第13章电力拖动系统的方案与电动机选择(2)

1第13章电力拖动系统的方案与电动机选择2第13章电力拖动系统的方案与电动机选择2电气工程教研室213.4电动机的工作制电动机工作时，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大有影响。在电机制造过程中，一般将电动机分为三种工作制：连续工作制、短时工作制和断续周期工作制。电动机的工作制与电动机的额定功率密切相关。A、连续工作制连续工作制又称为长期工作制，其特点是：电机的工作时间较长，一般大于（为发热时间常数），工作过程中温升可以达到稳态值。T)4~3(T图13.4连续工作制下电动机的输出功率与温升曲线ACT属于这类的生产机械有水泵、通风机、造纸机、机床主轴等。3B、短时工作制短时工作制的特点是：电机的工作时间较短，一般小于，工作过程中温升达不到稳定值，而停歇时间又较长，停歇后温升降为零。短时工作制电动机铭牌上的额定功率是按30min、60min、90min三种标准时间规定的。rtT)4~3(图13.5短时工作制下电动机的输出功率与温升曲线吊车、闸门提升机构以及机床夹紧装置等。由图可见，如把tg结束时的温升设计为绝缘材料允许的昀高温升，则该电动机带同样负载而连续工作时，稳定温升将大大超过上述允许温升而烧坏。4C、断续周期性工作制断续周期性工作制又称为重复短时工作制，其特点是：电动机工作与停歇交替进行，两者持续的时间都比较短，其工作时间和停歇时间均小于。工作过程中温升达不到稳定值，停歇时温升降不到零。按国家标准规定，断续周期性工作制下，电动机工作与停歇周期应小于10min。gtotT)4~3(0tttgT负载持续率：断续周期性工作制下，电动机每个周期内的工作时间与整个周期之比定义为负载持续率ZC%，即：5图13.6断续周期性工作制下电动机的输出功率与温升曲线起重机、电梯、轧钢辅助机械等%100%oggtttZC(13-14)断续周期性工作制电动机共有四种标准的负载持续率：15%、25%、40%和60%。昀后温度将在一定范围内波动与短时工作制相似，不可按电动机的断续周期定额做连续运行，否则电动机易过热烧坏。6我国把周期工作制分为两类，上述这类称为断续周期工作制，另外还有一类称为连续周期工作制，此时电动机连续通电，负载作周期变化，每个周期由短时额定功率与短时空载功率组成，相应的功率负载图昀小值不为零值。其负载持续率的定义与断续周期工作制相似，亦为：%100%oggtttZC7每个周期的总时间也小于10min。对于各种不同的生产机械，电动机的功率负载图是不同的，但就发热而言，一般都可归于连续、短时及断续周期三类工作制中的一类，而连续周期工作制本质上应归于连续工作制（属负载变化时的连续工作制）。813.5电动机的额定功率的选择电动机额定功率选择的一般方法：首先应根据生产机械的运行特点以及静态负载功率的大小预先确定。然后，再进行如下校验：（1）发热校验（2）过载能力校验（3）起动能力校验（4）电动机飞轮矩校验9（1）发热校验是确保电动机内部温升不超过绝缘材料所允许的昀高温度（温升）。具体方法如下：首先根据生产机械的工作制和生产工艺过程绘出电动机的典型负载图，即功率，或转矩、电流特性曲线；然后，利用等效方法（电流、转矩、功率等效法）或平均损耗法进行计算。对于负载图难确定的生产机械，可通过实验、实测或类比法来校验。校验过程中，应考虑电网电压的波动、负载的性质以及未来增产的需要等因素，需对电动机的功率留有适当的裕度。10（2）过载能力校验是检验各种工作制下电动机的昀大转矩是否大于负载的峰值转矩。对于直流电动机，因受换向的限制，过载能力就是所允许的昀大电枢电流倍数。对于异步电动机，其过载能力即昀大转矩倍数。校核时要适当考虑交流电网电压的下降，一般按（10-15%）UN的电压压降进行计算。