電機(jī)選型需要的基本內(nèi)容有:所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載類型、額定功率、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速、其他條件。
一、所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載類型
這個(gè)得反過來從電機(jī)特點(diǎn)說。電機(jī)可以簡(jiǎn)單劃分為直流電機(jī)和交流電機(jī),交流又分為同步電機(jī)和異步電機(jī)。
1、直流電機(jī)
直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以方便地通過改變電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,并可以提供較大的轉(zhuǎn)矩。適用于需要頻繁調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的負(fù)載,如鋼廠的軋機(jī),礦山的提升機(jī)等。但現(xiàn)在隨著變頻技術(shù)的發(fā)展,交流電機(jī)也可以通過改變頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。不過雖然變頻電機(jī)價(jià)格比普通電機(jī)貴不了多少,但變頻器價(jià)格在整套設(shè)備中占據(jù)主要部分,所以直流電機(jī)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是便宜。
直流電機(jī)的缺點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,任何設(shè)備只要結(jié)構(gòu)復(fù)雜,必然導(dǎo)致故障率增加。直流電機(jī)相比于交流電機(jī),除了繞組復(fù)雜(勵(lì)磁繞組、換向極繞組、補(bǔ)償繞組、電樞繞組),還增加了滑環(huán)、電刷和換向器。不僅對(duì)制造商的工藝要求高,而且后期維護(hù)成本也相對(duì)較高。因此直流電機(jī)在工業(yè)應(yīng)用中是處在一個(gè)逐漸沒落但過渡階段仍有用武之地的尷尬境地。如果用戶資金比較充裕的話,建議選擇交流電機(jī)配變頻器的方案,畢竟使用變頻器也帶來很多好處,這個(gè)不細(xì)說了。
2、異步電機(jī)
異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能穩(wěn)定,維護(hù)方便,價(jià)格便宜。且制造工藝上也是簡(jiǎn)單的,曾聽車間的老技師說過,裝配一臺(tái)直流電機(jī)的所用工時(shí),可以完成差不多功率的兩臺(tái)同步電機(jī)或者四臺(tái)異步電機(jī),由此可見一斑。因此異步電機(jī)在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。
異步電機(jī)又分為鼠籠型電機(jī)和繞線型電機(jī),其區(qū)別在于轉(zhuǎn)子。
鼠籠型電機(jī)轉(zhuǎn)子由金屬條制成,銅制或鋁制。鋁的價(jià)格比較低,我國又是鋁礦大國,在要求不高的場(chǎng)合應(yīng)用廣泛。但銅的機(jī)械性能和導(dǎo)電性能都好于鋁,就我所接觸的絕大部分都是銅制轉(zhuǎn)子。鼠籠型電機(jī)在工藝上解決了斷排的問題后,可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過繞組型轉(zhuǎn)子的電機(jī)。而其缺點(diǎn)在于,金屬轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)的定子磁場(chǎng)中切割磁感線獲得的轉(zhuǎn)矩較小,且起動(dòng)電流較大,對(duì)起動(dòng)力矩要求較大的負(fù)載難以勝任。盡管增加電機(jī)鐵心長(zhǎng)度可以獲得更多的轉(zhuǎn)矩,但力度十分有限。繞線型電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)通過滑環(huán)給轉(zhuǎn)子繞組通電,形成轉(zhuǎn)子磁場(chǎng),與旋轉(zhuǎn)的定子磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng),因此獲得轉(zhuǎn)矩更大。且在啟動(dòng)過程中串聯(lián)水電阻來降低啟動(dòng)電流,水電阻由成熟的電控裝置控制隨啟動(dòng)過程改變阻值。適用于軋機(jī)、提升機(jī)等負(fù)載。由于繞線型異步電機(jī)相對(duì)鼠籠型電機(jī)增加了滑環(huán)、水電阻等,在整體設(shè)備價(jià)格上有一定提高。其與直流電機(jī)相比,調(diào)速范圍較為狹窄且轉(zhuǎn)矩相對(duì)較小,相應(yīng)價(jià)值也低。
然而異步電機(jī)由于給定子繞組通電建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),而繞組屬于電感性元件不做功,要從電網(wǎng)中吸收無功功率,對(duì)電網(wǎng)沖擊很大。直觀體驗(yàn)有大功率電感性電器接入電網(wǎng)時(shí),電網(wǎng)電壓下降,電燈亮度一下都降低。因此供電局對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的使用會(huì)有所限制,這也是很多工廠必須考慮的地方。部分用電大戶如鋼廠、鋁廠等,選擇建立自備電廠,形成自己獨(dú)立的電網(wǎng),以減免對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的使用限制。所以異步電動(dòng)機(jī)如果要滿足大功率負(fù)載使用,需配備無功功率補(bǔ)償裝置,而同步電動(dòng)機(jī)則可通過勵(lì)磁裝置向電網(wǎng)提供無功功率,功率越大同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)就越明顯,由此產(chǎn)生了同步電動(dòng)機(jī)的舞臺(tái)。
