教學目標
??了解電動機容量選擇的基本理論。
??掌握電力拖動系統中電動機容量選擇的工程方法 。
5.1 The choice of Motor
??There are many factors which must be considered when choosing a motor for a particular drive. In the following notes, the main points are highlighted but the final choice is usually a matter for the specialist. Not all the factors can be dealt with here, but the summary notes, together with the relevant sections of the main text, will be sufficient to give a good appreciation of the general problem.
??The solution of this problem is not usually unique and opinions may differ widely in some cases as to he most suitable motor-drive system. However, it may be said in brief that the correct motor is the one which meets the required specification at minimum cost, but this is not a simple matter to estimate. It must include not only the capital cost of the motor-drive system itself but also the running costs. The capital cost includes the provision of any special supplies find control gear to run the motor.
??The running cost includes interest, charges on capital equipment and buildings and charges for the power losses consumed in the machine and control circuits; obviously power factor and efficiency are of significance here. Maintenance is also a regular running cost and would normally be higher with complex control gear and with machines having rubbing contacts at slip rings and commentators. Installation costs too may be decisive; for example, special foundations are required for motor-generator sets but not for static conversion equipment. Such equipment also makes less demands on space and is less noisy than rotating machinery. On the other hand, there is considerable harmonic generation which poses a suppression problem.
??Some motors are excluded from a particular application because the operating environment is "hostile" in some way, as in conditions of high temperature, high vacuum, high speed or in the presence of corrosive liquids, A brushless type of machine then becomes essential. Induction motors are generally the cheapest type off machine especially if a single, cage rotor is satisfactory. The price increases as more demands are made on the control side and which might necessitate a wound-rotor machine.
??Even then the power factor remains poor unless correction is applied, and the brushless synchronous machine may therefore become competitive. If simple, infinitely-variable speed-control is required, then a.c. or d.c. commutator machines are called for, unless a variable-frequency supply with induction or synchronous motors can be justified. This special supply could be partly offset against the cost of d.c. or variable-voltage a.c. apparatus required for commutator machines
§ 電動機的一般選擇
????電動機種類(機種)的選擇
????主要種類:電力系統中拖動生產機械運行的原動機即驅動電機,包括直流電動機和交流電動機兩種。交流電動機又有異步電動機和同步電動機兩種。
????種類選擇時考慮的主要內容
????電動機的機械特性:生產機械具有不同的轉矩轉速關系,要求電動機的機械特性與之相適應。
