电动机容量（通用6篇）
电动机容量 篇1
0 引言
电动机作为电力拖动系统核心设备, 其容量的选择不仅关系到电力拖动系统运行的稳定性, 还有经济性问题。在选择电动机容量时, 通常要考虑电动机的发热、允许的过载能力、电动机的起动能力这三方面因素。一通常发热问题是主要的矛盾。由于电动机运转过程是能量转换的过程, 在运行中电动机内部存在着各种损耗, 使电动机的温度不断升高, 如升高后的温度超过绕组绝缘材料的最高允许温度, 则会影响其绝缘性能, 甚至导致电动机被烧坏。另一方面电动机是带动负载的, 应按照生产机械所需要的功率来选择, 尽量使电动机在额定负载下运行, 既不可过大也不可过小。合理地对电动机容量进行选取对于工矿企业的安全生产和正常运行具有重要意义。
1 连续工作制电动机容量的选择
连续工作制电动机的负载可分为两类, 即恒定负载与变动负载 (大多数情况属于周期性变化负载) 。
1.1 恒定负载下电动机容量的选择
恒定负载是指在长期运行过程中, 电动机处于连续工作状态, 负载大小恒定或基本恒定不变, 工作时能达到稳定温升。这种生产机械所用的电动机容量在选择上极其简单。只需要选择一台转速适合的电动机, 其额定容量需等于或者略大于负载容量即可。
1.2 周期性变化负载下对电动机容量的选择
在电动机拖动周期性变化负载连续工作时, 其输出功率也会按一定规律变化, 当这类生产机械被电动机拖动工作时, 由于其负载工作的周期性变化, 温升肯定也会随着负载的周期性变化而产生不断地波动, 温升波动的最大值也必定也会低于或对应于最大负载时稳定的温升, 也会高于或对应于最小负载时稳定的温升。此时, 如果我们根据最大负载来选择电动机必然是不经济的;而此时我们如果根据最小负载来选择电动机, 温升将会超出允许温升。所以, 我们如果想使电动机得到充分利用, 就要选择电动机容量应在最大负载与最小负载之间使电动机温升不会超出允许的温升范围。在具体工程的实践当中, 通常应用下述方法来选择电动机容量。
(1) 等效电流法。等效电流法基本的工作原理是:通过不变的一个电动来等效实际变动的负载电流, 使其在同一周期内所产生的热量能够相等。如果我们假设电动机铁损与其电阻R始终不变, 产生的损耗只是与电流平方形成正比, 由此可得。此式当中:Idx为不变电流, tn为对应于负载电流为In时的工作时间。当求出结果Idx以后, 所选用的电动机额定电流IN也将大于或者等于Idx。
(2) 等效转矩法。在选择电动机容量时, 如果其转矩与电流成比例, 且铁损耗及电阻为常数, 他励直流电动机的励磁磁通不变或异步电动机的cosφ2及气隙磁通也不变时, 则可以用等效转矩法求出。所选择的电动机其额定转矩TN必须要大于或者等于等效转矩Tdx, 但是, 此时可以先求得出所用转矩表示的负载图。
(3) 等效功率法。等效功率法是当转速n基本不变的基础条件下, 由等效转矩法推导出来的, 显然等效功率应为。必须选择额定功率PN大于或者等于Pdx的电动机。此时需注意的是, 应用等效功率法对电动机容量进行选择时, 还要按照最大负载来校验电动机的过载能力, 看是否与要求相符。
2 短时工作制电动机容量的选择
2.1 直接选用短时工作制的电动机
这时可以按照生产机械的功率、工作时间和转速选取合适的电动机。如若短时负载为变动的, 则也可通过等效法来选择电动机, 此时等效电流为。此式当中, I1是起动电流;In是制动电流;t1是起动时间;tn是制动时间;t0是停转时间;α和β是考虑对自扇冷式电动机起动时、制动时以及停转期间由于散热条件变差所应用的系数, 对于对异步电动机α=0.5, β=0.25。在应用等效法选择电动机容量时, 必须对所选用的电动机进行过载能力的校验。
2.2 周期性断续工作时电动机的选择
如果未有适合的短时工作制电动机, 则可以选择周期性断续工作制的电动机。其短时工作时间与暂载率的换算关系可以近似认为30min工作时间相当于15%的暂载率;60 min工作时间相当于25%的暂载率;90 min工作时间相当于40%的暂载率。
3 如何选择断续周期工作制电动机
4 结语
电动机作为电力拖动系统核心设备, 其容量的选择不仅关系到电力拖动系统运行的稳定性, 还有经济性问题。本文介绍了电动机几种主要工作制并给出了该工作制下电动机容量选取方法, 合理地对电动机容量进行选取对于工矿企业的安全生产和正常运行具有重要意义。
参考文献
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中大容量电动机起动技术探讨 篇2
1 电动机传统起动
1.1 直接起动
