11第11章电力拖动系统电动机的选择

第11章电力拖动系统电动机的选择在研究电动机发热时，常把电动机温度与周围环境温度之差称为“温升”。显然，使用不同的绝缘材料的电动机，其最高允许温升是不同的。电动机铭牌上所标的温升是指所用绝缘材料的最高允许温度与40℃之差，或称为额定温升，例如，国产Z2－72型直流电动机用的是E级绝缘，其最高允许温度是120℃，所以其铭牌上标的温升是80℃。对于异步电动机，其关系为mTKK)85.0~8.0(选择电动机功率时，除考虑发热外，有时还要考虑电动机的过载能力是否足够，因为各种电动机的短时过载能力都是有限的。校验电动机的过载可按下列条件NTKTmaxT≤第一节电动机的发热和冷却及电动机工作制的分类对于直流电动机，过载能力受换向所允许的最大电流值的限制。Z型直流电动机，在额定磁通下，可选为2~5.1TK对于专为起重机、轧钢机、冶金辅助机械等设计的ZZ型和ZZY型电动机，以及同步电动机，3~5.2TK对于笼型异步电动机，有时还须进行起动能力的校验。一、电动机的发热过程Cu01221Δ)1(Δ1)/1(ΔppPPPPPPP电动机的发热是由于工作时，在其内部产生损耗造成的，其值为P式中，为热流量（电动机单位时间内发出的热量）热平衡方程式为tACtdddAtACdd整理得令，，得基本形式的微分方程TAC/WA/WtTdd其解为下列形式TtQTtW//e)e1(式中，为发热过程的起始温升。Q电动机的最高稳定温升可达APAmNNΔ式中，电动机在额定功率下运行时的损耗功率及热流量。NNΔ及P电动机发热过程的温升曲线NNN1APm对同样尺寸的电动机，欲使其额定功率提高，可由下列三方面入手:1）提高额定效率N2）提高散热系数A3）提高绝缘材料的允许温升二、电动机的冷却过程电动机的冷却可能有两种情况。其一是负载减小，电动机损耗功率△P下降时；其二是电动机自电网断开，不再工作，电动机的△P变为零。电动机冷却过程的曲线电动机在运行中只要电动机发出的热流量或，电动机温度就不会超过允许值。N≤NPΔPΔ≤三、电动机工作制的分类（一）连续工作制电动机连续工作时间很长，其温升可达稳定值。属于这类的生产机械有水泵、鼓风机、造纸机、机床主轴等。（二）短时工作制电动机的工作时间较短，在此时间内温升达不到稳定值，而停车时间又相当长，电动机的温度可以降到周围介质的温度，属此类的生产机械有机床的辅助运动机械、某些冶金辅助机械、水闸闸门启闭机等。连续工作制的曲线短时工作制的曲线（三）断续周期工作制断续周期工作制的曲线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ZC％%100%0tttZCgg连续周期工作制的功率负载图第二节连续工作制电动机的选择一、常值负载下电动机功率的选择ZP在计算出负载功率后，选择额定功率NP在周围环境温度不同时，电动机功率可粗略地相应增减。环境温度低于30℃时，一般电动机功率也只增加8％。kkPPmm)1(C400N环境温度30℃35℃40℃45℃50℃55℃电动机功率增减的百分数＋8％＋5％0－5％－12.5％－25％ZPNP≥必须指出，工作环境的海拔高度对电动机温升有影响，这是由于海拔高度越高，虽然气温降低越多，但由于空气稀薄，散热条件大为恶化。这两方面的因素互相补偿，因此规定，使用地点的海拨高度不超过1000m时，额定功率不必进行校正。当海拔高度在1000m以上时，平原地区设计的电动机，出厂试验时必须把允许温升降低，才能供高原地带应用。[例11-1]一台与电动机直接联结的离心式水泵，流量为扬程20m，吸程5m，转速为，泵的效率，试选择电动机。/hourm903r/min290078.0B解水泵在电动机轴上的负载功率为：310BzHVP式中，V——泵每秒排出的水量（）/sm3——水的比重3N/m9810H——排水高度（m）——泵的效率，活塞式泵为0.8～0.9，高压离心泵为0.5～0.8，低压离心泵为0.3～0.6；B——传动机构效率，直接联接为0.95～1，皮带传动为0.9kW3.8kW1095.078.0)520(98103600903ZP选择JO-51-2型异步电动机即可，其数据为：kW10NPV380NUr/min2920Nn对选用的电动机不必进行发热校验。二、变化负载下电动机功率的选择在变化负载下所使用的电动机，一般是为常值负载工作而设计的。因此，这种电动机用于变化负载下的发热情况，必须进行校验。所谓发热校验，就是看电动机在整个运行过程中所达到的最高温升是否接近并低于允许温升，因为只有这样，电动机的绝缘材料才能充分利用而又不致过热。变化负载下电动机功率选择的一般步骤如下：)(tfTZ1）计算并绘制生产机械负载图或。)(tfPZ2）预选电动机的功率。niniZiZZZdttPtttPtPP11212211niniZiZZZdttTtttTtTT11212211在过渡过程中，可变损耗与电流平方成正比，电动机发热较为严重，电动机额定功率按下式预选ZdP)6.1~1.1(NP≥NP≥9550)6.1~1.1(NnTZd3）作出电动机的负载图，作图时已考虑了电动机的稳定运转及过渡过程等工作情况。4）进行发热、过载能力及必要时的起动能力校验。下面着重介绍校验发热的方法：（一）平均损耗法ZZZZttttACtPt0000dddΔdAAPAtztPttddtztdzzΔ/dΔd00niniidttPP11ΔΔ（二）等效法1．