17电动机与电气传动1

注册电气工程师（供配电）专业执业资格考试专业部分17.电动机与电气传动北京建筑工程学院李惠昇17.电动机与电气传动（考试大纲）17．1熟悉电气传动系统的组成及分类17．2了解电动机的选择17．3掌握交、直流电动机的起动方式及起动校验17．4掌握交、直流电动机调速技术17．5掌握交、直流电动机的电气制动方式及计算方法17．6掌握电动机保护配置及计算方法17．7熟悉低压电动机控制电器的选择17．8了解电动机调速系统性能指标17．9了解传动系统动态指标的运用17．10了解调节理论在电气传动工程中的运用17．11熟悉PLC的组成及工作原理17.电动机与电气传动17．1电气传动系统的组成及分类17．1．1电气传动系统的组成电气传动控制系统通常由电动机、电源装置和信息、控制装置三部分组成。电源装置（电力电子变流器）电动机及设备信息装置指令、控制装置17．1．2电气传动的分类与比较（1）按是否调速来划分：从节约电能、改善机械性能的角度，将有越来越多的调速传动取代不调速传动，如：风机、泵类负载，平均可节电15％～20％。电气传动不调速调速机械机电电气开环闭环例１、２（2）按照电动机的不同类型来划分:例１７－３17．2电动机的选择17．2．1选择电动机的原则（1）要从供电电网的质量、起制动特性、调速性能、控制特性等几个方面综合考虑，选择适当类型的电动机及其控制方式。（2）额定功率要满足负载需要，但不宜过大。过大会使投资增高，而且会造成轻载运行时损耗大、效率低、功率因数低、起动时冲击大等问题。（3）根据温升和使用环境条件，选择合适的通风方式、结构型式和防护等级。17．2．1选择电动机的原则（4）按照现场使用状况和被传动机械的要求，选择结构和安装方式，与传动机械的连接方式，传动机构有无振动和冲击以及安装基础的牢固程度等。（5）尽量选用可靠性高、互换性好、维护方便，且有标准定额的电动机。（6）考虑初期投资和运行费用，要从电动机及其控制设备的总投资、效率、功率因数和电费以及全部设备的年维修费用等因素加以选择。17．2电动机的选择17．2电动机的选择17．2．2选择电动机的步骤框图17．2．2选择电动机的步骤1.电动机类型的选择（1）根据环境条件选择电动机的类型不同的使用环境条件对电动机的结构、通风及类型均有不同的要求（详见表23-2-1）。其中：①爆炸和火灾危险场所的分级详见《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》②IP的分级及定义详见GB4208－93《外壳防护等级（IP代码）》表23-2-1设计规范IP代码17．2电动机的选择（2）根据负载性质选择电动机的类型17．2电动机的选择（3）直流与交流电动机的比较（自学）（4）交流电动机的选择1）普通励磁同步电机优点：①电机功率因数高，②用于变频传动时，电机功率因数等于“1”，使变频装置容量最小，变频器输入功率因数改善；③效率比异步电机的高；④气隙比异步电机的大，大容量电机制造容易。缺点：①需附加励磁装置；②变频调速控制系统比异步电动机的复杂；应用场合：①大功率不调速传动；②600r／min以下大功率交一交变频传动，例如轧机、卷扬、船舶驱动、水泥磨机等。17．2电动机的选择2）永磁同步电动机永磁同步电动机与PWM变频装置配合使用，电流为正弦波。目前一般容量在几十千瓦以下．但容量正在逐渐扩大，目前已能做到上百千瓦，速度精度较高，在伺服系统中采用按转子位置定向的矢量控制系统，性能优于其他电机（直流、异步或永磁无换向器电机），但成本略高，适用于高性能场合。17．2电动机的选择3）无换向器电机a.特点：①输入电流为120°方波，导致转矩脉动及低速性能差；②电路设计时需计及谐波电流带来的附加损耗；③要求变频器容量及励磁电流较大；电机过载能力差（1．5～2），电机短粗，GD2大。④无转速和频率上限。b.应用场合：①大中功率用于负载平稳、过载不多的场合，例如风机、泵等，一般600r／min以上；②小功率常与PWM变频器配合，用于性能一般的伺服系统。