直接起动就是将电动机定子三相绕组直接接到额定电压的电网上。这种起动方法最简单实用。对电动机而言也是起动转矩最大的起动方式, 因而它的起动时间最短, 是用户首先考虑到的起动方式。这种起动方式, 起动电流是额定电流的5~7倍。这么大的起动电流对于小容量的电机来说可以不作为主要考虑的因素, 但是对于中大容量电机来说, 有其难以克服的弊端。直接起动时, 电流可达上千安培, 将引起电网电压急剧下降, 影响电网其它设备的正常运行, 甚至引起电网失去稳定, 造成更大的事故;同时过大的起动电流在电动机定子线圈上产生很大的冲击力, 将会破坏绕组绝缘, 引起电动机故障, 大电流还会产生大量的焦耳热, 损伤绕组绝缘, 使电动机的使用寿命缩短;在停车时, 如果直接切断电源, 拖动系统会突然失去转矩, 依靠系统的摩擦转矩克服系统的惯性自由停车, 将给拖动系统带来诸多问题。
1.2 降压起动
当电动机功率大于电网容量或供电变压器所允许直接起动的值时, 就不宜采用直接起动, 而必须限制其起动电流, 减小大电流对电网的冲击。于是, 又发展出了通过降低电压来限制其起动电流的方式, 统称为降压起动。按不同工况, 有许多种降压起动方式:有Y-△起动、自耦变压器起动、电抗起动等。
(1) Y-△起动。
在电动机正常运行时其定子三相绕组是△连接时可采用Y-△降压起动, 也就是起动时定子绕组以Y型连接, 而起动一定时间后, 再将定子绕组切换成△连接, 这时起动电流 (对电网的冲击电流) 为直接起动时的1/3, 起动转矩也为直接起动时的1/3。该方法起动转矩小, 起动时间长, 在进行定子绕组Y-△切换时, 仍然有二次冲击电流存在。
(2) 自耦变压器起动。
起动时电网电压经自耦变压器降压后再加到电动机定子绕组上, 待转速接近稳定值时再把电动机直接接在电网上。虽然降压起动减小了起动电流, 但它们在起动过程即将结束时有二次冲击电流, 该冲击电流同样会给配电系统带来不良影响, 同时降压起动所采用的起动器大多为自耦变压器。这些起动器要耗用大量有色金属体积笨重, 而且接触器触头需要经常维修。
(3) 电抗器起动。
串接电抗器起动是将电抗器串联到电动机定子绕组上, 以限制电机电流, 待转速接近稳定时再将电动机直接接到电网上。在起动过程中电机电流会随着转速增高而减少, 这使起动后劲不足, 较易产生起动失败和器件损坏, 起动结束时电抗器的短接还会引起二次电流冲击。
虽然, 降压起动方式相比直接起动方式, 产生的冲击电流明显减少, 然而也存在着明显的缺点, 即起动过程中存在严重的二次冲击电流。近年来, 软起动装置得到了很大发展, 涌现了许多种的软起动方式, 是传统起动方式的理想替代品。
2 电动机软起动
2.1 磁控式软起动器
磁控软起动是从电抗器起动衍生出来的。其与电抗器起动的主要不同点是其等效电抗值可控, 通过调节饱和电抗器S R (Saturable Reactor) 的直流励磁电流, 可以连续改变其电抗。饱和电抗器在软起动中的作用是:在起动开始时, SR具有较大的电抗值, 以限制电机电流, 以后通过反馈减小其电抗值以维持电流恒定, 软起动完成时, 由于电抗值相当小, 旁路饱和电抗器几乎不产生二次电流冲击, 所以磁控软起动克服了电抗器起动的缺点。当然磁控软起动器也存在一定的缺点:相比其它软起动器, 它的控制快速性比较差, 噪声较大, 饱和电抗器等效电抗值的变化范围较小, 饱和电抗器周围存在一定的漏磁, 需要一定的辅助电源。
2.2 电子软起动器
采用三对反并联的大功率晶闸管串联于电动机的三相供电电路上, 利用晶闸管的电子开关特性, 通过控制其触发脉冲、触发角的大小来改变晶闸管的开通时间, 从而改变电动机定子输入电压, 以控制电动机的软起动过程。当电动机起动完成后, 即端电压升至额定电压时, 三相旁路接触器K闭合, 使电动机直接并网运行。起动时, 晶闸管的导通角从0°开始上升, 逐渐增大;电动机的端电压也从零开始上升, 直至达到满足起动转矩要求, 保证起动成功。另外运用不同的设定方法, 使被控电动机的输入电压按不同的要求而变化, 就可以实现恒流软起动、轻载节能运行、软停车、快速停止和保护、监控等不同的控制功能。
2.3 变频软起动器
变频软起停是以变频器实现的电动机软起动和软停止。变频器的作用不是调速, 而是软起停。它仅仅在电动机起动或停止时运行。变频软起停相对于一切形式降压软起停的优点是在限流软起停过程中保持不小于电动机额定值的起动转矩。由于可以将电动机起动电流始终限制在额定值以下, 所以对电网和电动机的冲击很小电磁转矩大, 起动时间短。变频软起动是交流电动机最理想的起动方式。由于频率、电压按比例平滑上升, 在起动过程中不存在大的转差功率, 因此可实现额定电流起动, 消除了起动冲击, 避免了起动功耗, 且可控制起动速度, 是一种真正平滑的软起动方式。用变频器来起动电机, 其起动性能很好, 但由于高压变频器价格昂贵, 并且变频技术还处于发展阶段, 可靠性不是很好, 用户维护技术还跟不上, 所以还没有广泛使用, 一般都在进口设备上采用。
3 电动机软起动方式的优势
