第13章电力拖动系统的方案与电动机选择(1)

1第13章电力拖动系统的方案与电动机选择1第13章电力拖动系统的方案与电动机选择1电气工程教研室2电力拖动系统的方案选择：供电电源、电动机与负载的配合、调速方案、起制动与正反转、经济性的选择；电动机的选择：电动机内部的发热与冷却规律、电动机的工作制以及各种工作方式下电动机额定功率的选取。内容简介313.1电力拖动系统的方案选择电力拖动系统是由供电电源、电动机、控制设备、传动机构及生产机械组成。4在电力拖动系统基本方案选择时，应该重点考虑如下几个方面的问题：电力拖动系统供电电源的考虑；电动机的选择；电动机与生产机械负载配合的稳定性考虑；调速方案的选择；电力系统的起、制动方法、正、反转方案的选择；经济指标的考虑，主要包括电网功率因数的考虑、调速方案的选择以及电网污染的考虑；电力拖动系统控制策略的选择；可靠性的考虑。5A、电力拖动系统供电电源的考虑电力拖动系统的供电电源可分为三大类：交流工频50Hz电源；独立变流机组电源；电力电子变流器电源。其中，电力电子变流器电源指的是由各类电力电子器件组成的整流器（直流电源）、变频器、交流调压器（交流电源）以及各式各样的逆变器等。6B、电力拖动系统稳定性的考虑电机与所拖动的负载只有合理配合，才能确保电力拖动系统稳定运行。借助于电动机所提供的机械特性和生产机械的负载转矩特性便可以对电力拖动系统的稳定运行情况进行判别。图13.1给出了由各种电动机组成的电力拖动系统的机械特性与恒转矩负载特性，旨在对电力拖动系统的稳定性进行判别。判断稳定性，要根据：2375emLGDdnTTdt判断方法一：分析负载转矩波动与n波动的关系（如TL增加，则n下降）；然后根据电动机机械特性曲线判断转速变化时，对应的电磁转矩Tem变化趋势。判断方法二：根据公式AAnLnemnTnT7emT图13.1电力拖动系统电动机机械特性与负载转矩特性的配合8emT图13.1电力拖动系统电动机机械特性与负载转矩特性的配合曲线1：他励直流电动机的机械特性，考虑电枢反应的去磁作用；曲线2：三相异步电动机的机械特性；曲线3：高性能鼠笼式异步电动机，或绕线式异步电动机转子串电阻的机械特性9C、调速方案的选择电动机的机械特性决定了拖动系统的调速方式，而且每一种调速方式又具有不同的调速性质。电动机的调速特性应与负载的转矩特性相一致，才能使电动机的功率得到充分利用。否则，电动机工作在轻载状态，造成不必要的电能浪费。对于他励直流电动机，可以采用：（1）电枢回路串电阻调速；（2）电枢调压调速；（3）弱磁调速。10从调速性质来看：电枢回路串电阻调速与电枢调压调速属于恒转矩调速性质，因而适应于恒转矩负载；aTeeaaICTnCEIREU1eTeaeTCCRCUn21单独U1下降→n下降→E下降单独Ra增加→n下降→E下降不变）（不变）（aaaaIREUIREU//11不变不变不变、eaTI调速过程中，保持Ia=IN不变11而弱磁调速属于恒功率调速性质，因而适应于恒功率负载。nICRCUaeae1不变不变aeIEnCeaTTIC不变PnTnTTeee955060210001000调速过程中，保持Ia=IN不变12对于异步电动机，可以采用：（1）变频调速；（2）变极调速；（3）改变转差率调速。其中，转差率的改变可以通过：a.改变定子电压；b.改变转子电阻；c.在转子绕组上施加转差频率的外加电压（如双馈调速与串级调速）等方法来实现。)1(601spfn1321cos)2(3cos31111NNNNYYYIUIUPP1)29550/()9550(11nPnPTTYYYYYY从调速性质来看：基频以下变频调速与Y/YY变极调速属于恒转矩调速，适应于恒转矩负载。