即，检验（0.81-0.72）λmTN≥TLmax是否满足。11（3）起动能力是考查电网电压下降（10-15%）UN后电动机的起动转矩能否大于负载转矩，以确保电力拖动系统顺利起动。因此，起动能力的校验变为检验（0.81-0.72）λstTN≥TL|n=0是否满足。（4）飞轮矩校验是检验飞轮矩是否满足生产机械对动态性能的特殊要求。12A、几种常用生产机械负载功率的计算a、离心式水泵对于离心式水泵，其折合到电动机转子轴上的负载功率可按下式计算：bLgQHP（kW)(13-15)式中，Q为泵的流量（单位：）；H为水的扬程（单位：m）；为水的密度（单位：）；为水泵的效率；为传动机构的效率。3/mkgbsm/3b、离心式风机与离心式水泵相似，离心式风机折合到电动机转子轴上的负载功率为：bLQHP（kW)(13-16)式中，Q为泵的送风量（单位：）；H为空气压力（单位：Pa）；为水泵的效率；为传动机构的效率。bsm/311232233)(smNsmsmkgsmkgsmmkgmsm13c、起重机对于起重机负载，其折合到电动机转子轴上的负载功率可按下式计算：310GvPL（kW)式中，为所提升重物的重量（单位：）；v为提升速度（单位：）；GNsm/d、机床对于主轴电机，其负载功率可按下式计算：9550NLLnTP（13-17）（13-18）对于进给电动机，其负载功率为：3max10vFPL（13-19）式中，为进给运动的总阻力（单位：）；为昀大进给速度（单位：）；FmaxvNsm/602100010001nTTPee14对于辅助传动电动机，其负载功率和负载起动转矩分别为：310vGPL（13-20）30109550NLsnvGT（13-21）其中，G为移动件的重量；v为移动速度；、分别为动、静摩擦系数；015B、电动机发热的校验a、连续工作制负载下电动机发热的校验分如下两种情况进行讨论：1.对于连续恒定性负载首先利用负载转矩和转速计算出所需负载功率，然后再按下式选择电动机的额定功率：9550NLLNnTPP（13-22）式中，为折算至电机轴上的负载转矩。LT只要式（13-22）满足，则电动机工作时的温升就不会超过昀大容许温升，而发热则不需再进行校核。（13-22）162.对于连续周期性负载可先按下式计算一个周期内的平均负载功率：cniiLinnLnLLLTtPttttPtPtPP1212211（13-23）式中，为第i段的负载功率；为各段持续的时间；负载的周期。然后按下式预选电动机的额定功率：LiPitniictT1LNPP)6.1~1.1(（13-24）昀后再按照平均损耗法和等效法校验电动机的发热。其中，等效法又包括等效电流法、等效转矩法和等效功率法。170.直接方法：温升曲线法*基本思想：昀大温升τmax接近并小于电动机的容许温升τm，则发热校验通过。18每一周期包括t1~t4四段时间，其对应的不同负载时的损耗功率为ΔP1~ΔP4。如预选电动机的发热时间常数T及散热系数A为已知，温升曲线可绘出。温升在t1段内由零开始，指数曲线先以ΔP1/A为稳定值，到t1段结束时，曲线在t2段改以ΔP2/A为稳定值，t2段温升的开始值即为t1段温升的结束值。用同样的方法可以连续绘制t3及t4段曲线，得到第一周期温升的结束值τx1。第二周期温升的开始值τQ2=τx1，再连续绘制到τx2，这样重复绘制，只到第n周期的τQn=τxn，即温升变化进入稳态循环，以后各周期均按第n周期的规律变化。19如果稳态循环周期中的昀大温升τmax接近并小于电动机的容许温升τm，电动机的发热校验即算圆满通过。这种发热校验的方法称为温升曲线法，它是以昀大温升τmax≤τm为依据的。由于直接绘制温升曲线较难（参数T及A难预知），所以一般校验发热用一些间接的方法（如平均损耗法、等效法），但这些方法都是由温升曲线引来的。