电动机的传统起动方式都有明显的缺点。如图1所示, 软起动相比非软起动方式有如下优势。
(1) 无冲击电流和过电压。软启动器在起动电动机时, 通过逐渐增大晶闸管导通角, 使电动机起动电流从零线性上升至设定值, 而不会出现直接起动的过电压和降压起动的二次冲击电流。
(2) 恒流起动。软启动器引入电流闭环控制, 使电动机在起动过程中保持恒流, 确保电动机平稳起动。
(3) 根据负载情况及电网继电保护特性选择, 可自由地无极调整至最佳的起动电流。
4 结语
电动机的起动方式多种多样, 随着技术的不断进步, 新的方式也越来越多的涌现出来。中大容量电动机软起动技术在工业生产中有着十分广阔的应用前景, 特别是随着我国科学技术和经济建设的快速发展, 对电动机的控制机理和技术指标的要求越来越高, 而传统起动方式由于其固有的特点, 已无法满足现代工业自动化的需要, 所以电动机软起动技术应用将会越来越广泛。
参考文献
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电动机容量 篇3
本工程位于吉林省中南部，是吉林省中部城市群的重要组成部分。现为吉林省辖地级市，处在吉林和辽宁的中间部位，吉林、辽宁呈“V”字形发展。根据该市开发区供热规划，热源公司现有一期工程供热能力不能满足供热要求。因此需要以原有供热厂作为基础进行二期扩建，以达到对供热规划内民用供暖和工业供热的要求。基于以上情况，二期工程拟建两台75t/h次高压循环流化床锅炉，配套一台12MW背压式汽轮发电机组实现热电联产。在保证经济开发区供热要求的同时也可向经济开发区企业供电，通过实现热电联产使企业的运行成本大大降低，同时本项目所用燃料掺烧40%煤矸石，既消化了废弃的煤矸石，也实现能源的就地转化。本项目设计要充分体现利旧、节约、改扩建的原则，尽可能的结合原有建构筑物厂房、场地条件、公共设施条件进行设计，以达到项目建设的合理、节省、优化。设计中采用技术先进、节能、环保的设备和材料，以及最佳的设计理念已达到节约空间，节省投资的目的。
1 主要大功率设备选型
1.1 锅炉选型
额定蒸发量：75t/h蒸汽压力：5.29MPa
蒸汽温度：450℃锅炉效率：89%
1.2 锅炉一次风机、二次风机、引风机的功率要求
1.2.1 一、二次风机
锅炉一次风、二次风的比例按6∶4分配，经过计算求得：
一次风量：53005 m3/h
二次风量：35336 m3/h
一次风阻力为：13583Pa
一次风机配用电机功率为355kw。
1.2.2 引风机
经过计算后烟气量为：Qy=185499.33m3/h
经过计算后引风机风压为Py=5295.14Pa
引风机配用电机功率为：500kw
1.3 锅炉给水泵的功率要求
经过计算后给水泵的扬程为720m, 流量为85t/h，给水泵配用的电机功率为355kw。本工程所使用的200KW以上的电机为：引风机(500kW) 2台，一次风机 (355kW) 2台，给水泵 (355kW) 3台，以上电机采用变频器控制。
2 高低压变频器概念
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。产品定义电压等级低于690V的可调输出频率交流电机驱动装置，就归类为低压变频器，产品定义电压等级高于690V的可调输出频率交流电机驱动装置，就归类为高压变频器。
3 对比分析
3.1 原有方案
所有200kw以上设备配高压电动机电压等级在10.5kv，变频器采用高压变频器，低压设备配低压电动机电压等级在380v, 高压与低压之间的变压器(10.5kv～380v)的容量为630KVA。
3.2 改进方案
所有200kw以上设备配低压电动机，电压等级在380v, 高压与低压之间的变压器(10.5kv～380v)的容量为1600KVA。
3.3 投资比较
原有方案的投资费用估算在420万 (不包括电机价格)，如果以上大容量电机采用低压电机，变频器采用低压变频器，那么，此种配制方案需要将高压与低压之间的变压器增容，这样整个方案的投资费用估算在250万(不包括电机价格)。两种方案的投资费用差价为170万，不包括电机的价格，一般高压电动机的价格都高于低压电动机的价格，因此以上两方案的差价还应略有提高。
3.4 运行能耗比较
控制和减少消耗在电厂内部的能量，就增加了电厂输出的能量。现在国内外电厂已在逐步重视这个问题，通过优化辅机运行方式、进行技术改造、加强运行管理等方法较大幅度的降低电厂内部能耗的目的。由于高压变频器配有隔离变压器，因此采用低压变频器后所增加变压器容量而产生的能耗与高压变频器所配隔离变的能耗相差不大，此部分不再论述，只对电动机和电缆上的能耗进行比较。由于采用低压变频器电缆的能耗是采用高压变频器电缆能耗的600多倍，只需对低压电机和低压电缆与高压电机能耗进行比较。 (见表1)
