电动机额定功率的选择.ppt

在电力拖动系统中 选择电动机一般包括确定电动机的种类 型式 额定电压 额定转速和额定功率 工作方式等 而最重要的是选择电动机的额定功率 决定电动机功率时 要考虑电动机的发热 允许过载能力和起动能力等因素 以发热问题最重要 一 电动机的种类 型式 额定电压与额定转速的选择 1 电动机种类的选择选择电动机的原则是电动机性能满足生产机械要求的前提下 优先选用结构简单 价格便宜 工作可靠 维护方便的电动机 在这方面交流电动机优于直流电动机 交流异步电动机优于交流同步电动机 笼型异步电动机优于绕线式异步电动机 负载平稳 对起 制动无特殊要求的连续运行的生产机械 宜优先选用普通笼型异步电动机 普通的笼型异步电动机广泛用于机械 水泵 风机等 深槽式和双鼠笼是异步电动机用于大中功率 要求起动转距较大的生产机械 如空压机 皮带运输机等 起动 制动比较频繁 要求有较大的起动 制动转矩的生产机械 如桥式起重机 矿井提升机 空气压缩机 不可逆轧钢机等 应采用绕线式异步电动机 无调速要求 需要转速恒定或要求改善功率因数的场合 应采用同步电动机 例如中 大容量的水泵 空气压缩机等 只要求几种转速的小功率机械 可采用变极多速 双速 三速 四速 鼠笼式异步电动机 例如电梯 锅炉引风机和机床等 调速范围要求在1 3以上 且需连续稳定平滑调速的生产机械 宜采用他励直流电动机或用变频调速的鼠笼式异步电动机 例如大型精密机床 龙门刨床 轧钢机 造纸机等 要求起动转距大 机械特性软的生产机械 使用串励或复励直流电动机 例如电车 电机车 重型起重机等 2 电动机型式的选择 1 安装型式的选择电动机安装型式按其位置的不同 可分为卧式和立式两种 一般选卧式 立式电动机的价格贵 只有在为了简化传动装置 必须垂直运转时才采用 2 防护型式的选择为防止电动机受周围环境影响而不能正常运行 或因电机本身故障引起灾害 必须根据不同的环境选择不同的防护型式 电动机常见的防护型式有开启式 防护式 封闭式和防爆式4种 开启式这种电机价格便宜 散热条件较好 但容易进入水气 水滴 灰尘 油垢等杂物 影响电机的寿命及正常运转 故只能用于干燥清洁的环境之中 防护式这种电机一般防止水滴 等杂物落入机内 但不能防止潮气及灰尘的侵入 故只能用于干燥和灰尘不多又无腐蚀和爆炸性气体的环境 防闭式这类电机又分为自冷式 强迫通风式和密封式3种 前两种电机 潮气和灰尘不易进入机内 能防止任何方向飞溅的水滴和杂物侵入 适用于潮湿 多尘土 易受风雨侵袭 有腐蚀性蒸汽或气体的各种场合 密封式电机 一般使用于液体 水或油 中的生产机械 例如潜水泵等 防爆式在封闭结构的基础上制成隔爆型 增安型和正压型3类 都适用于有易燃易爆气体的危险环境 例如油库 煤气站或矿井等场所 对于湿热地带 高海拔地区及船用电机等 还得选用有特殊防护要求的电机 3 额定电压的选择电动机的额定电压的选择 取决于电力系统对该企业的供电电压和电动机容量的大小 交流电动机电压等级的选择主要依使用场所供电电压等级而定 一般低电压网为380V 故额定电压为380V Y或 接法 220 380V Y接法 380 660V Y接法 3种 矿山及煤厂或大型化工厂等联合企业 越来越要求使用660V 接法 或660 1140V Y接法 的电机 等电动机功率较大 供电电压为6000V或10000V时 电动机的额定电压应选与之适应的高电压 直流电动机的额定电压也要与电源电压相配合 一般为110V 220V和440V 其中220V为常用电压等级 大功率电机可提高到600 1000V 当交流电源为380V 用三相桥式可控硅整流电路供电时 