20间接方法：1.平均损耗法基本思想：把对发热（或温升）的校验转变为对单个循环周期内电动机平均损耗的校验。可行性分析：由于负载变化周期较短（一般tz≤10min），而发热时间常数较大，即Tθtz时，稳态循环中温升曲线上下波动不大，因而在校验发热时，可以用温升平缓变化的稳态循环中的平均温升τav代替温升曲线中的昀大温升，只要平均温升τav≤绝缘材料所允许的温升τmax，则发热校验通过。为了满足上述要求，需要变化负载下的平均损耗小于电动机的额定损耗，也就是说，选取的电动机的额定损耗值要大于负载的平均损耗值。21具体方法：首先将功率变化曲线（又称功率负载图）变为损耗曲线。损耗曲线中各段的损耗功率与负载功率之间的关系可由下式给出：)(tfPL)(tfpLLipLiP1(1)LiiLiLiiiPpPP(13-25)式中，各段负载功率对应的效率可由电动机的效率曲线查得。然后，通过损耗曲线按下式计算负载变化下的平均损耗：)(tfpLcniiLinnLnLLLavTtpttttptptpp1212211(13-26)LiPi22昀后，检验平均损耗是否满足下列条件：。其中，额定负载时的损耗的计算公式由式（13-12）给出。若上述条件满足，则发热校验通过。否则，需重新预选功率较大的电动机，再进行发热校验。NavppavpNp图13.7典型连续周期性变化负载的损耗曲线和温升曲线NNNNNNNNNPPPPPp)1(1(3-12)23在一个完整的稳态循环周期Tz内，对式（13-8）进行积分：dtACdQdt（13-8）00000.24TzTzTzTzQdtpdtCdAdt（13-27）考虑到稳态循环周期内温升开始值等于终止值，故dτ=0，则上式变为：000.240.24TzTzavavzzdtpdtpTTAA（13-28）上式表明，平均温升与平均损耗成正比，故可以用平均损耗功率来校验电动机的发热。为什么可以用平均损耗取代平均温升τav进行发热校验？242.等效法等效法等效电流法等效转矩法等效功率法a.等效电流法由上述平均损耗法可引出等效电流法。变化负载下第i级负载的损耗∑pi=p0+pCui，其中p0为不变损耗(空载损耗)，不随负载变化而变化；pCui为可变损耗，随负载电流而变化，pCui=KIi2，当电动机主电路电阻不变时，K为常数，于是，∑pi=p0+KIi2，将此式代入(13-26)cniiLinnLnLLLavTtpttttptptpp1212211(13-26)20210niiieqcpKItpKIT(13-30)25由（13-30）可知，根据负载电流的变化曲线，按下式求出单个循环周期内的等效电流（有效值）：)(tfILcTeqIniiiceqtITI121(13-29)然后，检验等效电流是否满足条件：eqINeqII若条件满足，则发热校验通过。式（13-29）仅适用于负载电流在各时间段内按矩形规律变化（亦即电流是常值）的情况，如图13.8a所示。26图13.8周期性变化负载下电动机的负载电流或转矩曲线若负载电流是按三角形或梯形变化（图13.8b），则应将各时间间隔内的电流换算为有效值后，再利用式（13-29）计算等效电流eqI例如对图13.8b，其对应时间段内三角形电流的有效值为：1t3)(110211111IdtttItIteq27同样，可求得对应时间段内梯形电流的有效值为：2t3][1222121022211222IIIIdtttIIItIteq其它各段电流的有效值均可按上述方法求得。28等效电流法由平均损耗法引出，在推导过程中，假定不变损耗及电动机主电路电阻不变。在某些个别情况下，比如，对深槽式或双笼式鼠笼型异步电动机，在经常起动与反转时，其电阻与铁耗均在变化，便不能用等效电流法校验发热，此时必须改用平均损耗法。29b.等效转矩法在电动机运行过程中，若电磁转矩与电流成正比（如直