17．2电动机的选择4）异步电动机a.特点：①笼型电动机结构简单，制造容易，价格便宜；②绕线转子电动机可以通过在转子回路中串电阻、频敏电阻或通过双馈改变电机特性，改善起动性能或实现调速；③功率因数及效率低。在采用变频调速时加大变频器容量；④气隙小，大功率电机制造困难，⑤调速控制系统比同步电动机的简单。b.应用场合①2000～3000kW以下、不调速、操作不频繁场合，宜用笼型电动机；②2000～3000kw以下、不调速，但要求起动力矩大或操作较频繁场合，宜用绕线转子电动机；③环境恶劣场合宜用笼型电动机；④2000～3000kW以下的交流调速系统。17．2电动机的选择5）磁阻电机是一种与小功率笼型电动机竞争的新型调速电机，转子为实心铁芯，d、q轴磁路不对称，定子有多相绕组，利用大功率晶体管轮流接通定子各绕组，靠反应力矩使电机旋转。这种电机调速装置简单，不用逆变器，无逆变失败故障，可靠性高，它的结构比笼型电动机简单，而功率因数和效率两者差不多。目前容量范围在几千瓦以下，个别达几十千瓦，近些年用于小功率调速装置。17．2电动机的选择（5）直流电动机的选择1）需要较大起动转矩和恒功率调速的机械，如电车、牵引机车等，用直流串励电动机。2）其他使用直流机场合一般均用他励直流电动机。注意要按生产机械的恒转矩和恒功率调速范围，合理地选择电动机的基速及弱磁倍数。2.电动机转速的选择应从技术指标及经济指标全面考虑。17．2电动机的选择3.电动机功率、转矩的选择（电动机的容量校验）（1）恒定负载连续工作制下电动机的容量校验1）计算电动机的额定功率选择电动机的额定功率PN略大于折算到电动机轴上的负载功率PL式中TL——折算到电动机轴上的静负载转矩（N·m）；nN——电动机的额定转速（r／min）当负载转矩恒定，需从基速向上调速时，其额定功率应按要求的最高工作转速nmax计算：17．2电动机的选择2）校验起动过程中的最小转矩及允许的最大飞轮力矩对起动条件沉重（静负载转矩大或带有较大的飞轮力矩）而采用笼型异步电动机或同步电动机传动时，在选定PN后还要按下面两式分别校验电动机的最小起动转矩TMmin和允许的最大飞轮矩GDxm2式中：TLmax—起动过程中可能出现的最大负载转矩（N·m）；KS—保证起动时有足够加速转矩的系数,一般取KS=1.15～1.25；Ku——电压波动系数，起动时电动机端电压与额定电压之比，全压起动时，取Ku=0.8517．2电动机的选择允许的最大飞轮力矩GDxm2为（大型生产机械）式中GDmec2——折算到电动机轴上传动机械的最大飞轮力矩（N·m2）GD02——包括电动机在内的整个传动系统允许的最大飞轮力矩（N·m2），由电机资料中查取；GDM2——电动机转子的飞轮力矩（N·m2）；Tsav——电动机的平均起动转矩（N·m），见表23-2-4。17．2电动机的选择（2）短时工作制下电动机的容量校验式中PLmax—短时负载功率的最大值（kW）；λ—电动机允许的转矩过载倍数，见表23-2-5。（3）变动负载连续周期工作制下电动机的容量校验1）发热校验变动负载连续周期工作制下电动机的功率计算，可先按等效（方均根）转矩或等效电流法，计算出一个周期T内的等效转矩Trms或等效电流Irms。选取额定转矩TN≥Trms或额定电流IN＞Irms。17．2电动机的选择式中：T1～Tn—各分段时间内的转矩值（N·m）；I1～In——各分段时间内的电流值（A）；T—一个周期的总时间（s），当负载波形不是矩形，则应将每一个相应的时间间隔内的转矩或电流值换算成等效平均值后，同样可用上面两式计算Trms或Irms。a）矩形负载b)梯形或三角形负载17．2电动机的选择2）校验最大过载转矩按Trms或Irms选取电动机的额定功率以后，还要用最大负载转矩TLmax校验电动机的过载能力。式中：Ku——电网电压波动系数，一般对于同步电动机，Ku=0.85；对于异步电动机，Ku=0.72；对于直流电动机，Ku=1.0；λ—转矩过载倍数（见表23）0.9：考虑计算误差和参数波动而取的安全系数17．