其直流电动机的额定电压应选440V 当用三相半波可控硅整流电源供电时 直流电动机的额定电压应为220V 若用单相整流电源 其电动机的额定电压应为160V 4 额定转速的选择额定功率相同的电动机 其额定转速越高 则电动机的体积越小 重量越轻 造价越低 一般地说电动机的飞轮距GD2也越小 但生产机械的转速一定 电动机的额定转速越高 拖动系统传动机构的速比越大 传动机构越复杂 电动机的GD2和额定转速影响到电动机过渡程持续的时间和过渡过程中的能量损耗 电动机的GD2 越小 过渡过程越快 能量损耗越小 因此 电动机额定转速的选择 应根据生产机械的具体情况 综合考虑上面所述的各个因素来确定 二 电动机的发热与冷却 1 电动机的发热电动机运行过程中 各种能量损耗最终变成热能 使得电动机的各个部分温度上升 因而会超过周围环境温度 温度升高的热过渡过程 称之为电动机的发热过程 电动机温度高出环境温度的值称为温升 一旦有了温升 电动机就要向周围散热 当电动机单位时间发出的热量等于散出的热量时 温度不再增加 而保持一个稳定不变的温升 称为动态热平衡 2 电动机的冷却负载运行的电动机 在温升稳定以后 如果减少或去掉负载 那么电动机内耗及单位时间发热量都会随之减少 这样 原来的热平衡状态被破坏 变为发热少于散热 电动机温度就要下降 温升降低 降温过程中 随着温升减小 单位时间散热量也减少 当重新达到平衡时 电动机不再继续降温 而稳定在一个新的温升上 这个温升下降的过程称为电动机的冷却过程 3 电动机的绝缘等级从发热方面来看 决定电动机容量的一个主要因素就是它的绕组绝缘材料的耐热能力 也就是绕组绝缘材料所能容许的温度 电动机在运行中最高温度不能超过绕组绝缘的最高温度 超过这一极限时 电动机使用年限就大大缩短 甚至因绝缘很快烧坏而不能使用 根据国际电工委员会规定 电工用的绝缘材料可分为7个等级 而电动机中常用的有A E B F H5个等级 而各等级的最高容许温升分别为105 120 130 155 180 我国规定40 为标准环境温度 绝缘材料或电动机的温度减去40 即为允许温升 用 max表示 三 电动机的工作方式 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 因而对选择的电动机功率影响也很大 按电动机发热的不同情况 可分为以下3种工作方式 1 连续工作方式连续运行方式是指电动机工作时间tr 3 4 为电动机的发热时间常数 表征电动机热惯性的大小 后温升可以达到稳态值 也称长期工作制 属于这类生产机械的有水泵 鼓风机 造纸机等 2 短时工作方式短时工作方式是指电动机工作时间tr 3 4 这样工作时温升达不到稳态值 而停歇后温升降为零 属于此类生产机械的有机床的夹紧装置 某些冶金辅助机械 水闸闸门启闭机等 短时工作方式下电动机的额定功率是与规定的工作时间相对应的 这一点需要注意 与连续工作方式的情况不完全一样 电动机铭牌上给定的额定功率是按15min 30min 60min 90min4种标准时间规定的 3 周期性断续工作方式周期性断续工作方式是指工作和与停歇相互交替进行 两者时间都比较短 即工作时间tr 3 4 停歇时间t0 3 4 工作时温升达不到稳态值 停歇时温升降不到零 属于此类工作的生产机械有起重机 电梯 轧钢辅助机械等 在重复短时工作方式下 负载工作时间与整个周期之比称负载持续率 又称暂载率 用FS表示 即FS 我国规定的负载持续率有15 25 40 和60 4种 一个周期的总时间为 10min 8 12 四 额定功率的选择 正确选择电动机容量的原则 