ABB 传动 传动系统选型 技术指导 . 7 2 技术指导. 7 - 传动系统的选型 ABB 传动 传动系统选型 技术指导. 7 3ABD64362569 版本 A 中文 基于:3AFE64362569 版本 C 中文 生效日期:2010-10-01 ? 2010 北京ABB电气传动系鲛有限公司 7 4 技术指导. 7 - 传动系统的选型 5 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 目录 第1章-介绍.7 概述.7 第2章- 传动系统. 8 第3章- 选型步骤的描述 9 第4章- 感应(AC) 电机.11 4.1 基本原理.11 4.2 电机电流 13 4.2.1 恒磁通范围 14 4.2.2 弱磁范围 15 4.3 电机功率 16 第5章- 基本的机械定律 17 5.1 旋转运动 17 5.2 齿轮和转动惯量 20 第6章- 负载类型 22 第7 章- 电机载荷能力 25 第8章- 选择变频器和电机 26 8.1 泵和风机应用 (举例)27 8.2 恒转矩应用 (举例)29 8.3 恒功率应用 (举例)31 第9章- 输入变压器和整流器 35 9.1 整流器.35 9.2 变压器.35 6 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 第1章-介绍 概述 传动系统的选型是一项需要仔细考虑各种因素影响的任务.选型需 要整个系统的知识包括供电、被驱动的机器、环境条件、电机和传 动等等.在选型阶段所花费的时间意味着成本的节省. 8 技术指导. 7 - 传动系统的选型 第2章-传动系统 一个典型的交流单传动系统包括输入变压器或供电部分、变频器、 交流电机和负载.单传动中包括整流器,直流母线和逆变单元. 图2.1 一个单传动包括 1) 整流器,2) 直流母线, 3) 逆变单元 和4) 供电部分 在多传动系统中通常会使用一个公共的整流单元.逆变单元直接连 接到公共直流母线上. 图2.2 一个传动系统包括1) 一个单独的供电部分,2) 公共直流母线, 3)传动部分和 4) 供电部分 9 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 本章给出了电机和变频器选型的一般步骤. 1) 首先检查原始条件. 为了选择正确的变频器和电机, 检查主供电电源电压等级 (380 V …690 V) 和频率(50 Hz … 60 Hz).主供电电源频率不会限制应用 的调速范围. 2) 检查设备要求. 是否需要大的启动转矩? 负载类型?一些典型的负载类型见后面 的描述. 3) 选择电机 电机是转矩产生的来源.电机必须有一定的过载能力,并且能 够产生一定数量的转矩.不能超出电机的热负荷能力.在选型 阶段考虑最大的有效转矩必须考虑电机的最大转矩要留有30%余量. 4) 选择变频器 变频器根据初始条件和已选择的电机来选择.变频器产生所需 要的电流和功率的能力需要被检查.变频器在短时周期性负载 的应用中具有潜在的过载能力. 第3章-选型步骤的描述 10 技术指导. 7 - 传动系统的选型 选型阶段 电网 传动 电机 负载 1) 检查电网和负载的初始 条件 2) 根据以下条件选择电机: ? 热负荷能力 ? 速度范围 ? 需要的最大转矩 3) 根据以下条件选择变频器: ? 负载类型 ? 连续和最大电流 ? 供电电网条件 fN =50Hz, 60Hz UN =380...690V Tload T n min n max Tload T TS n min n max Imax IN n min n max TS 选型步骤的概述 图3.1 选型步骤的概述 11 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 第4章-感应 (AC) 电机 感应电机广泛应用于工业领域.本章描述一些基本特性. 4.1 基本原理 感应电机把电能转换为机械能.能量的转换基于电磁感应原理. 因为感应电机的原理感应电机都有转差存在. 转差在电机的额定点来定义频率 ( ( fn ), 转速 ( nn ), 转矩 (Tn ), 电压 ( Un), 电流( In) 和 功率 ( Pn)).在额定点转差为: ns 为同步转速: 电机直接连接到恒定电压和频率的电网中其转矩曲线如下图: 图4.1 感应电机电网直接供电时的典型的转矩转速曲线(D.O.L., Direct-On-Line). 图中 a) 启动转矩, b) 最大转矩 c), 最小转矩, Tmax 和d) 电机额定点 (4.1) (4.2) 12 技术指导. 7 - 传动系统的选型 转矩 Speed 感应 (AC) 电机 标准感应电机的最大转矩(也称下拉转矩和极限转矩)一般是额定转 矩的2-3倍.最大转矩下对应得转差smax 比额定转差大.为了有效 使用感应电机其转差应在-smax...smax.的范围内.这可以通过控制 电压和频率来实现.变频器可以实现这种控制. 图4.2 变频器供电的感应电机的转矩/转速曲线.Tmax 在弱磁点以下短时过载时 有效.变频器控制时, 最大转矩的有效值限制在电机Tmax的70%. 在额定频率以下的频率范围称为恒磁通范围.