3、同步電動(dòng)機(jī)
同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)除了過勵(lì)狀態(tài)可以補(bǔ)償無功功率外,還包括1)同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速嚴(yán)格遵守n=60f/p,可以精確控制轉(zhuǎn)速;2)運(yùn)行穩(wěn)定性高,當(dāng)電網(wǎng)電壓突然下降,其勵(lì)磁系統(tǒng)一般會(huì)強(qiáng)行勵(lì)磁,保證電動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定,而異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩(與電壓平方成正比)則會(huì)大幅下降;3)過載能力比相應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)大;4)運(yùn)行效率高,尤其是低速同步電動(dòng)機(jī)。
同步電動(dòng)機(jī)無法直接啟動(dòng),需要異步啟動(dòng)或變頻啟動(dòng)。異步啟動(dòng)指同步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子上裝有類似于異步電機(jī)籠式繞組的啟動(dòng)繞組,在勵(lì)磁回路中串接約為勵(lì)磁繞組電阻值10倍的附加電阻來構(gòu)成閉合電路,把同步電動(dòng)機(jī)的定子直接接入電網(wǎng),使之按異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng),當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到亞同步轉(zhuǎn)速(95%)時(shí),再切除附加電阻的啟動(dòng)方式;變頻啟動(dòng)不多贅述。所以同步電動(dòng)機(jī)缺點(diǎn)之一是需要為啟動(dòng)增加額外的設(shè)備裝置。
同步電機(jī)是靠勵(lì)磁電流運(yùn)行的,如果沒有勵(lì)磁,電機(jī)就是異步的。勵(lì)磁是加在轉(zhuǎn)子上的直流系統(tǒng),它的旋轉(zhuǎn)速度和極性與定子是一致的,如果勵(lì)磁出現(xiàn)問題,電動(dòng)機(jī)就會(huì)失步,調(diào)整不過來,觸發(fā)保護(hù)“勵(lì)磁故障”電動(dòng)機(jī)跳閘。所以同步電動(dòng)機(jī)缺點(diǎn)之二是需要增加勵(lì)磁裝置,以前是由直流機(jī)直接供給,現(xiàn)在大多由可控硅整流供給。還是那句老話,結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、設(shè)備裝置越多,故障點(diǎn)就越多,故障率越高。
根據(jù)同步電機(jī)的性能特點(diǎn),其應(yīng)用主要在提升機(jī)、磨機(jī)、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、軋機(jī)、水泵等負(fù)載上。
綜上所述,選擇電動(dòng)機(jī)的原則是電動(dòng)機(jī)性能滿足生產(chǎn)機(jī)械要求的前提下,優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、工作可靠、維護(hù)方便的電動(dòng)機(jī)。在這方面交流電動(dòng)機(jī)優(yōu)于直流電動(dòng)機(jī),交流異步電動(dòng)機(jī)優(yōu)于交流同步電動(dòng)機(jī),鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)優(yōu)于繞線型異步電動(dòng)機(jī)。
負(fù)載平穩(wěn),對(duì)起、制動(dòng)無特殊要求的連續(xù)運(yùn)行的生產(chǎn)機(jī)械,宜優(yōu)先選用普通鼠籠型異步電動(dòng)機(jī),其廣泛用于機(jī)械、水泵、風(fēng)機(jī)等。
起動(dòng)、制動(dòng)比較頻繁,要求有較大的起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機(jī)械,如橋式起重機(jī)、礦井提升機(jī)、空氣壓縮機(jī)、不可逆軋鋼機(jī)等,應(yīng)采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)。
無調(diào)速要求,需要轉(zhuǎn)速恒定或要求改善功率因數(shù)的場(chǎng)合,應(yīng)采用同步電動(dòng)機(jī),例如中、大容量的水泵,空氣壓縮機(jī)、提升機(jī)、磨機(jī)等。
調(diào)速范圍要求在1∶3以上,且需連續(xù)穩(wěn)定平滑調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械,宜采用他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)或用變頻調(diào)速的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)或同步電機(jī),例如大型精密機(jī)床、龍門刨床、軋鋼機(jī)、提升機(jī)等。