应在电动机能够胜任生产机械负载要求的前提下 最经济最合理地决定电动机的功率 若功率选得过大 设备投资增大 造成浪费 且电动机经常欠载运行 效率及交流电动机的功率因数较低 反之 若功率选得过小 电动机将过载运行 造成电动机过早损坏 决定电动机功率的主要因素有3个 1 电动机的发热与温升 这是决定电动机功率的最主要因素 2 允许短时过载能力 3 对交流笼型异步电动机还要考虑起动能力 1 恒值负载时电动机额定功率的选择恒值负载是指在工作时间内负载大小不变 包括连续和短时两种工作方式 电动机额定功率的选择是在假设环境温度为40 及标准散热条件下 且在电动机不调速的前提下进行的 1 连续工作方式在连续工作方式情况一 选择电动机的额定功率PN等于或略大于负载功率PL 即PN PL 8 13 式中 PL是根据具体生产机械的负载及效率进行计算的 可查阅相关机械设计手册 由于这个条件本身是从发热温升角度考虑的 故不必再校核电动机的发热问题 只需校核过载能力 必要时还要校核起动能力 过载能力是指电动机负载运行时 可以在短时间内出现的电流或转矩过载的允许倍数 校核电动机过载能力可按下列条件进行Tmax TN 8 14 式中Tmax 电动机在工作中所承受最大转矩 N m 电动机允许过载倍数 对不同类型的电动机 取值不完全一样 若预选的电动机过载能力达不到 则要重选电动机及额定功率 直到满足要求为止 对三相笼型异步电动机 最后还要校核起动能力是否达到 若达不到 也应重选电动机及其额定功率 以上关于额定功率的选择是在标准环境温度为40 前提下进行的 若电动机工作的环境温度发生变化 则必须对电动机的额定功率进行修正 根据理论计算和实践 在周围环境温度不同时 电动机的功率可粗略地按表8 1相应增减 表8 1不同环境温度下的电动机功率增减百分数 由表8 1可见 环境温度低 电动机实际功率应比标准规定的额定功率高 反之 则应降低额定功率使用 2 短时工作方式选择短时工作方式的电动机 对短时工作方式下的负载 其工作时间与电动机的标准时间一致 例如也是15min 30min 60min和90min 则选择电动机的额定功率只须满足PN PL 若负载的工作时间与标准工作时间不一致 则预选电动机功率时 应先按发热和温升等效的原则把负载功率由非标准工作时间折算成标准工作时间 然后再按标准工作时间预选额定功率 设短时工作方式负载工作时间为tr 其最近的标准工作时间为trb 则预选电动机额定功率应满足 8 15 上式是从发热和温升等效原则得出的 故经过向标准工作时间折算后 预选电动机肯定能满足温升条件 不必再校核 选择连续工作方式的电动机 由于短时工作方式的电动机较少 故可选择连续工作方式的电动机 从发热和温升的角度考虑 电动机在连续工作方式下应该输出比连续工作方式时额定功率要大的功率才能充分发挥电动机的能力 或者说 预选电动机时也要把短时工作的负载功率等效折算到连续工作方式上去才合理 设电动机中不变损耗与额定负载时的可变损耗的比值用 表示 则预选的电动机额定功率应满足 8 16 式中 发热时间常数 tr 短时工作时间 s 其中 数值因电动机而异 一般地说 普通直流电动机 1 1 5 冶金用直流电动机 0 5 0 9 冶金专用中 小型三相绕线转子异步电动机 0 45 0 6 冶金专用大型三相绕线转子异步电动机 0 9 1 0 普通三相笼型异步电动机 0 5 0 7 对于具体电动机而言 和 可从技术数据中找出或估算 若实际工作时间极短 则电动机的发热与温升已不成问题 只需从过载能力及起动能力方面来选择电动机连续工作方式下的额定功率 