电机在额定频率/转 速以上运行为弱磁范围.在弱磁范围内电机运行在恒功率段.这 就是弱磁范围有时也称为恒功率范围的原因. 感应电机的最大转矩与磁通的平方成正比(Tmax ~ ψ2 ).这意味着最 大转矩在恒磁通范围内是近似恒定的.在弱磁点以上最大转矩与 频率的平方成反比. ( Tmax ~ ) 13 技术指导. 7 - 传动系统的选型 恒磁通范围 速度 弱磁范围 磁通 Tmax 电压 7 感应 (AC) 电机 图4.3 最大转矩,电压和磁通相对于转速的值. 4.2 电机电流 感应电机的电流有两个分量:无功电流( isd )和有功电流(isq ).无 功电流分量包括励磁电流(imagn),而有功电流是产生转矩的电流分 量.有功和无功电流分量是相互正交的关系. 励磁电流(imagn)是近似恒定的在恒磁通范围内(在弱磁点以下).在 弱磁区励磁电流与转速成反比. 在恒磁通范围内对励磁电流的估算是在电机额定点的无功电流(isd ). 图4.4 定子电流( is ) 包括无功电流 ( isd )和有功电流( isq )分量,它们相互正交.定子 磁通用 ψs 来表示. 14 技术指导. 7 - 传动系统的选型 , 当0.8 * Tn ≤ Tload ≤ 0.7 * Tmax 感应 (AC) 电机 4.2.1 恒磁通范围 在弱磁点以下电流分量可近似地用下面的公式来计算: 总的电机电流: 可以看出零电机转矩时有功电流分量为零.随着电机转矩的升高电 机电流成比例的增加.近似的总的电机电流为: 例4.1: 一个15 kW电机的额定电流是32 A 功率因数是0.83. 在额定点电机 的励磁电流近似是多少? 在弱磁点以下在120 %额定转矩时电机总 电流是多少. 解答 4.1: 在额定点估算的励磁电流: 在120 %额定转矩时电机总电流的近似公式: 使用近似的公式 是因为转矩满足条件: 0.8 * Tn ≤ Tload ≤ 0.7 * Tmax (4.5) (4.3) (4.4) (4.6) 15 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 4.2.2 弱磁范围 在弱磁区电流分量也取决于转速. 总电机电流: 电机电流在一定的运行区域内可以近似计算.电机电流近似与功率 成正比. 电流的近似公式: 当满足下面条件时可使用近似值: 和 感应 (AC) 电机 (4.8) (4.7) (4.10) (4.9) (4.11) (4.12) 在弱磁范围内为了维持一定的转矩需要与相对速度成正比的附加 电流. 例4.2: 电机的额定电流是71 A.在1.2倍额定转速时要获得100 %额定转矩 需要多大电流(Tmax = 3 * Tn). 解答 4.2: 电流用下面的公式近似计算: 16 技术指导. 7 - 传动系统的选型 4.3 电机功率 电机的输出功率根据转速和转矩用公式可计算出来: 电机的功率通常用千瓦来表示 (1 kW = 1000 W) 转速用 rpm每分钟圈数来表示, 1 rpm = rad/s),可用下面的公式计算: 电机的输入功率可根据电压,电流和功率因数来计算: 电机的效率是输出功率除以输入功率: 例4.3: 电机额定功率是 15 kW 额定转速是1480 rpm 电机的额定转矩是多少? 解答 4.3: 电机的额定转矩通过下面公式计算: 例4.4: 电机的额定效率是多少? 37 kW (Pn = 37 kW,Un =380 V, In =71 A 及cos(?n) = 0.85) ? 解答 4.4: 额定效率: 感应 (AC) 电机 (4.13) (4.14) (4.15) (4.16) 17 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 第5章-基本的机械定律 5.1 旋转运动 感应电机的一个基本等式的描述. 转动惯量(J [kgm2 ),角速度(ω [rad/s])和转矩(T [Nm])之间的关 系,见下面的等式: 上面的等式基于频率和转动惯量变化.下面的等式常常假设转动 惯量为常量: 转矩Tload表示电机的负载.负载由摩擦力,惯量和负载本身组成. 当电机转速变化时,电机的转矩不同于Tload.这时电机转矩按动态 转矩和负载转矩分量来考虑: 如果转速和转动惯量为常量动态转矩分量(Tdyn )为零. 动态转矩分量由恒定转动惯量的负载加减速而产生(电机的转速变 化?n [rpm] 是在?t [s]内产生的,J是常量): 动态转矩分量由恒定转速n[rpm]时变化的惯量而产生: (5.1) (5.2) (5.3) (5.4) (5.5) 18 技术指导. 7 - 传动系统的选型 如果在电机加速时转动惯量改变动态转矩分量可按照一定的间隔 来计算.从热选型的角度来看,在加速期间可以考虑转动惯量的 平均值. 例5.1: 总的转动惯量,3kgm2 ,在10秒内速度从500rpm加速到1000rpm.当 恒定的负载转矩是50 Nm时需要的总的转矩是多少? 如果电机的供电被切断,电机需要多长时间减速到0 rpm ? 解答 5.1: 总的转动惯量是常量. 产生加速度需要的动态转矩分量: 加速期间总的转矩: 如果电机的转速在1000rpm时供电被切断,电机由于恒定的负载转 矩(50 Nm)会减速.