2电动机的选择（4）断续周期工作制下电动机的容量校验断续周期工作制下电动机的典型负载见图17．2电动机的选择1）按等效转矩（或等效电流）法校验发热a）选用断续定额电动机时，对于图23-2-2所示的负载图，电动机在一个工作周期内的等效（方均根）转矩Trms或等效（方均根）电流Irms为17．2电动机的选择b）选用连续定额电动机时Cα——起制动过程中电动机散热恶化系数，Cα=（l＋Cβ）／2；Cβ——停止时电动机散热恶化系数。∑t0——一个周期中停歇时间的总和（s）；17．2电动机的选择当选断续工作制电机，应计算实际负载持续率为当实际负载持续率FC值（工作时间占周期时间的百分比）与所选的电动机的额定负载持续率FCN值不相等（但相差不多）时，应将上式算出的Trms或Irms值折算到对应于电动机的FCN值相等效的值，当所选电动机的额定转矩TN＞T´rms或额定电流IN＞I´rms时，则表示电动机的发热校验通过。17．2电动机的选择17．3交、直流电动机的起动方式及起动校验(掌握)17．3．1交流电动机的起动1.全压起动（直接起动）笼型异步电动机和同步电动机满足下列条件时，可以采用全压起动。1）起动时对电网造成的电压降不超过规定的数值。一般需要经常起动时，其电压降不得超过10％，偶而起动时不超过15％。在保证生产机械所要求的起动转矩而又不致影响其他用电设备的正常工作时，其电压降可允许为20％或更大一些。2）起动功率不超过供电设备和电网的过载能力。笼型异步电动机允许全压起动的功率和电源容量之间的关系见表23-3-1。2.减压起动（1）绕线转子异步电动机转子串电阻分级起动17．3交、直流电动机的起动方式及起动校验（2）绕线转子异步电动机转子串频敏变阻器起动起动时：则:表现为阻抗大,相当于串电阻,当转速升高后,s减小，其等效阻抗随转差率的减小而相应地减小，从而起到减小起动电流并得到起动转矩近似恒定的起动特性。12sff100nnns12ff17．3交、直流电动机的起动方式及起动校验采用频敏变阻器起动，其优点是可省去庞大的起动电阻器，线路简单，维修简便。但因其功率因数低、起动转矩小，对要求在低速下运转和起动转矩大的场合，不宜采用。（3）笼型异步电动机减压起动（见表23-3-2）鼠笼转子异步电动机转子电路在内部闭合，不能外串起动设备，只能在定子电路中采取措施。其减压起动方法主要有定子电路串电阻起动、Y－△起动、延边三角形起动和自耦变压器减压起动等。（4）同步电动机减压起动（见表23-3-2）表23-3-217．3交、直流电动机的起动方式及起动校验3.变频起动17．3交、直流电动机的起动方式及起动校验K2K3K117．3．2直流电动机的起动（1）直流他（并）励电动机的起动直流他励电动机作为闭环调速系统的拖动电机时，通常采用晶闸管调压装置为电枢供电。直流并励电动机如果采用电枢串电阻分级起动，其计算方法与绕线转子异步电动机转子串电阻分级起动的分析计算方法完全一样。17．3交、直流电动机的起动方式及起动校验（2）直流串励电动机串电阻起动对于直流串励电动机，由于其机械特性为非线性，采用解析法计算较困难，通常多采用图解法，方法同绕线转子异步机串电阻起动（见358页）。17．3．3起动的校验对于直流电动机，因其起动转矩可以在规定范围内任意调节，因此不必做起动校验。17．3交、直流电动机的起动方式及起动校验17．4交、直流电动机调速技术17．4．1直流电动机调速技术(掌握)1.基本概念调速：通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电机的机械特性，使电动机的稳定运转速度发生变化。开环控制系统：电动机的转速只能跟随转速指令变化而不能自动纠正与给定转速的偏差的调速系统称为开环控制系统。闭环控制系统：能自动纠正电动机的转速与给定转速的偏差同时不受负载及电网电压波动等外界扰动的影响，使电动机的转速始终与给定转速持一致的调速系统称为闭环控制系统。17．4