Y/YY接变极调速的机械特性基频以下变频调速时的机械特性(=常数)11/fE111112cosUIUmPNN11229550fUnPT14从调速性质来看：Δ/YY变极调速则属于近似恒功率调速，基频以上变频调速属于恒功率调速，适应于恒功率负载。/YY接变极调速的机械特性1111ffff基频以上变频调速时的机械特性(UN=常数)211111cosNNNPmUIUU212119550NUPUTnff866.023cos)2(3cos)3(31111NNNNYYIUIUPP3)29550/()9550(11nPnPTTYYYY15从调速性质来看：改变转差率调速则视具体调速方式有所不同，其中，改变定子电压的调速方式既非恒转矩也非恒功率调速，而转子串电阻的调速则属于恒转矩调速，双馈调速则属于恒转矩调速。调压调速时电磁转矩Tem与转差率s成反比；Pem也与s成反比。122211//srImPTemem转子串电阻调速的机械特性2222coscosemTmTmNNTCICI常数16双馈调速的机械特性曲线(与同相或反相时)sU2sE2amTmTemICICT21221cos17D、起、制动和正、反转与相应方案的选择电力拖动系统的过渡过程包括起、制动、正、反转、加减速以及负载变化等，它与系统的快速性、生产率的提高、损耗的降低、可靠性的保证等密切相关。a、起动电力拖动系统对起动过程的基本要求是：电动机的起动转矩必须大于负载转矩；起动电流要有一定限制，以免影响周围设备的正常运行。18直流电动机与绕线式异步电动机的起动转矩和起动电流是可调的，仅需考虑起动过程的快速性。对于鼠笼式异步机，其起动转矩不大，起动性能较差；尤其是采用降压起动时，只适用于空载或轻载起动的场合，例如风机、泵类负载等，容量越大，起动转矩倍数越低，起动越困难。若普通鼠笼式异步机不能满足起动要求，则可考虑采用深槽转子或双鼠笼转子异步机，此时起动转矩提高，可用于重载起动的生产机械，如压缩机、皮带运输机等。若起动能力不能满足要求，可考虑采用软起动或变频起动。19b、制动制动方法的选择主要应从制动时间、制动实现的难易程度以及经济性等几个方面来考虑。对于交、直流电动机（串励直流电动机除外），均可考虑采用反接、能耗和回馈三种制动方案。反接制动时制动转矩大，能量消耗也大，反抗性负载要求转速为零时要及时切断电源；能耗制动时过程平稳，能准确停车，但随着转速下降制动转矩减小较快，且异步电动机需在定子绕组中通直流，略显复杂；回馈制动时电能可回馈至电网且无需改接线路，因而比较经济，但需在位能性负载下放场合（反向）或降压降速/增磁降速（直流电动机、正向）、变极降速/降频降速（异步电动机、正向）过程中。2375emLGDdnTTdt2021)(3752nnLemdnTTGDtc、反转对拖动系统反转的要求是：不仅能够实现反转，而且正、反转之间的切换应当平稳、连续。一般来讲，直流电动机比交流电动机优越。但随着电力电子变流器技术的发展，交流电机包括无刷直流电动机、开关磁阻电动机等均可实现正、反转之间的平滑切换。d、平稳性与快速性dtdnGDTTLem3752利用上式便可得到电动机起、制动或调速过程所需要的时间表达式为：（13-5）21结论：若希望缩短起、制动过程，应使尽可能大。这是选择电动机的一个重要依据。2/GDTem从运行的平稳性上看，则希望电动机的惯量与负载惯量相匹配，亦即电动机的惯量要超过负载的惯量，即：LMGDGD][][22（13-6）若负载惯量是变化的（如工业机械手负载等），为确保系统平稳运行，则要求负载飞轮矩的变化量应小于电动机飞轮矩的1/5，即：}][{5][22LMGDGD（13-7）21)(3752nnLemdnTTGDt22为了提高电动机的力矩惯量比，可选用小惯量电动机。但根据惯量匹配原则，小惯量电动机仅适应于负载惯量较小、过载能力要求不高的场合。对于象重型机床等负载惯量大、过载严重的场合，则应选择大惯量电机如力矩电动机。