下面的公式: 从1000 rpm到0 rpm的减速时间: 例5.2: 在额定转矩下加速一个风机到额定转速. 在额定转速下转矩为87 %. 风机的转动惯量是1200 kgm2 电机的转动惯量是11 kgm2 . 风机的负 载Tload见图5.1. 电机的额定功率是200 kW,额定转速是991 rpm. 基本的机械定律 19 技术指导. 7 - 传动系统的选型 速度 转矩 7 5.1 风机的转矩特性.转速和转矩用相对值来描述. 计算从零到额定转速的近似启动时间. 解答 5.2: 电机的额定转矩: 把速度分成五个部分来计算启动时间.在每个部分 (198.2 rpm) 转 矩被认为是恒定的.每个部分的转矩从中间点开始.因为每个部分 的平方曲线接近于直线. 在额定转矩下电机(风机)的加速时间可通过下面的公式计算: 基本的机械定律 20 技术指导. 7 - 传动系统的选型 能量的方向 不同速度区的加速时间: 0-198.2 rpm 198.2-396.4 rpm 396.4-594.6 rpm 594.6-792.8 rpm 792.8-991 rpm 从 0到991 rpm 的启动时间是112秒. 5.2 齿轮和转动惯量 在传动系统中齿轮是典型的传动装置.当计算电机转矩和转速范围 时应考虑到齿轮装置的影响.以下等式从负载侧到电机侧齿轮传动 装置被简化(见图 5.2 ): 图5.2 齿轮传动装置的效率 η.齿数比n1 :n2 . 基本的机械定律 (5.6) (5.7) (5.8) 21 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 整个系统之内的转动惯量( J [kgm2 ])都需要知道.如果不知道可以 计算出来,要精确计算是比较困难的.机械制造商能提供一些必 要的数据. 例5.3: 圆柱体是比较常见负载的外形 (辊子, 圆筒,连轴器, 等.) 旋转圆柱体 的转动惯量是多少(质量=1600 kg, 半径=0.7 m)? 解答 5.3: 旋转圆柱体的转动惯量 (质量 m [kg] 和 半径r [m]) 可以计算出来: 如果有齿轮减速装置,折算到电机侧的转动惯量应相应减小.下面 的例子表明如何计算减小的齿轮和提升装置的转动惯量.在基础的 工程学书籍中可以找到其它公式. 例5.4: 下面的提升传动系统是折算到电机侧的转动惯量的计算. 图5.3 应用于例 5.4中的提升传动系统 解答 5.4: 总的转动惯量包括J1=10kgm2 ,J2=30kgm2 ,r=0.2m和m=100kg.转动 惯量为J2,质量为m的负载连接在减速比为n1:n2=2:1的减速箱后面. J2 的转动惯量折算后与减速比的平方成反比.提升物的转动惯量 为减速比反比的平方乘以质量m 及半径 r 的平方,因为它也连接 在减速机的后面. 因此系统总的转动惯量: 基本的机械定律 22 技术指导. 7 - 传动系统的选型 第6章-负载类型 在工业领域不同的负载类型有不同的负载特性.知道负载曲线(转 速范围,转矩和功率)对选择一个合适的电机和变频器是非常必要 的. 下面的图形描述了一些常见的负载类型.也可能是一些负载类型 的组合. 1. 恒转矩 在处理固定负载时,恒转矩负载类型是典型的应用.例如螺杆 式压缩机,进料和搬运是典型的恒转矩负载应用.转矩是恒定 的功率和转速成正比关系. 图6.1 在恒转矩应用中典型的转矩和功率曲线. 2. 平方转矩 平方转矩是最普通的负载类型.典型的应用是离心风机和泵.转 矩与转速的平方,功率与转速的立方成正比. 图6.2在平方转矩应用中典型的转矩和功率曲线. 23 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 3. 恒功率 当负载开始旋转时负载是额定的,在旋转过程中直径是变化的. 功率是是恒定的,转矩与速度成反比. 图6.3 在恒功率应用中典型的转矩和功率曲线. 4. 恒功率/转矩 这种负载在造纸行业应用的比较普遍.它是恒功率和恒转矩负 载类型的组合.这种负载类型经常根据在高速点所需的功率来 对系统选型. 图6.4在恒功率/转矩应用中典型的转矩和功率曲线. 5. 启动/ 最小转矩需求 在有些应用中需要低频高转矩.选型中要考虑这种要求.这种 负载类型的典型应用,例如挤出机和螺杆泵. 负载类型 24 技术指导. 7 - 传动系统的选型 图6.5 需要最小启动转矩应用的典型转矩曲线. 也有一些个别的负载类型.它们很难来描述.这里仅仅提及一点 儿,有不同的对称(辊子,起重机等)和非对称的负载.转矩的对 称/非对称以角度或时间来定义.这种负载类型的应用在选型时必 须仔细考虑电机和变频器过载能力的余量和电机的平均转矩. 负载类型 25 技术指导. 7 - 传动系统的选型 T / Tn 相对速度 7 第7章 -电机载荷能力 当对传动系统选型时应考虑电机的热负荷能力.热负荷能力定义电 机长期运行的载荷能力. 标准的感应电机是自冷却的.由于自冷却电机的热负荷能力随电 机转速的下降而降低.这就限制了电机在低速下连续输出有效转 矩的能力. 带单独冷却风机的电机在低速下能输出满转矩.冷却风机也要选型 这样冷却效果可与额定点相同. 自冷和单独冷却电机的转矩在弱磁区都会受到限制. 