3.5 采用高低压变频器柜所需安装空间
由于本工程属于扩建及改造工程，用地比较紧张，因此厂房设计较紧凑。如采用低压变频器，每一变频器安装在一台尺寸为800×800×2200的低压柜内即可，可安装在主厂房的配电间内。这样主厂房内的高低压配电间的空间由于全部采用低压配电柜，空间大大减小。如采用高压变频，每一变频柜尺寸约为4100×1500×2600，共计7台变频器，主厂房内现已无合适的安装空间，需另行在其它建筑内解决安装高压变频器空间的问题。由此，也增加了电缆的长度。可以看出，本工程选用低压变频器充分的节省了空间，增强了电厂运行的可靠性。
4 节能和资源合理利用
能源短缺和环境污染是人类当前面临的共同的世纪性难题。我国能源生产和消费已列世界第二，但仍远远满足不了工业生产和人民生活发展的需要，在能源十分紧张的情况下，却因为在节能方面的巨大差距，造成单位产值能耗太高，每年的能源浪费惊人。如：相当一部分的风机、水泵类负载，由于采取恒速驱动，浪费掉大量的电能。这类拖动系统约占工业电力拖动总量的一半，如果采用调速节能技术则至少可节约20%以上的电能。我国“十一五”规划提出了不断提高能源利用效率和效益的节能目标，而节能工作的重点则放在推行量大面广的节能技术上。其中一项重要措施就是要逐步实现电动机、风机、泵类设备和系统的经济运行，发展电机调速节电和电力电子节电技术，只有这样才能以较低的能源消费弹性系数和较大的节能量来长期支持国民经济快速、健康、持续的发展。
根据本工程所选热源锅炉效率及汽机设备等选择情况，年供热量1424106 GJ/a。供热标煤耗率为43.3kg/GJ，发电标煤耗189g/kWh。
按照《城镇供热系统安全运行技术规程》，新建热水锅炉的能耗指标为50.2kg/GJ。大型火力发电厂300MW机组的发电标准煤耗为320g/kWh。与这两个指标相比，本工程能耗指标较小。
结束语
综上所述，电厂中大容量电机采用低压变频的经济性要远远高于采用普通的高压变频模式。特别是投资远远低于普通的变频方式，实际运行中设备的检修和维护也十分便利。与国内外同等容量的机组相比，此种运行方式在中小型电站的行业中将占有明显优势地位。
摘要：目前大多数国内电厂的大容量电动机的变频器均采用高压变频器, 这样整个电站的投资费用大大增加。就此, 借吉林省某热源公司拟建的热电联产机组对电厂中大容量电动机变频器的配用方案做以下分析。
电动机容量 篇4
关键词：三相对称短路,高压大容量异步电动机,反馈电流,开断电流
钢铁厂供电系统的负荷主要是同步电动机和异步电动机。当系统发生三相对称短路时, 同步电动机由于转动惯性及励磁装置作用将转为发电机的运行状态, 向短路点馈送短路电流, 在以往的设计中, 在短路电流计算中往往仅考虑同步电动机的反馈短路电流, 忽略异步电动机的反馈短路电流。在设计标准中规定, 电网发生短路时, 网内连接的异步电动机将向短路点反馈短路电流, 在三相对称短路中反馈电流衰减很快, 在电动机的额定电流之和小于等于不计电动机算出的对称短路电流初始值的1%时, 不考虑其影响。近几年随着钢铁厂建设规模的日益扩大, 为其配套建设的辅助设施如氧气站、空压站及鼓风机站内为风机配套的异步电动机的数量及装机容量也越来越大, 会对供电系统中的电气设备造成很大威胁, 甚至会发生重大安全事故。
本文将介绍大容量异步电动机在系统发生对称三相短路时对短路点提供反馈短路电流的大小。举例说明供电给数量众多的大容量电动机的供电系统, 在系统发生三相对称短路故障时, 大容量电动机对短路点反馈的短路电流有可能很大, 直接影响开关设备稳定运行。
1 对称短路电流初始值I"
异步电动机在正常运行时可看作同步转速运行, 当系统发生三相对称短路故障时, 如异步电动机定子绕组端点突然三相短路, 由于短路后机端电压降为零, 而电动机电势仍具有相当大的数值, 因此电动机此时可看作一个附加电源点, 并向短路点提供短路电流, 通常称为异步电动机对称短路电流初始值。计算公式如下:公式 (1) 中:E*"d为电动机的次暂态电势标幺值, 一般约为0.9;X*"d为电动机的次暂态电抗标幺值, 一般取0.14;Ied电动机的额定电流, k A;I"电动机对称短路电流初始值, k A;
异步电动机向短路点反馈的短路电流的大小, 直接关系到供电系统是否能够稳定、安全运行, 配电设备是否能够满足动稳定要求。
2 对称开断电流值Ib
异步电动机对称开断电流Ib是电流I"在经一短暂时间衰减后达到的值, 用系数μ表示衰减常数, 用q表示异步电动机对称开断电流系数, 即Ib=μq I"
μ与tmin和I"/Ied比值有关, 可根据I"/Ied比值和选择的tmin计算, 推荐算式如下:
对tmin=0.02s, μ=0.84+0.26e-0.26I"/Ied;对tmin=0.05s, μ=0.71+0.51e-0.3I"/Ied;对tmin=0.1s, μ=0.62+0.72e-0.32I"/Ied;对tmin≥0.25s, μ=0.56+0.94e-0.32I"/Ied;式中的I"和Ied应归算到同一电压下的值。
μ值也可通过查《三相交流系统短路电流计算》GB/T-15544-1995中图16得出。
异步电动机对称开断电流系数q规定为最小延时tmin的函数:q=1.03+0.12ln m, tmin=0.02s;q=0.79+0.12ln m, tmin=0.05s;q=0.57+0.12ln m, tmin=0.10s;q=0.26+0.10ln m, tmin≥0.25s式中:m为电动机每对极的额定有功功率 (MW) , 不知道具体值时可用0.05MW。
q值也可通过查《三相交流系统短路电流计算》GB/T-15544-1995中图25得出。
异步电动机对称开断电流是对供电系统中开关设备额定短路开断电流参数有重要影响, 所选开关设备额定短路开断电流参数必须满足能够开断系统短路电流与异步电动机对称开断电流之和。
3 实例分析
国内某大型钢铁公司在2010年新建一套40000m3制氧机组, 其中包括一台空压机配同步电机功率为20400k W, 两台中压氮压机配异步电机功率4800k W, 三台氧压机配异步电机功率为4800k W, 一台低压氮压机配异步电机功率为4000k W。在氧气站偏跨设一10k V开关站, 10k V系统采用单母线分段接线, 两路供电电源引自为该氧气车间供电的110k V变电站的10k V系统, 上述高压电动机平均分配在两段母线上。下面根据上述供电系统的接线方式, 采用标幺制计算法, 基准值选取, Sj=100M VA, Uj=10.5k V, 并结合该工程提供的系统参数, 给出上述供电系统的阻抗图:
当图1中A点发生三相对称短路时, 图1中各电动机支路短路电流初始值I"为:
1) N1支路的同步电机供给的短路电流计算方法与同步发电机相同, 经计算I"1=6.38 k A。2) N2支路异步电动机供给短路点的短路电流初始值:I"2=1.7 k A。3) N3~6支路异步电动机供给短路点的短路电流初始值:I"3~6=2.04k A。
说明:由于缺少上述电机最终供货资料, 上述计算值依据类似电机参数进行的估算。
依据目前国内微机综合保护装置电流速断出口动作时间通常为0.035s以内, 真空断路器分闸时间通常在0.045s以内, 上述电动机支路主保护采用的是差动保护, 短路时保护分闸信号无延时输出, 距离短路点最近断路器动作的最小延时tmin至少在0.05s以上, 则取tmin=0.05s进行异步电动机对称开断电流值Ib的计算。计算如下:1) Ib2=0.76*0.45*1.7=0.58k A2) Ib3~6=0.76*0.45*2.04=0.70k A
综上所述, 考虑工况最严重的情况, 当只有一回电源进线, 制氧10k V分段断路器处于合闸状态时在图中A点发生三相对称短路时, 距离短路点最近断路器需开断的短路电流I"Z为I"Z=I"X+I"1+Ib2+4*Ib3=25.5+6.38+0.58+4*0.7=35.26k A
根据上述计算结果, 制氧车间10k V开关站内各馈出回路所选断路器的额定短路开断电流≥35.26k A, 考虑一定的安全裕量, 该10k V开关站内各馈出回路所选断路器的额定短路开断电流确定为40k A。
4结论
电动机容量 篇5
关键词：电驱动系统,电力发动机,电池容量利用效率,控制策略,稳定性
命名
Pd驱动功率;
Pl负载需求功率;
U电力发动机电源供电电压;
I电力发动机电源供电电流;
η电力发动机能量转换效率;
nT目标转速;
T负载扭矩;
D线圈供电占空比。
引言
近年来,随着电动汽车设计及控制的发展,结合我国政府规划与激励措施,再次激发了专业人士探索与研究电驱动系统电机的兴趣(例如,[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15],和[16])。但传统的旋转电机的主要缺点是导致电池容量的利用率低,分析原因如下:
左手定则是传统电机的重要理论,但它不是一个完整的理论,图1给出左手定则示意图。当导线中电流方向垂直于外磁场磁力线方向,导线将受力,受力方向同时垂直于导线中电流方向和外磁场磁力线方向。首先,当导线中有电流,在导线附近将产生磁场磁力线,见图1A,磁力线(g)产生于通电导线,它是顺时针方向。其次,当一个外加磁场垂直施加于通电导线,则通电导线附近的磁场磁力线与外加磁场磁力线将产生力的作用,封闭磁力线具有独占性,如果两磁场磁力线都是顺时针方向,或两磁场磁力线都是逆时针方向,则两磁场磁力线间将产生吸引力,吸引力方位为两磁场磁力线中心点的连线;如果一个磁场磁力线是顺时针方向,另一个磁场磁力线是逆时针方向,则两磁场磁力线间将产生排斥力,排斥力方位为两磁场磁力线中心点的连线。见图1B,磁力线(a)是顺时针方向,因此磁力线(g)与磁力线(a)产生吸引力Fga,同理分析可知,Fge、Fgb都是吸引力;磁力线(c)是逆时针方向,因此磁力线(g)与磁力线(c)产生排斥力Fcg,同理分析可知,Fdg、Ffg都是排斥力。第三,图1C给出导线受力分析示意图,主要由Fga、Fge、Fgb、Fcg、Fdg、Ffg组成。最后,图1D给出导线受力分解与导线受力合成示意图,Fx是导线x方位所受的力,其方位同时垂直于靠近导线侧的外磁场磁力线方位和导线中电流方向,这完全与物理学左手定则一致。但Fy无论等于零,亦或不等于零,分力(Fgay、Fgby、Fcgy、Fdgy)总是存在的。
因此,在传统旋转电机内,定子磁场磁力线与转子磁场磁力间产生的力,包括切向分力和径向分力(或称法向分力,旋转向心力)。切向分力,例如,Fgax、Fgex、Fgbx、Fcgx、Fdgx与Ffgx,都是做有用功,径向分力,例如,Fgay、Fgby、Fcgy、Fdgy,都是不做功,但它们在电动汽车电驱动系统中需要动力电池维持,当动力电池SOC下降到一定比例,径向分力不能满足定子与转子间吸引力需求,电机将失去动力,因此,传统电机不能利用动力电池整个电容量空间,导致动力电池容量的利用率低。
一些论文[4]、[5]、[6]、[10]不仅仅聚焦于电驱动系统的电机,还分析电机的控制策略。然而传统电机的控制策略,基于目标转速与电机线圈电流控制电机转速,采用各种算法,例如PID算法,使得当前转速跟随目标转速。但如果负载扭矩呈动态随机变化,那么当前电机旋转速度也将随机波动,因此,电动汽车的驾驶稳定性较差。
这里,我们分析电力发动机[1]理论,并且介绍电力发动机控制策略[2]。在不久的将来,上述缺点将被解决。
本文的其余部分安排如下:第二节给出给出一组简单的电力发动机模型,描述电力发动机概念、架构、工作过程、模型及模型运转,基于电磁物理学理论,分析电力发动机特点;第三节给出电力发动机控制策略模型简单仿真结果,在本节,将详细描述电力发动机控制策略;最后,第四节给出主要结论,并为未来研究人员给出建议。
1、电力发动机
电力发动机(见图2)是电驱动系统重要部件,它将改善动力电池容量的利用效率。本节给出给出一组简单的电力发动机模型,描述电力发动机概念、架构、工作过程、模型及模型运转,基于电磁物理学理论,分析电力发动机特点。
电力发动机(见图2)是电能转换为机械能的设备,它主要应用于新能源电动汽车领域,见图2,主要由支架、曲轴、连杆、活塞、缸体、电磁线圈总成、电力发动机控制单元及霍尔传感器组成。活塞顶部嵌入永久磁铁,电磁线圈总成由缸盖、线圈、缸体组成,缸体线圈位于上止点刻度线与下止点刻度线之间,缸体线圈轴向长度为活塞行程距离。
1.1 工作过程
如果线圈电流是正向,则活塞将上移;如果线圈电流反向,则活塞下移,见图2。
首先,当活塞(5)到达下止点位置,电磁线圈总成(8)线圈电流切换至正向电流,电磁线圈总成(12)线圈电流切换至反向电流,电磁线圈总成(9)线圈电流切换至正向电流,电磁线圈总成(11)线圈电流切换至反向电流。其次,当活塞(13)到达下止点位置,电磁线圈总成(11)线圈电流切换至正向电流,电磁线圈总成(9)线圈电流切换至反向电流,电磁线圈总成(8)线圈电流切换至正向电流,电磁线圈总成(12)线圈电流切换至反向电流。再次,当活塞(14)到达下止点位置,电磁线圈总成(8)线圈电流切换至反向电流,电磁线圈总成(12)线圈电流切换至正向电流,电磁线圈总成(9)线圈电流切换至反向电流,电磁线圈总成(11)线圈电流切换至正向电流。最后,当活塞(7)到达下止点位置,电磁线圈总成(11)线圈电流切换至反向电流,电磁线圈总成(9)线圈电流切换至正向电流,电磁线圈总成(8)线圈电流切换至反向电流,电磁线圈总成(12)线圈电流切换至正向电流。当电力发动机控制单元(10)关断所有电磁线圈总成电源,电力发动机将停止运转。
1.2 模型&模型运转
图3是电力发动机模型及模型运转,图3A是第一代电力发动机模型,图3B是运转中的第一代电力发动机模型,图3C是第二代电力发动机模型,图3D是运转中的第二代电力发动机模型。
见图3,电力发动机模型都是由曲轴、连杆、活塞、永久磁铁、线圈、缸体、动力驱动板、电力发动机控制单元、霍尔传感器组成。电力发动机控制单元控制线圈电流方向,活塞做往复直线运动,往复直线运动经过连杆、曲轴被转换为旋转运动,最后曲轴输出动力,包括转速与扭矩,代替内燃机与传统旋转电机为电动汽车电驱动系统提供动力。
图4给出电力发动机模型控制逻辑框图,模型主要功能如下:如果芯片(PIC16F1827)RB0引脚从低电平变为高电平,线圈电流切换至反方向,活塞下行;如果芯片(PIC16F1827)RB1引脚从低电平变为高电平,线圈电流切换至正方向,活塞上行。
