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1、第五章,电力拖动与控制,电力拖动系统电动机 的选择,电动机发热和冷却规律 电动机工作方式的分类 连续工作制下电动机容量的选择 短时工作制下电动机容量的选择,主要内容,为生产机械选配电动机，首先应满足生产机械的要求，例如对工作环境、工作制、起 动、制动、减速或调速以及功率的要求。 依据这些要求，合理地选择电动机的类型、运行方式、额定转速及额定功率，使电动机在高效率、低损耗的状态下可靠地运行,正确选择电动机的额定功率十分重要。 确定电动机额定功率时，要考虑电动机的发热、允许过载能力与起动能力等因素。,第一节 电动机发热和冷却规律,在研究电动机发热时，为便于分析，同时 又保证所得到的结论基本符合工程
2、实际，特 作如下假定： 电机为一个均匀物体，各部分的温度相 同，并具有恒定的散热系数和热容量。 电机长期运行，负载不变，总损耗不变。 周围环境温度不变。,一、电机的发热过程,电机温度比环境温度高出的值称为温升。 当电动机的温度高于周围环境温度时，电动机就要向周围散热；温升越高、散热越快。 当单位时间内产生的热量与单位时间内散发到周围介质中的热量相等时，电动机的温度不再升高，达到了所谓的热稳定状态，此时的温升为稳定温升w，其大小决定于电动机的负载。,设单位时间内电机损耗所产生的热量为Q，则在dt时间内产生的热量为Qdt 。 Qdt这部分热量，一部分被电机吸收，使电机温度升高，用Q1表示这部分热量
3、；另一部分是电机向周围介质散发出的热量，用Q2表示。 Q1=Cd 式中, C电机的热容量，即电机温度升高1 所需的热量。,d电机在dt时间内温升的增量。 Q2=Adt 式中,A 电机的散热系数，即电机的温度高出 环境温度1时，单位时间内向周围介 质散发出去的热量； 电机的温升。 根据能量守恒原理，得热平衡方程： Qdt=Cd+Adt,令发热时间常数为 ，稳态温升为,整理后得到,上式可写成：,这是一阶常系数非齐次线性微分方程。,当初始条件为t=0，=0时，其特解为,式中，0 t=0时的温升，即电机初始温升。 若t=0时，0=0，则上式可写为：,电机的发热过程如图5-1曲线1、2所示。,图 5-1
4、 电机发热过程的温升曲线,由温升曲线可以看出：发热过程开始时，由 于温升小，散发出去的热量较少，大部分热量 被电机所吸收，所以温升上升较快。其后随着 温升的升高，散发的热量逐渐增加，电机吸收 的热量则逐渐减少，使温升的变化缓慢了。当 发热量与散热量相等时，电机的温升不再升高， 达到一稳定值w 。,只要电机的稳定温升w不超过绝缘材料的 最高允许温升max，电动机就能长期可靠地运 行。因此，max是校验电动机发热的主要 依据。 当t=4TH时，温升不再升高，趋于稳定值w， 因此，可以认为电机发热过程已经结束，所以 发热过渡过程时间的长短决定于发热时间常数 TH。,冷却过程可分成两种情况讨论。 1电
5、机负载减小时的冷却过程 负载运行的电动机，如果减小它的负载， 其内部的损耗p减小，产生的热量Q也随 之减少，原来的热平衡状态被破坏，变成了 发热少于散热，电机的温度就要下降，温升 降低，单位时间内散出的热量A逐渐减少,二、电机的冷却过程,直到重新达到Q=A（即发热等于散热）时，温升不再变化，电机达到了一个新的稳定状态，把温升下降的过程称为冷却。 冷却过程的温升曲线方程：,=,电机新的稳定温升；,TH 冷却时间常数。,在负载减小时，TH=TH 。 冷却过程的温升曲线如图5-2中曲线1所示。,图 5-2 电机冷却过程的温升曲线,电机脱离电源后，电机的损耗为零，不再产生热量，电机的温升逐渐下降，直到