图7.1 变频控制的标准鼠笼感应电机典型的负载能力1) 无单独的冷 却风机 和2) 有单独的冷却风机. 交流电机具有短时过载的能力.短时过载周期主要被最大转矩Tmax 限制(检查安全余量). 一般而言,变频器的短时过载能力比电机的更为苛刻.电机的热上 升时间从15分钟(小电机)到几个小时(大电机).变频器的热上升时 间(典型的几分钟)在产品手册中已给出. 26 技术指导. 7 - 传动系统的选型 第8章-选择变频器和电机 电机根据负载处理过程的基本数据来选择.转速范围,转矩曲线, 冷却方式和电机载荷能力.经常要比较不同的电机,因为不同电机 的选择会影响变频器的容量. 要选择合适的变频器有一些因素必须要考虑.对不同功率的变频 器,制造商通常有对应典型电机功率的选择表. 如果知道转矩特性选型电流可以计算出来.相应的电流值根据转 矩曲线和变频器电流限值可以计算出来.电机的额定电流给出一 些选型的参考.这不是最好的选型标准因为电机可能被降容(环境 温度,危险区域等). 在选择变频器前要检查供电电压.供电电压的波动影响电机有效的 输出轴功率.如果供电电压比额定弱磁点电压低,电机在弱磁区的 最大有效转矩会降低. 电机最大有效转矩经常被变频器限制.在选择电机阶段要考虑这 个因素的影响.变频器限制电机的转矩要优于电机制造商给出的 数据表. 电机最大有效转矩还可以被系统中的变压器,电抗器,电缆等限 制.因为它们会引起电压降落,因此电机的最大有效转矩会降低. 系统的功率损耗需要通过变频器来补偿. 27 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 8.1 泵和风机应用(举例) 多个风机泵类应用的选型: ? 检查速度范围计算速度最高点的功率. ? 检查启动转矩. ? 选择电机极数.最经济的运行频率经常出现在弱磁区. ? 选择电机功率以便在最高转速时功率的利用.注意电机的热负 荷能力. ? 选择变频器.根据泵和风机的额定数据.如果没有泵和风机的 有效数据,根据电机的电流曲线来选择变频器. 例8.1: 一个泵在2000 rpm时带150 kW的负载.不需要启动转矩. 解答8.1: 在2000 rpm 需要的转矩: 根据这个应用可选择2极或4极电机. 图8.1 风机泵类应用时的电机负载曲线.1) 2极和2) 4极电机对比. 1) 2极电机 根据负载曲线2极电机在2000 rpm 时负载能力是95 %.电机的额定 转矩至少为: 选择变频器和电机 28 技术指导. 7 - 传动系统的选型 相应的额定功率至少为: 可选择 250 kW (400 V, 431 A, 50 Hz, 2975 rpm,0.87) 的电机,电机 的额定转矩为: 在2000 rpm时电机的电流近似为:(恒磁通范围) 变频器的最小连续输出电流是384 A. 2)4 极电机 4极电机在 2000 rpm 时的负载能力是 75 %. 电机的最小额定转矩是: 4极电机的最小功率是: 可选择160 kW (400 V, 305 A, 50 Hz, 1480 rpm ,0.81)电机. 在2000 rpm (66.7 Hz) 时近似的电机电流是: 如果选择变频器的额定电流接近电机的电流,应计算出精确的电 流. 4极电机在泵的运行点需要的电流更小.因此是比2极电机更为经 济的选择. 选择变频器和电机 29 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 8.2 恒转矩应用(举例) 恒转矩应用时选型的一些步骤: ? 检查速度范围. ? 检查需要的转矩. ? 检查可能的加速度.如果需要加速检查转动惯量. ? 检查启动转矩的需要. ? 选择电机确保转矩在热负荷曲线之下(单独冷却/自冷却?).典 型的电机额定转速在需要的运行速度范围的中间. ? 根据选型电流选择合适的变频器. 例8.2: 挤压机的转速范围是300-1200rpm.在1200rpm负载功率是48Kw. 启动转矩是200 Nm.从0到1200 rpm的加速时间是10秒.电机是自 冷却额定电压是400 V. 例8.2: 需要的恒定转矩: 可选择4极或6极电机. 图8.2 恒转矩应用中的电机负载能力曲线.1) 4极和 2) 6极电机的比较. 选择变频器和电机 30 技术指导. 7 - 传动系统的选型 1) 电机极数=4 在300 rpm时电机的热负载能力是80 %. 估算的最小的额定转矩是: 最小的电机额定功率是: 例如一个 75 kW (400 V, 146 A,50 Hz, 1473 rpm) 的电机.电机的额 定转矩是: 近似的电机电流是 (T/Tn ≈ 0.8): 根据计算的电机电流可以选择一个合适的变频器. 对这个电机来说(200 Nm)的启动转矩没有问题. 如果电机的转动惯量是 0.72 kgm2 在加速期间的动态转矩是: 在加速期间总的转矩是 391 Nm,其值小于电机的额定转矩. 2) 电机极数 p=6 电机转速在300 rpm 和1200 rpm 时电机的负载能力是84 %. 因此 6极电机的最小额定转矩是: 最小的电机额定功率是: 选择变频器和电机 31 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 比如选择 55 kW (400 V, 110A, 50 Hz, 984 rpm 和功率因数0.82) 的电 机.