第13章-电力拖动系统方案与电动机选择1

1第13章电力拖动系统的方案与电动机选择程良鸿2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313.1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。4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。1P2P3P321nOLT0nstTemT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判断稳定性，要根据：2375emLGDdnTTdt分析负载转矩波动与n波动的关系（如Tz增加，则n下降）；然后根据电动机机械特性曲线判断转速变化时，对应的电磁转矩Tem变化趋势。5C、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。单独U1下降→n下降→E下降单独Ra增加→n下降→E下降不变不变aeIEnCeaTTIC不变PnTnTTeee955060210001000若负载转矩不变，则Ia增加以补偿Te的下降。6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。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，因为：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Y/YY变极调速属于恒转矩调速，适应于恒转矩负载；而Δ/YY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。01max1sinsinemetmEUTTxfaffafILfILE11022一旦供电频率超过基频以上，则保持供电电压为额定值U1不变。而基频以上则属于恒功率调速，适应于恒功率负载sstLfLx112pfn/260/21111max1()()sinsin22afemfesLUmpTITfL不变PpfTTemem1210001000直流If产生磁场随转子旋转切割定子绕组，感应相电势Eo按余弦规律变化7D、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。8b、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：dtdnGDTTLem3752（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：21)(3752nnLemdnTTGDt（13-5）9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。2/GDTem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：LMGDGD][][22（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：}][{5][22LMGDGD（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。21)(3752nnLemdnTTGDtdtdJTTLemgGDDgGmJ4422260/2ndtdnGDTTLem375210E、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（负载率75%）。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（轻载时减少台数），以提高交流拖动系统的运行效率。)()()(2122221111121mmmmmmjxrIzIEExjsrIEjxrIEUIII空载或轻载时：0,21Inn定子电流只有激磁分量Im，jXm占主导，功率因数很低（0.1~0.2）。11b、调速节能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-ModulationRectifier，PWMRectifier）。1213.2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(Δ/Y联结)及380/660V(Δ/Y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600~1000V。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。3213B、额定转速的选择额定功率相同的电动机，额定转速越高，则电动机的体积、重量越小，成本越低，电动机转子呈细长特点，转子飞轮惯量GD2较小，起、制动时间较短。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。对于经常工作在起、制动状态下的电动机，可以证明：为了减小起、制动时间，可选用GD2和nN2乘积较小的电动机（对应系统存储的动能较小）。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。222121Jmv1413.3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。C40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。15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：dtACdQdt（13-8）式中，Q为电机单位时间内所产生的热量；（J/s）C为热容量，它表示电机温升升高1°C时所需的热量；(J)τ为温升（温度量纲）A为散热系数，它表示单位时间内温升提高1°C时的散热量；(J/s.C°)Qdt：表示在dt时间内电动机产生的总热量（J）dτ：在dt时间内温升的增量；Cdτ：在dt时间内电动机温升dτ所需要的热量；（J）Aτdt：为dt时间内散发到周围介质中的热量；式（13-8）经整理后得：LdtdT（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；ACTAQL电机产生总热量=对自己加热+对介质加热每温升：温度每升高1°16设初始条件为：，由三要素法得方程（13-8）的解为：00tTtLLe)(0(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