????電動機的調速性能:調速范圍、調速的平滑性、調速系統的經濟性都應該滿足生產機械的要求。
????電動機的起動性能
????電源
????經濟性
????綜合觀點:以上各方面在旋轉電動機時必須都考慮到,都得到滿足后才能選定;能同時滿足以上條件的電動機可能不是一種,還應綜合其他情況,諸如節能、貨源等加以確定。
????安裝方式:臥式、立式
????軸伸個數:伸出到端蓋外面與負載聯接的轉軸部分,稱為軸伸。分為單軸伸和雙軸伸。
????防護方式:開啟式、防護式、封閉式和防爆式幾種。
????開啟式電動機,在定于兩側與端蓋上都有很大的通風口。散熱好,價格便宜,但容易進灰塵、水滴、鐵屑等雜物。只能在清潔、干燥的環境中使用。
????防護式電動機,在機座下面有通風口。散熱好,能防止水滴、鐵屑等從上方落入電機,但不能防止潮氣和灰塵侵入。適用于比較干燥、沒有腐蝕性和爆炸性其他的環境。
????封閉式電動機,機座和端蓋上均無通風孔,完全是封閉的。又分為自冷式、自扇冷式、他扇冷式、管道通分式及密封式。
????防爆式電動機適用干有易燃、易爆氣體的場所,如礦井、油庫、煤氣站等。
????電動機額定電壓和額定轉速的選擇
????額定電壓的選擇:電動機等級、相數、頻率都要與供電電壓一致。
????額定轉速的選擇:對電動機本身而言,額定功率相同的電動機額定轉速越高,體積越小,造價越低,一般說電動機轉子越細長,轉動慣量越小,制動時間短。
????當生產機械所需額定轉速一定的前提下,一般來講若還需要傳動機構減速,則電動機額定轉速越高,傳動機構速比越大,機構越復雜,而且傳動損耗也越大。通常電動機額定轉速不低于 500r/min 。
????不需要調速的高、中速機械:如泵、鼓風機、壓縮機可選相應額定轉速的電機,而不需要減速機構;
????不需調速的低速機械:如球磨機、破碎機、某些化工機械等可選用相應轉速的電動機或有較小速比的減速機構。
????調速要求不高的各種生產機床,則可選擇轉速稍高的電動機配以減速機構或選多級電動機。
????調速要求較高的生產機械應考慮生產機械最高轉速與電動機最高轉速相適應,直接用電氣調速。
5.2 電動機的發熱與溫升
????電動機溫度比環境溫度高出的值稱為溫升。
????一旦有了溫升,電動機就要向周圍散熱;溫升越高、散熱越快。當電動機單位時間發出的熱量等于放出的熱量時,電動機溫度不再增加,而保持著一個穩定不變的溫升,即處于發熱與散熱平衡的狀態。
????以上是一個溫度升高的熱過渡過程,稱之為發熱。
????分析熱過渡過程有以下假設:
(1) 電動機長期運行,負載不變,總損耗不變;
(2) 電動機本身各部分溫度均勻;
(3) 周圍環境溫度不變。
????熱容量越大,熱慣性越大,時間常數也越大;散熱越快,達到熱平衡狀態就越快,時間常數 則越小。
????一臺負載運行的電動機,在溫升穩定之后,如果減少它的負載,那么電機內損耗∑ p 及單位時間發熱量 Q 都將隨之減少。這樣一來,本來的熱平衡狀態破壞了,變成了發熱少于散熱,電動機溫度就要下降,溫升降低。降溫的過程中,隨著溫升減小,單位時間散熱量 也減少。當重新 達到即發熱等于散熱時,電動機不再繼續降溫,而穩定在這個新的溫升上。這個溫升下降的過程稱為冷卻。
5.3 電動機的額定功率
????從出力和壽命綜合考慮,要最充分使用電動機,就要讓電動機長期負載運行時達到穩態溫升等于電動機的允許溫升。
????一臺電動機允許溫升不變時,若設法提高效率,提高散熱能力,都可以增大它的額定功率。
????周期性斷續工作方式的電動機,負載時溫度升高,但還達不到穩態溫升;停歇時,溫度下降,但也降不到環境的溫度。那么每經一個周期,電動機的溫升都升一次降一次。
5.4 電動機的額定功率的選擇
????“ 大馬拉小車 ” :電動機額定功率過大,電動機就經常處于輕載運行,電動機本身的容量得不到充分發揮,同時電動機運行效率低、性能不好,都會增加運行費用。
????“ 小馬拉大車 ” :電動機額定功率比生產機械要求的小,電動機電流超過額定電流,電機內損耗加大,效率降低是小事,重要的是影響電機的壽命,即使過載不多,電動機的壽命也會減少較多;過載較多,會破壞電機絕緣材料的絕緣性能甚至燒毀。
????電動機額定功率選擇的步驟
????第一步:計算負載功率 P L ;第二步:根據第一步結果,預選電動機額定功率及其他; 第三步:校核預選電動機。一般先校核發熱溫升,再校核過載能力,必要時校核起動能力。
????校核過載能力是指:異步電動機最大轉矩 T m 是否比負載可能出現的最大轉矩大,而且需考慮到電網可能出現電壓向下波動,按向下被動 10 %計算。直流電動機電樞電流最大允許是否比可能出現的最大負載電流大。
????校核起動能力主要指鼠籠式異步電動機是否能可靠起動。 校核發熱經常是最重要的。
???負載功率計算
????電動機負載計算要針對具體生產機械的負載及效率進行計算,這是選擇電動機額定功率的依據。
????電動機拖動離心式水泵時,電動機負載功率:
????起重機主鉤由電動機拖動,電動機的負載功率
????常值負載:指工作時間內負載大小不變,包括連續、短時兩種工作方式在內的常值負載。
????電動機三種工作方式中所規定的有關時間。
????環境穩定為 40 ℃、電動機不調速的前提下,按照工作方式及工作時間選擇該類電動機,那么電動機的額定功率應滿足
????這個條件本身是從發熱溫升的角度考慮的,因此不必再校核電動機發熱問題了。只需校核過載能力,必要時還要校核起動能力。
????預選電動機額定功率時,按發熱和溫升等效的觀點先把負載功率由非標準工作時間變成標準工作時間,即折算,然后按標準工作時間預選額定功率。
????短時工作方式負載工作時間為 t r ,最接近的標準工作時間 t rb ,預選電動機額定功率應滿足
????由于折算系數本身就是從發熱和溫升等效觀點推導出來的,因此經過向標準工作時間折算后,預選電動機肯定通過溫升、不必再校核了。
o 過載能力校核
????過載能力指電動機負載運行時,可以在短時間內出現的電流或轉矩過載的允許倍數,對不同類型電動機不完全一樣。
????對直流電動機而言,限制其過載能力的是換向問題,因此它的過載能力就是電樞允許電流的倍數 , 為允許電流,應比可能出現的最大電流大。
????若預選的電動機過載能力通不過,則要重選電動機及其額定功率,直到通過。
o 起動能力校核
????若電動機為鼠籠式三相異步電動機,最后還要校核起動能力是否通過,若通不過,也應重選電動機及其額定功率,直至通過。
????發熱、過載能力及起動能力都通過了,則電動機額定功率就確定了。
o 穩定修正
????若環境溫度長年都比較低或比較高,為了充分利用電動機的容量,應對電動機的額定功率進行修正。電機允許輸出功率為
o 周期性變化負載連續工作方式
????