电机的额定转矩是: 在1200 rpm时选型电流能近似地计算出来: 变频器的额定(连续) 电流要大于96 A. 需要的启动转矩小于电机的额定转矩. 如果电机的转动惯量是1.2 kgm2 加速期间的动态转矩是: 加速期间总的转矩是 397 Nm,其值小于电机的额定转矩. 6极电机的电流是 19 A,小于 4极电机.最终变频器/电机的选择 取决于电机和变频器的功率等级和价格. 8.3 恒功率应用(举例) 恒功率应用中的一些选型步骤: ? 检查速度范围. ? 计算需要的功率. 卷曲是典型的恒功率应用. ? 对电机选型要充分利用其弱磁区. 例8.3: 用变频器控制的拉丝机.卷轴的表面速度是12 m/s 张力是5700 N. 卷轴的直径是630mm(空卷)到1250mm(满卷).有一个速比为n2:n1 =1:7.12,效率是0.98的减速机. 根据此应用选择合适的变频器和电机. 选择变频器和电机 32 技术指导. 7 - 传动系统的选型 解答 8.3: 卷曲的基本原理是随着卷径的变化保持表面的速度和张力恒定 图8.3 卷曲的基本图形 直线运动的功率是: P = Fv 旋转运动的功率是: P = Tω 表面速度和角速度的关系是: 转矩等于力和半径的乘积: T = Fr 根据上面的公式可以选择出电机: 选择变频器和电机 33 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 在选择电机之前必须考虑减速机的影响.速度,转矩和功率相应减 小: 1) 电机极数 p=2 如果一个2极电机在1305 rpm时的负载能力是88 %,在2590 rpm时是97 % .电机最小的额定功率是: 选择200 kW (400V, 353 A, 50 Hz, 2975 rpm 和功率因数 0.86) 的电机. 电机的 额定转矩是: 根据511 Nm的转矩可以计算出选型电流: 2) 电机极数 p=4 如果选择4极电机 从负载曲线上可以看出在1305 rpm和2590 rpm时 负载能力分别为98 %和60 %.电机的最小额定功率是: 选择变频器和电机 34 技术指导. 7 - 传动系统的选型 选择一个90 kW (400 V, 172 A, 50 Hz, 1473 rpm 和功率因数 0.83) 的电 机.电机的额定转矩是: 在这个应用中选型是根据电机在1305 rpm时的电流来完成的. 电机电流是: 2极电机的弱磁区没有被利用 (恒功率),这会导致选型过大.在这 个应用中4极电机是更好的选择. 选择变频器和电机 35 技术指导. 7 - 传动系统的选型 TORQUE LINE CURRENT 7 第9章- 输入变压器和整流器 有几种不同类型的整流器.整流器的类型会限制装置的运行. 比较常见的整流器是 6 脉或 12 脉二极管整流.二极管整流器仅支持 电动类负载,功率只能流向一个方向. 在一些运行中负载可能处在发电状态,发电的能量需要被吸收.对 于短时发电负载传统的解决办法是采用制动电阻把发电的功率转化 成热能.如果负载一直处在发电状态,需要使用4象限整流器. 输入变压器和整流器根据电机轴功率和系统损耗来选型.例如如果 在低转速时需要高转矩,而机械功率是比较低的.因此从整流的角 度不需要高过载能力. 图9.1 在恒转矩应用中的线电流曲线.在低速时线电流是非常小的. 9.1 整流器 整流器根据电机轴功率来选型.单传动的整流器容量可根据下面的 近似的公式计算,其中系数0.9主要是考虑了电机和逆变器的效率: 在传动系统中如果采用公直流母线的方式,在同一时刻既有电动又 有发电.整流器的功率可根据下面的公式近似地计算. (9.1) (9.2) 36 技术指导. 7 - 传动系统的选型 9.2 变压器 输入变压器的功率可根据以下公式计算: 上面公式中: Ptotal 是总的电机轴功率. k 是变压器的载荷系数 (k-系数). 1.05 表示变压器的压降(阻抗). ηr 是整流器的效率. cos(α) 是整流器的控制角 (=1.0 二极管整流器). ηc 是交流电抗器(如果有)效率. ηi 是逆变器效率. ηm 是电机效率. 典型的数值是1.2 - 1.35 总的轴功率. 例9.1: 在恒转矩应用中转速在1200 rpm时需要的最大轴功率是48 kW.可 选择55 kW 的电机和70 kVA的逆变器. 输入变压器和整流器的说明.使用6脉二极管供电单元(效率0.985), 直流母线上有直流电抗器, 逆变器效率0.97及电机效率0.95. 解答 9.1: 估算的整流器功率: 输入变压器和整流器 (9.3) 电抗器的效率包括在逆变器的效率中.因为二极管供电单元的 cos(α) =1.输入变压器的功率(k=0.95): 37 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 38 技术指导. 7 - 传动系统的选型 北京ABB电气传动系统有限公司 中国,北京,100015 北京市朝阳区酒仙桥北路甲10号D区1号 电话:010-58217788 传真:010-58217518/58217618 24小时服务热线:(+86) 400 810 8885 网址:http://www.abb.com/drives 3ABD64362569 版本 A 中文 基于: 3AFE64362569 版本 C 中文 生效日期: 2010-10-01