1.3 原理&特点
图5给出磁场磁力线分布示意图,图5A是带电线圈磁场磁力线分布示意图,图5B是永久磁铁磁场磁力线分布示意图。
如图5A,线圈磁场磁力线是封闭曲线。在线圈内部,磁力线的方向是从S极指向N极,磁力线是最集中的,磁场强度是最大的,磁力线具有极好的一致性,磁场具有很好的稳定性。在线圈外部,磁场磁力线的方向是从N极指向S极,磁场强度随着远离磁极而快速衰减。
如图5B,同样的,永久磁铁磁场磁力线是封闭曲线。在永久磁铁内部,磁力线的方向是从S极指向N极,磁力线是最集中的,磁场强度是最大的,磁力线具有极好的一致性,磁场具有很好的稳定性。在永久磁铁外部,磁场磁力线的方向是从N极指向S极,磁场强度随着远离磁极而快速衰减。
如图5,如果把永久磁铁内部磁场与线圈内部磁场放到一起,它们将产生最大的吸引力或排斥力,且如果两磁场强度相等,能量转换效率最高。
电力发动机方案正是把永久磁铁放置在线圈内部,永久磁铁受到最大的磁场力,磁场力方向是永久磁铁(活塞)的位移方向,磁场力都做有用功,因此,电力发动机方案能改善动力电池容量的利用效率。
2、控制策略
控制策略是电力发动机重要组成部分,它将提高电动汽车的驾驶稳定性。本节给出简单的控制策略模型仿真结果,并详细描述电力发动机控制策略。
追求驱动功率与负载需求功率相等,这是电力发动机控制策略的最高目标。计算如下:
Pd是电力发动机驱动功率,单位为瓦特,见公式(1)。
Pl是电力发动机负载需求功率,单位是千瓦特,见公式(2)。
令驱动功率与负载需求功率相等,见公式(3)和公式(4)。
根据公式(4),计算占空比,见公式(5)。
根据占空比,我们能计算出活塞行程周期内线圈供电时间。
图6给出控制策略模型仿真结果。图6A是目标转速,单位是rad/min。图6B是负载扭矩,单位是Nm。图6C是负载需求功率,单位是k W。图6D是当前实际转速,单位是rad/min。当目标转速维持恒定不变,我们给负载扭矩一个随机增量,增幅不超过30%,这是由Lab VIEW编程环境中随机变量函数实现。仿真结果:目标转速波形不变,负载需求功率波形是波动的,但当前实际转速没有波动。因此,本方案控制策略将提高电动汽车驾驶稳定性。
3、结论
本文提出并分析了一种新颖的电力发动机,该方案把永久磁铁置于线圈内部,实现永久磁铁获得最大的吸引力或排斥力,力的方位与永久磁铁(活塞)的位移方位一致,力产生有用功。此电力发动机方案能改善动力电池容量的利用效率,且能提高电动汽车驾驶稳定性。
电动机容量 篇6
关键词：大容量火电厂,电动调速水泵,汽动给水泵,区别应用
0 引言
给水泵主要分为变速给水泵和定速给水泵, 变速给水泵主要是利用调整水泵的转速来对流量进行调节的, 节流损失比较低, 调节阀的使用时间长, 工作条件好, 而且可以进行低速启动, 不过设备投入资金多, 结构复杂, 维修次数多。大容量泵应用的比较多[1]。定速给水泵是利用泵口的节流阀来对流量进行调节的, 随着水泵转速的提高, 节流阀会出现比较严重的节流损失。不过调节节流给水泵比较简单、维护起来也比较简易、操作也比较方便。
1 汽动给水泵和电动调速给水泵之间的区别
1.1 汽动给水泵的优缺点
汽动给水泵主要是利用1个独立的小汽轮机对给水泵进行驱动, 小汽轮机将蒸汽从抽气管道上抽取出来, 然后利用小汽机的转动给水泵进行供水, 调节泵转动的快慢是利用小汽轮机的调速器来对进气量进行控制的, 一般可以选择背压式和凝气式小汽机。为了保证小汽机的正常运行, 还需要安装对应的水管道系统、汽管道系统、备用汽源和调速系统。一般情况下使用串联的方式对气动给水泵进行连接。汽动给水泵主要有下面几个优点:a) 汽动给水泵不需要消耗火电厂的电力, 可以提高电厂对外的供电量;b) 小汽机容量比较大, 有效地降低了大机组给水泵的台数[2];c) 汽动给水泵的转速大概在5 500 r/min~8 500r/min。水泵的轴线不长, 挠度较低, 轴的刚性也比较好, 可以极大地提升水泵的安全性;d) 汽动给水泵转速的调节是利用小汽机的蒸汽量来进行的, 和电动调速给水泵中的液力偶合器相比, 效率要相对高一些;e) 在火电厂的电力系统出现故障或者停电时, 可以确保锅炉能够持续供水, 提升电厂的稳定性。
1.2 电动调速给水泵的优缺点
为了可以更好地对负荷的变化进行适应, 电动调速给水泵普遍使用变速调节的方法进行调节。在进行变速调节时, 首先对液力偶合器进行设置, 然后液力偶合器通过对使用工作油来使涡轮和泵轮之间保持一个无磨损的状况, 为了达到空载离合, 减少启动电流的目的, 可以使用排油、快速充等方法来进行, 使用对泵和电动机隔离的方法来降低冲击力, 给水泵的调速范围为21%~99%可以满足发电机组滑参数运行的要求以及停、启范围内符合的变化。而且可以使用遥控控制和手动控制两种方法进行控制, 非常方便。由于水泵的转动速度为5 100 r/min, 启动电流消耗非常大, 对火电厂电量的耗用也非常多, 经济性较低, 和汽动给水泵相比, 系统结构比较简单。国内大部分火电机组多使用汽动给水泵, 使用凝汽式小汽轮机[3]。