????負載變化,電動機損耗也變化,負載大時電流大,電機中可變損耗與電流平方成正比,因此負載大,損耗更大。
????
????等效轉矩法:轉速恒定時,電磁轉矩 T=T L ;起動與制動過程中,電磁轉矩 T=T L +T a , T a 是使電力拖動系統加速的或減速的轉矩,即為動轉矩。加速時動轉矩 T a 為正值,減速時 T a 為負值。這樣,一個周期內電動機電磁轉矩情況便可確定了。
o 周期斷續工作方式
????周期斷續工作方式電動機需要每個周期都起動和制動,在工作時間 t r 內一定是變化負載,因此預選電動機額定功率時要按工作時間內平均功率的 1.1 ~ 1.6 倍進行。
????負載持續率 FS% ≥ 70% 時的周期斷續工作方式電動機額定功率達到預選及發熱校核
????周期斷續工作方式,若負載持續率 FS% ≤ 10% ,可按短時工作方式處理,按過載及起動能力選擇電動機額定功率。
????若 FS% ≥ 10% ,則按連續工作方式處理。當按連續工作方式處理則選連續工作方式電動機。其負載性質屬于一個周期性變化負載,而且每個周期中都有一次起動、制動和停歇。
????等效轉矩法校核發熱時弱磁段轉矩的修正
????等效轉矩法使用于磁通恒定條件,但若只有一段時間電動機降低磁通升速時,也相使用等效轉矩法,就應該對弱磁通階段轉矩進行修正,即把弱磁這一段的轉矩向著額定磁通折算一下,便可認為整個周期時間內均為恒定磁通。弱磁段轉矩為 T i ,轉速為 n ,折算后轉矩為 T i ,轉速為額定轉速 n N , 它們的關系是
1. provision 預備,準備;預防措施;供給,供給;規定,條款
2. gear 齒輪;傳動裝置;連接,嚙合
3. maintenance 維護,維修,保養
4. buildings 廠房
5. installation cost 安裝費用,設備費用
6. rubbing contacts 摩擦觸點,滑動觸點
7. suppression 抑制
8. hostile 不友善的,惡劣的
9. high vacuum 高真空
???1. It must include not only the capital cost of the motor-drive system itself but also the running costs. The capital cost includes the provision of any special supplies find control gear to run the motor. The running cost includes interest charges on capital equipment and buildings and charges for the power losses consumed in the machine and control circuits; obviously power factor and efficiency are of significance here.
???2. Some motors are excluded from a particular application because the operating environment is "hostile" in some way, as in conditions of high temperature, high vacuum, high speed or in the presence of corrosive l iquids, A brushless type of machine then becomes essential.
???3. F or low speeds, th e possibility of using a gearbox with a high-speed, and ther e for e a smaller and cheaper motor must be considered agains t t he more expensive, but also more reliable l ow-speed direct drive.
???1 Which factors affect the choice of motor ?
???2 What are the continuous rating, short-time rating and intermittent short-time rating of motor ?
???3 How does temperature rise change when motor is operating ? Explain.
???4 Why is the operating temperature of a machine closely associated with its life expectancy ?
???5 What are the characteristic features of various cooling means for Electric Machines ?
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