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ABB 传动 传动系统选型 技术指导 . 7 2 技术指导. 7 - 传动系统的选型 ABB 传动 传动系统选型 技术指导. 7 3ABD64362569 版本 A 中文 基于:3AFE64362569 版本 C 中文 生效日期:2010-10-01 ? 2010 北京ABB电气传动系鲛有限公司 7 4 技术指导. 7 - 传动系统的选型 5 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 目录 第1章-介绍.7 概述.7 第2章- 传动系统. 8 第3章- 选型步骤的描述 9 第4章- 感应(AC) 电机.11 4.1 基本原理.11 4.2 电机电流 13 4.2.1 恒磁通范围 14 4.2.2 弱磁范围 15 4.3 电机功率 16 第5章- 基本的机械定律 17 5.1 旋转运动 17 5.2 齿轮和转动惯量 20 第6章- 负载类型 22 第7 章- 电机载荷能力 25 第8章- 选择变频器和电机 26 8.1 泵和风机应用 (举例)27 8.2 恒转矩应用 (举例)29 8.3 恒功率应用 (举例)31 第9章- 输入变压器和整流器 35 9.1 整流器.35 9.2 变压器.35 6 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 第1章-介绍 概述 传动系统的选型是一项需要仔细考虑各种因素影响的任务.选型需 要整个系统的知识包括供电、被驱动的机器、环境条件、电机和传 动等等.在选型阶段所花费的时间意味着成本的节省. 8 技术指导. 7 - 传动系统的选型 第2章-传动系统 一个典型的交流单传动系统包括输入变压器或供电部分、变频器、 交流电机和负载.单传动中包括整流器,直流母线和逆变单元. 图2.1 一个单传动包括 1) 整流器,2) 直流母线, 3) 逆变单元 和4) 供电部分 在多传动系统中通常会使用一个公共的整流单元.逆变单元直接连 接到公共直流母线上. 图2.2 一个传动系统包括1) 一个单独的供电部分,2) 公共直流母线, 3)传动部分和 4) 供电部分 9 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 本章给出了电机和变频器选型的一般步骤. 1) 首先检查原始条件. 为了选择正确的变频器和电机, 检查主供电电源电压等级 (380 V …690 V) 和频率(50 Hz … 60 Hz).主供电电源频率不会限制应用 的调速范围. 2) 检查设备要求. 是否需要大的启动转矩? 负载类型?一些典型的负载类型见后面 的描述. 3) 选择电机 电机是转矩产生的来源.电机必须有一定的过载能力,并且能 够产生一定数量的转矩.不能超出电机的热负荷能力.在选型 阶段考虑最大的有效转矩必须考虑电机的最大转矩要留有30%余量. 4) 选择变频器 变频器根据初始条件和已选择的电机来选择.变频器产生所需 要的电流和功率的能力需要被检查.变频器在短时周期性负载 的应用中具有潜在的过载能力. 第3章-选型步骤的描述 10 技术指导. 7 - 传动系统的选型 选型阶段 电网 传动 电机 负载 1) 检查电网和负载的初始 条件 2) 根据以下条件选择电机: ? 热负荷能力 ? 速度范围 ? 需要的最大转矩 3) 根据以下条件选择变频器: ? 负载类型 ? 连续和最大电流 ? 供电电网条件 fN =50Hz, 60Hz UN =380...690V Tload T n min n max Tload T TS n min n max Imax IN n min n max TS 选型步骤的概述 图3.1 选型步骤的概述 11 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 第4章-感应 (AC) 电机 感应电机广泛应用于工业领域.本章描述一些基本特性. 4.1 基本原理 感应电机把电能转换为机械能.能量的转换基于电磁感应原理. 因为感应电机的原理感应电机都有转差存在. 转差在电机的额定点来定义频率 ( ( fn ), 转速 ( nn ), 转矩 (Tn ), 电压 ( Un), 电流( In) 和 功率 ( Pn)).在额定点转差为: ns 为同步转速: 电机直接连接到恒定电压和频率的电网中其转矩曲线如下图: 图4.1 感应电机电网直接供电时的典型的转矩转速曲线(D.O.L., Direct-On-Line). 图中 a) 启动转矩, b) 最大转矩 c), 最小转矩, Tmax 和d) 电机额定点 (4.1) (4.2) 12 技术指导. 7 - 传动系统的选型 转矩 Speed 感应 (AC) 电机 标准感应电机的最大转矩(也称下拉转矩和极限转矩)一般是额定转 矩的2-3倍.