6、与周围环境温度相同为止。此时，稳定温升,此时冷却过程的温升曲线如图5-2中曲线2 所示。,2电机脱离电源时的冷却过程,因此：,电机的发热与冷却情况不仅与其所拖动的 负载有关，而且还与负载持续工作时间的长 短有关。所以，还要对电动机的工作方式进 行分析。,对于他冷式电机，TH=TH,对风扇自冷式电机，TH=(23)TH,按发热观点，将电机分成三种工作方式或称三种工作制。 一、连续工作制（或称长期工作制）,电机连续工作时间很长，工作时间tg(3 4)TH ，可达几小时，甚至几昼夜，在工作时间内，电动机的温升可以达到稳定值w 。 其典型负载图P=f(t )及温升曲线=f(t)如图5-3所示。,第二节
7、 电机工作方式的分类,图 5-3 连续工作制电动机的负载图与温升曲线,电机工作时间较短, tg (3 4)TH ，在工作时间内，电机的温升达不到稳定值w。而停歇时间t0很长，t0 (3 4)TH ，电机的温升可以降到零，短时工作制电机的负载图和温升曲线如图5-4所示。,二、短时工作制,短时工作制的标准时间为15、30、60、90 分钟四种。,图 5-4 短时工作制电动机的负载图与温升曲线,在tg期间，电机温升达不到稳定值，而在t0期间电机温升也降不到零。经过一个周期时间(tg+t0)，温升有所上升，经过若干个周期后，温升在最高温升max和最低温升min之间波动，达到周期性变化的稳定状态。,三、
8、断续周期工作制（重复短时工作制）,电机的工作时间tg和停歇时间t0轮流交替， 两段时间都较短。,图 5-5 断续周期工作制电动机的负载图与温升曲线,国标规定，周期时间tg+t010分钟。,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，用ZC%表示。,我国规定的负载持续率有15%、25%、40%、60%四种。,连续工作制下电动机的负载基本上可分成 两大类，即 （1）恒定负载 负载长时间不变或变化不大。 （2）变动负载 负载长期施加，但大小变化。 其变化具有周期性。,第三节 连续工作制下电动机容量的选择,根据负载的功率PL，在产品目录中选一台额定容量等于或略大于PL，且转速合适的
9、电动机就可。,二、变动负载下电动机容量选择,电机在变动负载下运行的特点是：输出功率不断地变化，因而电机内部的损耗及温升也在不断变化，但经过一段时间后，电机的温升达到一种稳定波动状态。,一、恒定负载下电动机容量选择,图5-6 变动负载下连续工作制电机的负载图及温升曲线,按最大负载功率选择电动机容量，电机将不 能充分利用；而按最小负载功率选择，电动机 要过载，会引起电机温升过高。电动机容量只 能在最大负载和最小负载之间适当选择，一般 分为两个步骤： 1.初选电动机容量 根据生产机械负载图求出其平均功率。,式中,P1、P2、Pn各段负载的功率； t1、t2、tn 各段负载的持续时间。,求出初选电动机
10、的容量:,对于系数的选用，应根据负载变动情况确定。,校验电动机容量时，首先要校验电机的发热，然后校验过载能力，必要时校验起动能力。 进行发热校验，一般采用下述几种方法进行校验。 (1) 平均损耗法,2.校验电动机的容量,初选好电动机功率以后，根据该电动机的额定数据按下式计算出电机的额定损耗功率：,根据生产机械负载图上的各段功率，按下式求出每一段负载的损耗：,一个工作周期的平均损耗为:,将计算出的平均损耗与电动机的额定损耗相比较，应该满足：,则预选电动机的发热校验通过。,若pNppj ，则表明实际发热比预选电机允许的发热大，即电机容量选小了。应再选大点的电机，重新进行发热校验。 若pN ppj
11、，则表明电机选得太大，应重选一台小些的电机再进行发热校验 。,发热校验合适后，还应当校验其过载能力。 要求负载图中最大转矩TLm电动机产生的最 大电磁转矩Tm 。,如果过载能力不能满足，就应当按过载能 力来选择容量较大的电动机。,对于交流异步电动机，考虑到电网电压可 能发生波动，要求,选用鼠笼型异步电动机时，还要校验它的 起动能力。,（2） 等效电流法 等效电流法的原则是用一个恒值的等效电流Idx来代替实际变动的负载电流，而两者在电机中产生的损耗相等，即发热相同。 电机的损耗是由不变损耗与可变损耗即铜耗组成。第i段的损耗可以写成,式中,p0i第i段损耗中的不变损耗； pcui 第i段损耗中的铜