要求起動(dòng)轉(zhuǎn)距大,機(jī)械特性軟的生產(chǎn)機(jī)械,使用串勵(lì)或復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī),例如電車、電機(jī)車、重型起重機(jī)等。
二、額定功率
電動(dòng)機(jī)的額定功率是指輸出功率,即軸功率,也稱容量大小,是電動(dòng)機(jī)標(biāo)志性參數(shù)。常有人問電機(jī)多大的,一般不是指電機(jī)的尺寸大小,而是指額定功率。它是量化電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載能力的重要的指標(biāo),也是電機(jī)選型時(shí)必須提供的參數(shù)要求。
正確選擇電動(dòng)機(jī)容量的原則,應(yīng)在電動(dòng)機(jī)能夠勝任生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載要求的前提下,經(jīng)濟(jì)合理地決定電動(dòng)機(jī)的功率。若功率選得過大,設(shè)備投資增大,造成浪費(fèi),且電動(dòng)機(jī)經(jīng)常欠載運(yùn)行,效率及交流電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)較低;反之,若功率選得過小,電動(dòng)機(jī)將過載運(yùn)行,造成電動(dòng)機(jī)過早損壞。
決定電動(dòng)機(jī)主要功率的因素有三個(gè):
1)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱與溫升,這是決定電動(dòng)機(jī)功率的主要因素;
2)允許短時(shí)過載能力;
3)對(duì)異步鼠籠型電動(dòng)機(jī)還要考慮起動(dòng)能力。
首先具體生產(chǎn)機(jī)械根據(jù)其發(fā)熱、溫升及其負(fù)載要求,計(jì)算并選擇負(fù)載功率,電動(dòng)機(jī)再根據(jù)負(fù)載功率、工作制、過載要求預(yù)選額定功率。電動(dòng)機(jī)的額定功率預(yù)選好后,還要進(jìn)行發(fā)熱、過載能力及必要時(shí)的起動(dòng)能力校驗(yàn)。若其中有一項(xiàng)不合格,須重新選擇電動(dòng)機(jī),再進(jìn)行校核,直到各項(xiàng)都合格為止。因此工作制也是必要提供的要求之一,若無要求則默認(rèn)按常規(guī)的S1工作制處理;有過載要求的電機(jī)也需要提供過載倍數(shù)及相應(yīng)運(yùn)行時(shí)間;異步鼠籠型電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)等大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載時(shí),還需要提供負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及起動(dòng)阻力矩曲線圖來校核起動(dòng)能力。
以上關(guān)于額定功率的選擇是在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度為40℃前提下進(jìn)行的。若電動(dòng)機(jī)工作的環(huán)境溫度發(fā)生變化,則必須對(duì)電動(dòng)機(jī)的額定功率進(jìn)行修正。根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐,在周圍環(huán)境溫度不同時(shí),電動(dòng)機(jī)的功率可粗略地按下表相應(yīng)增減。
因此氣候惡劣地區(qū)還需要提供環(huán)境溫度,例如印度,環(huán)境溫度就需要按50℃進(jìn)行校核。此外,高海拔對(duì)電機(jī)功率也會(huì)有影響,海拔越高,電機(jī)溫升越大,輸出功率越小。并且高海拔使用的電機(jī)還需考慮電暈現(xiàn)象的影響。
對(duì)于目前市場(chǎng)上電動(dòng)機(jī)的功率范圍,謹(jǐn)列舉所掌握的本人所在公司業(yè)績(jī)表數(shù)據(jù)以供參考。
直流電機(jī):ZD9350(磨機(jī)) 9350kW
異步電機(jī):鼠籠型YGF1120-4(高爐風(fēng)機(jī)) 28000kW
繞線型YRKK1000-6(生料磨機(jī)) 7400kW
同步電機(jī):TWS36000-4(高爐風(fēng)機(jī)) 36000kW(試驗(yàn)機(jī)組達(dá)到40000kW)
三、額定電壓
電動(dòng)機(jī)的額定電壓,是指在額定工作方式下的線電壓。
電動(dòng)機(jī)的額定電壓的選擇,取決于電力系統(tǒng)對(duì)該企業(yè)的供電電壓和電動(dòng)機(jī)容量的大小。
交流電動(dòng)機(jī)電壓等級(jí)的選擇主要依使用場(chǎng)所供電電壓等級(jí)而定。一般低電壓網(wǎng)為380V,故額定電壓為380V(Y或△接法)、220/380V(△/Y接法)、380/660V(△/Y接法)3種。低壓電機(jī)功率增大到一定程度(如300KW/380V),電流受到導(dǎo)線承受能力的限制就難以做大,或成本過高。需要通過提高電壓實(shí)現(xiàn)大功率輸出。 高壓電網(wǎng)供電電壓一般為為6000V或10000V,國外也有3300V、6600V和11000V的電壓等級(jí)。 高壓電機(jī)優(yōu)點(diǎn)是功率大,承受沖擊能力強(qiáng);缺點(diǎn)是慣性大,啟動(dòng)和制動(dòng)都困難。