1.3 不同类型的小汽轮机的优缺点
小汽轮机的汽源主要是由冷再热蒸汽、新蒸汽、热再热蒸汽、主机四段抽气等类型。
当使用背压机作为小汽轮机时, 由于在汽轮机中蒸汽的内焓降低, 对抽气压力的要求也比较高, 一般使用热再热蒸汽或者冷再热蒸汽作为汽源。和凝汽式小汽轮机相比, 排气处理非常复杂、经济性也比较差。不过转速要高于凝汽式小汽轮机, 在对低负荷汽源进行切换时, 对主机负荷的要求也不高, 系统建设和小汽轮机的资金投入量也比较低。
当使用凝汽式小汽轮机时, 在小汽轮机中蒸汽的内焓降比高, 使用低压抽汽就可以达到规定的要求, 所以一般情况下, 主机抽汽使用比较普遍, 而且由于小汽轮机制造起来比较容易, 低压抽汽的比容也比较高, 内效率也比较高, 所以使用凝汽式小汽轮机具有比较好的热经济性, 整体的做功利用率也比较高。而且在对排气进行处理时, 可以直接将排气引入到主机的凝汽器中, 也可以将凝汽器独立地设置出来, 然后使用小凝结水泵送入到主机凝汽器中, 非常方便快捷, 不过小汽轮机的转速会被末级叶片的高度限制, 会受到末级湿度的影响。另外由于抽汽的压力不高, 在切换低负荷汽源时, 对应主机负荷的高度会比较高[4]。
2 给水泵在大容量火电厂中的应用
根据相关火电厂的设计要求, 在所有的给水系统中, 给水泵的出口总容量在保证所有锅炉最大水蒸发量的同时, 还要有一定的剩余。具体的规定主要有下面几个方面。
2.1 给水泵在1 000 MW机组中的应用
站在经济角度来看, 1 000 MW的机组中一般使用汽动给水泵。另外为了达到机组灵活启停的目的, 绝大部分的电厂还配备有电动水泵。一般情况下, 要根据设备的可靠性、机组的容量和电网中机组的承担符合来决定使用汽动给水泵的容量和台数, 当在机组中使用1台容量为100%的汽动水泵时, 如果设备出现了故障, 就会导致机组的负荷降低, 当在机组中配置2台容量为50%的汽动给水泵时, 其中1个泵出现故障后, 机组仍可以保持一半的负荷继续运行。考虑到机组运行的稳定性, 一般选择2×50%汽动给水泵配置来搭建机组, 并以此为基础对给水泵的备用和启动功能进行考虑。另外备用启动水泵除了要满足1 000MW等级的锅炉启动后水泵容量的需求外, 还要满足机组启动的需求。
2.2 给水泵在600 MW机组中的应用
对于600 MW湿冷机组, 常见的配置为1台最大给水容量为26%~36%的调速电动给水泵作为备用和启动给水泵, 同时要使用2台最大给水量为55%的汽动给水泵作为运行给水泵[1]。当前一般使用1台容量为35%左右的备用启动电动调速给水泵和2台容量为55%的汽动给水泵来组成600 MW湿冷机组的给水系统。如果使用自带凝汽器的给水泵方案, 虽然在理论上行得通, 但是增加凝结水系统、冷却系统和凝汽器会使得成本增加, 系统的复杂性提高, 整体可靠性也会降低。因此目前湿冷机组常见的都是把小汽机的排汽排放到大机冷凝器中。
对于空冷机组, 如果使用汽动给水泵会极大地提升汽动给水泵的背压, 在对汽动给水泵的汽轮机末端进行设计时, 难度也相对提高, 尾部的运行条件也变得非常不好, 另外还需要增加背压保护装置和非启动喷水装置。目前, 已经投入使用的空冷汽轮发电机组均使用电动调速给水泵来对负荷和锅炉上的水进行调节。综合以上因素来看, 最好使用电动给水泵来作为600 MW空冷机组的给水泵。
2.3 给水泵在300 MW机组中的应用
对于300 MW的汽轮机组, 常见是配置给水量为110%的汽动给水泵。在运行过程中, 如果运行了2台容量为55%的汽动给水泵时, 需要设置容量为24%~36%的调速电动给水泵作为备用给水泵。当使用1台容量为110%的汽动给水泵时, 还需要配置1个最大给水量为55%的电动给水泵来作为备用给水泵。
3 结语
综上所述, 本文通过对大容量火电厂中电动调速给水泵和汽动给水泵分别进行了详细的介绍, 明确指出了两种水泵的优缺点。同时又详细介绍了两种水泵在不同机组条件下的使用方法, 为以后火电厂水泵机组的建设提供了一定的参考价值。
参考文献
[1]王晓民.调速给水泵在单元制运行方式下的应用[J].科技创新与应用, 2013, 8 (06) :55-56.
[2]曹炳元, 陆春洪, 吴广云.135 MW机组电动给水泵节电改造研究与实践[J].电力设备, 2004, 10 (06) :78-79.
[3]吴志刚, 孟临潼.210 MW机组电动给水泵改汽动给水泵的经济性分析[J].能源技术, 2009, 10 (01) :121-122..