dtdJTTLemgGDDgGmJ4422260/2ndtdnGDTTLem37522/GDTem23E、电力拖动系统经济性指标的考虑经济性指标主要是指一次性投资与运行费用，而运行费用则取决于耗能即效率指标。电力拖动系统的设计过程中，应考虑如下几个方面：a、电网功率因数的改善对于异步电动机，最大功率因数大都发生在满载附近（负载率75%）。轻载时，为了改善功率因数，可以采用调压或变频方案，也可以考虑在供电变压器上增加并联电容实现无功补偿。)()()(2122221111121mmmmmmjxrIzIEExjsrIEjxrIEUIII空载或轻载时：0,21Inn定子电流只有激磁分量Im，jXm占主导，功率因数很低（0.1~0.2）。2425b、调速节能异步电动机的最高效率多出现在满载附近。当电动机轻载或空载运行时，可以采用变频调速或使用多台电动机协调运行（轻载时减少台数），以提高交流拖动系统的运行效率。不同的调速方式具有不同的运行效率。就直流拖动系统来讲，晶闸管变流器供电的直流调速与自关断器件的斩波器调速的效率要比电枢回路串电阻调速的效率高得多。位能性负载下降（或下坡）时采用回馈制动可以回收能量，达到节电的目的。对于交流拖动系统，可采用的调速方案有：转子串电阻调速、调压调速、滑差电机调速、双馈电机调速（包括串级调速）、变频调速等。前三种调速方式耗能较大，后两种调速方式效率较高。26c、电网污染解决由电力电子变流器供电电源所引起的“电网污染”问题，即产生的谐波所带来的问题，包括增加其他用电设备的损耗，及造成周边设备的不稳定运行。为实现所谓的“绿色”电能的转换，可采取如下措施：在供电变压器的二次侧额外增加有源滤波器（Active-Power-Filter，APF）；在变流器内部采用由自关断器件组成的PWM整流器（Pulse-Width-ModulationRectifier，PWMRectifier）。2713.2电动机的一般选择电动机是生产机械和家用电器的主要动力来源，因此其选择十分重要。电动机容量的选择应避免出现“大马拉小车”的现象，以免造成电动机的运行效率与功率因数均偏低，电动机以及传输线路的损耗增加，电能浪费严重。但也要适当考虑设备运行的可靠性。电动机选择的基本要求：结构型式满足环境和安装方法的要求，绝缘等级与负载特性和环境温度要求相适应；电动机应全面满足被驱动机械负载的各种要求；按技术和经济性的合理性原则选择电动机类型、电压等级（低压、高压等）、结构型式和冷却方式（空冷、水冷等），以保证电机和生产机械的可靠性和经济性；应满足供电电网的要求，对于容量较小的电网，应特别考虑电动机起动电流引起的电网电压降低的影响以及保持电网功率因数的合理范围。28电动机选择的主要内容：电动机的选择不仅仅包括容量选择，而且还涉到电动机的额定电压、额定转速以及结构形式等的选择。A、使用环境使用条件指电动机运行地点的海拔、环境空气温度、环境空气相对湿度以及是否有爆炸性危险环境等。一般情况下，电动机在以下环境下应能满载正常运行：海拔不超过1000米；环境温度：最高不超过40度，最低不超过-15度；最湿月份月平均最高相对湿度为90%，同时该月月平均最低温度不超过25度。29B、额定电压的选择电动机的额定电压、相数、额定频率应与供电系统一致。对于交流电动机，中、小型异步电动机的额定电压大都为220/380V(Δ/Y联结)及380/660V(Δ/Y联结)两种。当电动机功率较大时，可根据供电电源系统，选用3000、6000V和10000V的高压电动机。电动机额定功率PN100kW时，选380V；PN200kW时，选380V或3000V；PN200kW时，选6000V；PN1000kW时，选10kV。对于直流电动机，其额定电压一般为110V、220V、440V以及600~100