最大转矩下对应得转差smax 比额定转差大.为了有效 使用感应电机其转差应在-smax...smax.的范围内.这可以通过控制 电压和频率来实现.变频器可以实现这种控制. 图4.2 变频器供电的感应电机的转矩/转速曲线.Tmax 在弱磁点以下短时过载时 有效.变频器控制时, 最大转矩的有效值限制在电机Tmax的70%. 在额定频率以下的频率范围称为恒磁通范围.电机在额定频率/转 速以上运行为弱磁范围.在弱磁范围内电机运行在恒功率段.这 就是弱磁范围有时也称为恒功率范围的原因. 感应电机的最大转矩与磁通的平方成正比(Tmax ~ ψ2 ).这意味着最 大转矩在恒磁通范围内是近似恒定的.在弱磁点以上最大转矩与 频率的平方成反比. ( Tmax ~ ) 13 技术指导. 7 - 传动系统的选型 恒磁通范围 速度 弱磁范围 磁通 Tmax 电压 7 感应 (AC) 电机 图4.3 最大转矩,电压和磁通相对于转速的值. 4.2 电机电流 感应电机的电流有两个分量:无功电流( isd )和有功电流(isq ).无 功电流分量包括励磁电流(imagn),而有功电流是产生转矩的电流分 量.有功和无功电流分量是相互正交的关系. 励磁电流(imagn)是近似恒定的在恒磁通范围内(在弱磁点以下).在 弱磁区励磁电流与转速成反比. 在恒磁通范围内对励磁电流的估算是在电机额定点的无功电流(isd ). 图4.4 定子电流( is ) 包括无功电流 ( isd )和有功电流( isq )分量,它们相互正交.定子 磁通用 ψs 来表示. 14 技术指导. 7 - 传动系统的选型 , 当0.8 * Tn ≤ Tload ≤ 0.7 * Tmax 感应 (AC) 电机 4.2.1 恒磁通范围 在弱磁点以下电流分量可近似地用下面的公式来计算: 总的电机电流: 可以看出零电机转矩时有功电流分量为零.随着电机转矩的升高电 机电流成比例的增加.近似的总的电机电流为: 例4.1: 一个15 kW电机的额定电流是32 A 功率因数是0.83. 在额定点电机 的励磁电流近似是多少? 在弱磁点以下在120 %额定转矩时电机总 电流是多少. 解答 4.1: 在额定点估算的励磁电流: 在120 %额定转矩时电机总电流的近似公式: 使用近似的公式 是因为转矩满足条件: 0.8 * Tn ≤ Tload ≤ 0.7 * Tmax (4.5) (4.3) (4.4) (4.6) 15 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 4.2.2 弱磁范围 在弱磁区电流分量也取决于转速. 总电机电流: 电机电流在一定的运行区域内可以近似计算.电机电流近似与功率 成正比. 电流的近似公式: 当满足下面条件时可使用近似值: 和 感应 (AC) 电机 (4.8) (4.7) (4.10) (4.9) (4.11) (4.12) 在弱磁范围内为了维持一定的转矩需要与相对速度成正比的附加 电流. 例4.2: 电机的额定电流是71 A.在1.2倍额定转速时要获得100 %额定转矩 需要多大电流(Tmax = 3 * Tn). 解答 4.2: 电流用下面的公式近似计算: 16 技术指导. 7 - 传动系统的选型 4.3 电机功率 电机的输出功率根据转速和转矩用公式可计算出来: 电机的功率通常用千瓦来表示 (1 kW = 1000 W) 转速用 rpm每分钟圈数来表示, 1 rpm = rad/s),可用下面的公式计算: 电机的输入功率可根据电压,电流和功率因数来计算: 电机的效率是输出功率除以输入功率: 例4.3: 电机额定功率是 15 kW 额定转速是1480 rpm 电机的额定转矩是多少? 解答 4.3: 电机的额定转矩通过下面公式计算: 例4.4: 电机的额定效率是多少? 37 kW (Pn = 37 kW,Un =380 V, In =71 A 及cos(?n) = 0.85) ? 解答 4.4: 额定效率: 感应 (AC) 电机 (4.13) (4.14) (4.15) (4.16) 17 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 第5章-基本的机械定律 5.1 旋转运动 感应电机的一个基本等式的描述. 转动惯量(J [kgm2 ),角速度(ω [rad/s])和转矩(T [Nm])之间的关 系,见下面的等式: 上面的等式基于频率和转动惯量变化.下面的等式常常假设转动 惯量为常量: 转矩Tload表示电机的负载.负载由摩擦力,惯量和负载本身组成. 当电机转速变化时,电机的转矩不同于Tload.这时电机转矩按动态 转矩和负载转矩分量来考虑: 如果转速和转动惯量为常量动态转矩分量(Tdyn )为零. 动态转矩分量由恒定转动惯量的负载加减速而产生(电机的转速变 化?n [rpm] 是在?t [s]内产生的,J是常量): 动态转矩分量由恒定转速n[rpm]时变化的惯量而产生: (5.1) (5.2) (5.3) (5.4) (5.5) 18 技术指导. 7 - 传动系统的选型 如果在电机加速时转动惯量改变动态转矩分量可按照一定的间隔 来计算.从热选型的角度来看,在加速期间可以考虑转动惯量的 平均值. 