下运行时,温升达到额定温升时的输出功率.额定温升是指电动机允许的最高温度减去额定的环境温度.我国幅员辽阔,全国各地和各个季节环境温度相差很大,为制造出能在全国各地适用的电动机,下一页返回９.４电动机的允许输出功率国家标准规定,海拔高度在１０００m以下时,额定环境温度为４０℃.电动机允许的最高温度主要取决于绝缘材料,因为它是电动机中耐热能力最差的.电动机中所用的绝缘材料按允许的最高温度的不同可分为以下几个等级,见表９-１.额定功率、额定电压和额定转速相同的电动机采用的绝缘材料等级越高,即允许的最高温度越高,额定温升就越大,电动机的体积和重量就越小.因此,目前的发展趋势是采用F级和H级绝缘材料.由此可见,对于一台给定的电动机,其额定功率就是在规定的工作制、规定的额定环境温度和海拔高度下,在额定状态下运行时所允许的输出功率,这时的电动机温升正好等于额定温升.上一页下一页返回９.４电动机的允许输出功率２.工作制的影响连续工作制下电动机的额定功率是指在额定状态下运行时,其稳定温升θs等于额定温升θN时的输出功率.短时工作制下电动机的额定功率是指在额定状态下运行时,其最高温升θm等于额定温升θN时的输出功率.断续周期工作制下电动机的额定功率是指在额定状态下运行时,其上限温升θH等于额定温升θN时的输出功率.同一台电动机工作制不同,它所允许输出的功率也不同.例如,按连续工作制设计的电动机用作短时运行或断续周期运行,若仍保持输出功率不变,则该电动机的最高温升或上限温升将小于稳定温升,即小于该电动机的额定温升.上一页下一页返回９.４电动机的允许输出功率该电动机未能充分发挥作用,因而它允许输出的功率以增加,一直增加到短时运行时的最高温升等于额定温升或断续周期运行时的上限温升等于额定温升为止.反之,按短时工作制或断续周期工作制设计的电动机改作连续运行,则其允许输出的功率将减小.３.环境温度的影响电动机的额定功率是对应于额定环境温度４０℃时的允许输出功率,因此,当环境温度低于或高于４０℃时,电动机允许输出的功率可适当增加或减小.增减后的允许输出功率P２可用下式计算:上一页下一页返回９.４电动机的允许输出功率式中,θ为实际环境温度;θ是额定温升;α为满载时的不变损耗Pf(包括铁损耗、机械损耗和附加损耗)与可变损耗PV(铜损耗)之比,即α值与电动机的类型有关,三相笼型异步电动机一般取α＝０.５~０.７,三相绕线型异步电动机一般取α＝０.４~０.６,直流电动机一般取α＝１~１.５,工程上也可按表９-２对P２进行粗略的估算.上一页下一页返回９.４电动机的允许输出功率同时国家有关标准规定:当实际环境温度低于４０℃时,其允许输出的功率可以不予修正.４.海拔高度的影响按海拔高度不超过１０００m设计的电