等效电流法Cui0ΔppPi20iCIp（式中C为常数）把平均损耗中的可变损耗所对应的电流称为等效电流dPdxIniniininiidxttICpttCIpCIp1120112020)(niniidxttII112等效电流法，就是按照损耗相等的原则，求出一个等效的不变的电流来代替变化的负载电流（对于交流异步电动机，应为定子电流），如果预选电动机的额定电流满足下列条件：则发热校验通过。dxI)(tfIdxINI≥2．等效转矩法niniidxttTT112有时已知的不是负载电流图，而是转矩图，可以写成转矩形式NNN9550nPT3．等效功率法等效功率法是当转速基本不变时由等效转矩法引出来的。iniindxttPP11NT如果预选电动机的额定转矩，则发热校验通过。可由预选电动机的额定功率及额定转速算出，即dxTNT≥如，则电动机的发热校验即告通过。同样，必须进行功率过载能力的校验。dxPNP≥有起、制动，停歇时间的变化负载电流图（三）有起动、制动及停歇过程时校验发热公式的修正以右图所示的负载电流图为例00321323222121taattattItItIIdx（四）等效法在非恒值变化负载下的应用如果非恒值变化负载如左图的电流图所示ttittiItttdx02002ddd用直线段代替曲线变化负载电流图另一种较简便的方法是把变化曲线分成许多直线段，求出各段的等效值，然后求出等效电流值。3d11221210111ItttItItdx32554245IIIIIdx[例11-2]右图中绘出了具有尾绳和摩擦轮的矿井提升机的示意图。电动机直接与摩擦轮1相联结，摩擦轮旋转，靠摩擦力带动绳子及罐笼3（内有矿车及矿物G）提升或下放。尾绳系在两罐笼之下，以平衡提升机左右两边绳子的重量。提升机用双电动机拖动，试计算电动机功率。已知下列数据：1、井深m915H2、负载重N58800G具有尾绳和摩擦轮的矿井提升机示意图3、每个罐笼（内有一空矿车）重N771503G4、主绳与尾绳每米重N/m1064G5、摩擦轮直径m44.61d6、摩擦轮飞轮惯量221mN2730000GD7、导轮直径m52d8、导轮飞轮惯量222mN584000GD9、额定提升速度m/s16Nv10、提升加速度21m/s89.0a11、提升减速度23m/s1a12、周期长s2.89zt13、摩擦用增加负载重的20%考虑解预选电动机功率10002.1NGvkP式中——考虑起动及制动过程中加速转矩的系数，取，则25.1~2.1k25.1kkW1400kW100016588002.125.1P每个电动机的功率为700kWr/min5.47r/min44.6π1660π601NNdvn对于功率为700kW，转速为47.5r/min的电动机，飞轮矩22mN1065000DGDmN227203mN244.6588002.122.11dGTz阻转矩s18s89.0161N1avt加速时间m2.144m1889.0212122111tah加速阶段罐笼行经高度减速时间s16s1163N3avt减速阶段罐笼行经高度m128m161212122333tah稳定速度罐笼行经高度312hhHhm7.642m128m3.144m915稳定速度运行时间s2.40s167.642N22vht停歇时间sstttttz15)162.40182.89(3210折算到电动机轴上系统总的飞轮矩222baGDGDGD式中——系统中转动部分的飞轮矩；——系统中直线运动部分的飞轮矩2aGD2bGD导轮转速r/min61r/min5π1660π602N2dvn二导轮折算到电动机轴上的飞轮惯量2222N22222mN1926262mN5.4761584000222nnGDGD)(22222122GDGDGDGDDa22mN6780000mN)192000027300002130000(系统直线运动部分总重LGGGG432式中m1920m)909152(902HLN416700N)192010677150258800(G系统直线运动部分重量折算到电动机轴上的飞轮矩22222N2N2mN17253838mN5.4716416700365365nvGGDb系统总飞轮矩22222mN24040100mN)172538386786262(baGDGDGD加速阶段的加速转矩mN169171mN185.4737524040100375dd3751N2121tnGDtnGDTa减速阶段的动态转矩mN190317mN165.4737524040100375dd3753N2323tnGDtnGDTa电动机转矩azTTT加速阶段：s181tmN396374mN)169171227203(1T稳定运行阶段：s2.402tmN2272032T减速阶段：s163tmN36886mN)190317227203(3T停歇阶段：s150t00T按负载图，求出等效转矩00321323222121taattattTtTtTTdx75.0a式中，散热恶化系数5.00amN259386mN155.01675.02.401875.016368862.4022720318396374222dxT过载能力校验：253.12593863963741dxTT两电机的等效功率kW12909550NnTPdxdxkW1400NdxPP电动机发热及过载能力的校验均可通过。矿井提升的负载图第三节短时工作制电动机的选择一、选用为连续工作制而设计的电动机gt设短时功率为，时间为。如果选择连续工作制电动机，由发热观点，电动机不能得到充分利用。gPAPAPWTtgggN/Δ)e1(