短时工作方式折算到连续工作方式下再预选电动机额定功率后 也不必再进行温升校核 2 变化负载时电动机额定功率的选择 1 周期性变化负载连续工作方式 连续工作方式下的变化负载 其变化通常具有周期性 负载变化周期为tt 一个周期内负载的平均功率式中PL1 PL2 PLn 各段负载功率 kW t1 t2 tn 各段负载作用时间 s 按负载平均功率再乘上1 1 1 6的系数来预选电动机的额定功率 即 8 18 电动机的额定功率预选好后 还要进行发热 过载能力及必要时的起动能力校验 若其中有一项不合格 须重新选择电动机 再进行校核 直到各项都合格为止 8 17 校核电动机发热的方法很多 这里只介绍一种常用的等效转矩法 负载转矩已知后 只是作为预选电动机额定功率的依据 校核发热温升 还需要知道电动机在一个周期内电磁转矩的变化情况 怎样从负载转矩找出电动机的电磁转矩与时间的关系T f t 呢 在电动机稳定运行时 转速恒定 则T TL 在电动机过渡过程 起动与制动 中 则T TL Ta Ta为动转矩 即使电力拖动系统加速或减速的转矩 加速时为正值 减速时为负值 这样 一个周期内电动机的电磁转矩情况便可确定 在电动机气隙磁通恒定的条件下 一个周期内发热相同的等效转矩Td可用式 8 19 表示 式中Ti 第i段电动机的电磁转矩 N m 若Td TN 则发热校核通过 TN为预选电动机的额定转矩 等效转矩法使用于气隙磁通恒定的条件 若电动机在运行过程中只有一段时间采用降低磁通升速 则通过对弱磁阶段的转矩进行修正 也可使用等效转矩法 即将弱磁这一段的转矩向着额定磁通折算 便可认为整个周期时间内均为恒定磁通 设弱磁段的转矩为 转速为n 折算后的转矩为 8 19 转速为额定转速 则它们之间的关系为 8 20 2 周期性断续工作方式 这种工作方式的电动机 按标准规定每个工作与停歇的周期不超过10min 每个周期内都有起动 运行 制动和停歇各个阶段 普通电动机难以胜任如此频繁的起 制动工作 因此 周期性断续工作方式的电动机有转子细长 飞轮矩小 起动和过载能力强 机械强度大 绝缘等级高等特点 若负载持续率为标准负载持续率 则预选电动机的额定功率应满足 1 1 8 21 若负载持续率为非标准负载持续率 则需向与其最接近的标准负载持续率FSb 折算 折算的原则是损耗相等 折算后的公式为 1 1 8 22 式中FS 负载实际持续率 预选电动机额定功率后进行发热校核时仍可用等效转矩法 先找出电动机在工作时间内电磁转矩与时间的关系 再计算等效转矩Td 对于他扇冷式电动机 等效转矩为对于自扇冷式电动机 由于起动与制动过程中电动机转速低 散热条件差 稳定后的最高温升将比没有起制动时的要高 因此需相应提高等效转矩 即 8 23 8 24 式中ts 起动时间 s tc 恒速运行时间 s tb 制动时间 s 系数 其值因电动机而异 一般直流电动机为0 75 异步电动劝机为0 5 若Td TN 则发热校核通过 上述方法适用于10 FS 70 的范围 当负载持续率FS 10 时 应按短时工作方式处理 根据过载及起动能力选择电动机的额定功率 当FS 70 时 则应按连续工作方式处理 选择连续工作方式的电动机 其负载性质属于一个周期性变化负载 且每个周期内包括一次起动 制动和停歇时间 他扇冷式电动机的等效转矩为式 8 24 自扇冷式电动机的等效转矩为 8 25 式中T0 停歇时间 s 系数 其值通常为小于1 直流电动机约为0 5 异步电动机约为0 25 若 则发热校核通过 周期性变化负载预选电动机额定功率及发热校核通过后 还需校核过载能力 必要时还要校核起动能力 这些是同常值负载情况一样的