12、损耗。 电动机总的平均损耗用等效电流Idx来表示即为 ：,求出等效电流以后，将等效电流与初选电动机的额定电流比较，应该满足,由于不变损耗与负载无关，且认为电机绕 组电阻近似不变，于是得等效电流,则发热校验通过，所选电机合适，否则应 重选。,从上面分析可以看到，在Idx的推导过程中， 认为不变损耗和电阻是不变的，这对一般电动 机是适用的，而对于深槽式和双笼式异步电动 机，在起动和制动时，其转子电阻变化很大， 所以不能用等效电流法校验发热，此时必须改 用平均损耗法。,已知的不是负载电流图，而是转矩图，此 时应使用等效转矩法。 等效转矩法是由等效电流法推导出来的。 用等效转矩Tdx来代替等效电流Id
13、x，写成等 效转矩公式,（3）等效转矩法,如果TdxTN , 则发热校验通过。,如果pdxpN，则发热校验通过。,（4）等效功率法,如果已知的是负载功率图，当电动机的转速基本不变时，由等效转矩引出等效功率公式,注意:发热校验合适后，还必须校验过载能力。,短时工作制的负载，应选用专用的短时工作 制电动机。没有专用电动机的情况下，也可以 选用连续工作制电动机。,第四节 短时工作制下电动机容量的选择,一、直接选用短时工作制电机,电机制造厂专门为短时工作制的生产机械设 计制造了短时工作制电机，其时间规格有： 15分、30分、60分和90分四种。,如果短时工作制负载也是一种变动负载，则 应先算出其等效的
14、负载功率，然后初选电机， 最后校验电机的过载能力。,当工作时间接近上述标准时间时，可以按生 产机械的功率、工作时间及转速的要求，由产 品目录上直接选取。,把实际工作时间tsj下算出的功率psj，换算为 在标准工作时间tg下所需的功率pg，再按pg的 大小选择合适规格的电动机。 换算的原则是两种情况下发热相同即损耗相 等。,若生产机械的工作时间不符合上述4种标准工作时间，即实际工作时间tsj与标准短时工作时间tg不相同，这时，应进行功率折算。,因为,则可写出:,假设在tsj下损耗为psj，在tg下损耗为pg， 两者均由不变损耗和可变损耗两部分组成,且 不变损耗相同。则有:,令在标准工作时间tg下
15、不变损耗与可变损耗的比值为k=p0/pcug，代入上式得,解出Pg与Psj的关系为,当tsj与tg相差不大时，可将k(tg/tsj-1) 忽略不计，因而得到功率换算公式为,计算出Pg后，按Pg所对应的tg，预选电机的额定功率PNPg ，则发热校验通过。,当没有合适的短时工作制电机时，可采用专 为断续周期性工作制设计的电动机来代替。,如果选择一台连续工作制电机,使PNPg，那么，电机要工作（34）T时间后才会达到最高允许温升max,温升曲线为图中曲线1。 显然,t=tg时，温升g低于max ，电机在发热上没有被充分利用。 为此，可选用一台容量较小的电机，使 PNPg ,让电机在工作时间内过载运行
16、。,二、选用连续工作制电机,图5-7 短时工作制功率负载图及温升曲线,如能在t=tg时，使温升g=max ，则电机在发热上正好得到充分利用。,选择PN的依据为：在短时工作时间 tg内，电动机过载运行所达到的温升恰好等于电机所允许的最高温升，即g=max,式中，pg -功率为Pg 时的功率损耗； pN -功率为PN 时的功率损耗。,因此有,解出PN与Pg的关系:,令k=po/pcuN , 得：,上式是按发热条件为短时工作负载选择连续工作制电机时其额定功率的计算公式。 按发热条件选择电动机额定功率后，还需校验电动机过载能力和起动能力。 电动机实际过载倍数为=Pg /PN，电动机允许的过载倍数为，当 ，则过载能力通过。,一般按允许过载倍数选择的电动机，发热肯定可以通