直流電動(dòng)機(jī)的額定電壓也要與電源電壓相配合。一般為110V、220V和440V。其中220V為常用電壓等級(jí),大功率電機(jī)可提高到600~1000V。當(dāng)交流電源為380V,用三相橋式可控硅整流電路供電時(shí),其直流電動(dòng)機(jī)的額定電壓應(yīng)選440V,當(dāng)用三相半波可控硅整流電源供電時(shí),直流電動(dòng)機(jī)的額定電壓應(yīng)為220V。
四、額定轉(zhuǎn)速
電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速,是指在額定工作方式下的轉(zhuǎn)速。
電動(dòng)機(jī)和由它拖動(dòng)的工作機(jī)械都有各自的額定轉(zhuǎn)速。在選擇電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí),應(yīng)注意轉(zhuǎn)速不宜選的過低,因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速越低,其級(jí)數(shù)越多,體積就越大,價(jià)格也就越高;同時(shí),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也不宜選的過高,因?yàn)檫@樣會(huì)使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)過于復(fù)雜,而且難以維護(hù)。
此外功率一定時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。
所以啟動(dòng)、制動(dòng)要求不高者可從設(shè)備初始投資、占地面積和維護(hù)費(fèi)用等方面,以幾個(gè)不同的額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行全面比較,確定額定轉(zhuǎn)速;而經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)及反轉(zhuǎn),但過渡過程持續(xù)時(shí)間對(duì)生產(chǎn)率影響不大者,除考慮初始投資外,主要以過渡過程量損耗小為條件來選擇轉(zhuǎn)速比及電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速。例如提升機(jī)電機(jī),需要頻繁正反轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)矩很大,轉(zhuǎn)速就很低,電機(jī)體積龐大,價(jià)格昂貴。
當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí),還需考慮電機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)中都會(huì)發(fā)生振動(dòng),轉(zhuǎn)子的振幅隨轉(zhuǎn)速的增大而增大,到某一轉(zhuǎn)速時(shí)振幅達(dá)到值(也就是平常所說的共振),超過這一轉(zhuǎn)速后振幅隨轉(zhuǎn)速增大逐漸減少,且穩(wěn)定于某一范圍內(nèi),這一轉(zhuǎn)子振幅的轉(zhuǎn)速稱為轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。這個(gè)轉(zhuǎn)速等于轉(zhuǎn)子的固有頻率。當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大,接近2倍固有頻率時(shí)振幅又會(huì)增大,當(dāng)轉(zhuǎn)速等于2倍固有頻率時(shí)稱為二階臨界轉(zhuǎn)速 ,依次類推有三階、四階等臨界轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子如果在臨界轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,會(huì)出現(xiàn)劇烈的振動(dòng),而且軸的彎曲度明顯增大,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行還會(huì)造成軸的嚴(yán)重彎曲變形,甚至折斷。電機(jī)的一階臨界轉(zhuǎn)速一般在1500轉(zhuǎn)/分以上,故而常規(guī)低速電機(jī)一般不考慮臨界轉(zhuǎn)速的影響。反之,對(duì)2極高速電機(jī),額定轉(zhuǎn)速接近3000轉(zhuǎn)/分,則需考慮該影響,需避免讓電機(jī)長(zhǎng)期使用在臨界轉(zhuǎn)速范圍。
一般來說,提供了驅(qū)動(dòng)的負(fù)載類型、電機(jī)的額定功率、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速便可以將電機(jī)大致確定下來。但如果要優(yōu)化地滿足負(fù)載要求,這些基本參數(shù)就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。還需要提供的參數(shù)包括:頻率,工作制,過載要求,絕緣等級(jí),防護(hù)等級(jí),轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,負(fù)載阻力矩曲線,安裝方式,環(huán)境溫度,海拔高度,戶外要求等,根據(jù)具體情況提供。