例5.1: 总的转动惯量,3kgm2 ,在10秒内速度从500rpm加速到1000rpm.当 恒定的负载转矩是50 Nm时需要的总的转矩是多少? 如果电机的供电被切断,电机需要多长时间减速到0 rpm ? 解答 5.1: 总的转动惯量是常量. 产生加速度需要的动态转矩分量: 加速期间总的转矩: 如果电机的转速在1000rpm时供电被切断,电机由于恒定的负载转 矩(50 Nm)会减速.下面的公式: 从1000 rpm到0 rpm的减速时间: 例5.2: 在额定转矩下加速一个风机到额定转速. 在额定转速下转矩为87 %. 风机的转动惯量是1200 kgm2 电机的转动惯量是11 kgm2 . 风机的负 载Tload见图5.1. 电机的额定功率是200 kW,额定转速是991 rpm. 基本的机械定律 19 技术指导. 7 - 传动系统的选型 速度 转矩 7 5.1 风机的转矩特性.转速和转矩用相对值来描述. 计算从零到额定转速的近似启动时间. 解答 5.2: 电机的额定转矩: 把速度分成五个部分来计算启动时间.在每个部分 (198.2 rpm) 转 矩被认为是恒定的.每个部分的转矩从中间点开始.因为每个部分 的平方曲线接近于直线. 在额定转矩下电机(风机)的加速时间可通过下面的公式计算: 基本的机械定律 20 技术指导. 7 - 传动系统的选型 能量的方向 不同速度区的加速时间: 0-198.2 rpm 198.2-396.4 rpm 396.4-594.6 rpm 594.6-792.8 rpm 792.8-991 rpm 从 0到991 rpm 的启动时间是112秒. 5.2 齿轮和转动惯量 在传动系统中齿轮是典型的传动装置.当计算电机转矩和转速范围 时应考虑到齿轮装置的影响.以下等式从负载侧到电机侧齿轮传动 装置被简化(见图 5.2 ): 图5.2 齿轮传动装置的效率 η.齿数比n1 :n2 . 基本的机械定律 (5.6) (5.7) (5.8) 21 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 整个系统之内的转动惯量( J [kgm2 ])都需要知道.如果不知道可以 计算出来,要精确计算是比较困难的.机械制造商能提供一些必 要的数据. 例5.3: 圆柱体是比较常见负载的外形 (辊子, 圆筒,连轴器, 等.) 旋转圆柱体 的转动惯量是多少(质量=1600 kg, 半径=0.7 m)? 解答 5.3: 旋转圆柱体的转动惯量 (质量 m [kg] 和 半径r [m]) 可以计算出来: 如果有齿轮减速装置,折算到电机侧的转动惯量应相应减小.下面 的例子表明如何计算减小的齿轮和提升装置的转动惯量.在基础的 工程学书籍中可以找到其它公式. 例5.4: 下面的提升传动系统是折算到电机侧的转动惯量的计算. 图5.3 应用于例 5.4中的提升传动系统 解答 5.4: 总的转动惯量包括J1=10kgm2 ,J2=30kgm2 ,r=0.2m和m=100kg.转动 惯量为J2,质量为m的负载连接在减速比为n1:n2=2:1的减速箱后面. J2 的转动惯量折算后与减速比的平方成反比.提升物的转动惯量 为减速比反比的平方乘以质量m 及半径 r 的平方,因为它也连接 在减速机的后面. 因此系统总的转动惯量: 基本的机械定律 22 技术指导. 7 - 传动系统的选型 第6章-负载类型 在工业领域不同的负载类型有不同的负载特性.知道负载曲线(转 速范围,转矩和功率)对选择一个合适的电机和变频器是非常必要 的. 下面的图形描述了一些常见的负载类型.也可能是一些负载类型 的组合. 1. 恒转矩 在处理固定负载时,恒转矩负载类型是典型的应用.例如螺杆 式压缩机,进料和搬运是典型的恒转矩负载应用.转矩是恒定 的功率和转速成正比关系. 图6.1 在恒转矩应用中典型的转矩和功率曲线. 2. 平方转矩 平方转矩是最普通的负载类型.典型的应用是离心风机和泵.转 矩与转速的平方,功率与转速的立方成正比. 图6.2在平方转矩应用中典型的转矩和功率曲线. 23 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 3. 恒功率 当负载开始旋转时负载是额定的,在旋转过程中直径是变化的. 功率是是恒定的,转矩与速度成反比. 图6.3 在恒功率应用中典型的转矩和功率曲线. 4. 恒功率/转矩 这种负载在造纸行业应用的比较普遍.它是恒功率和恒转矩负 载类型的组合.这种负载类型经常根据在高速点所需的功率来 对系统选型. 图6.4在恒功率/转矩应用中典型的转矩和功率曲线. 5. 启动/ 最小转矩需求 在有些应用中需要低频高转矩.选型中要考虑这种要求.这种 负载类型的典型应用,例如挤出机和螺杆泵. 负载类型 24 技术指导. 7 - 传动系统的选型 图6.5 需要最小启动转矩应用的典型转矩曲线. 也有一些个别的负载类型.它们很难来描述.这里仅仅提及一点 儿,有不同的对称(辊子,起重机等)和非对称的负载.转矩的对 称/非对称以角度或时间来定义.这种负载类型的应用在选型时必 须仔细考虑电机和变频器过载能力的余量和电机的平均转矩. 负载类型 25 技术指导. 7 - 传动系统的选型 T / Tn 相对速度 7 第7章 -电机载荷能力 当对传动系统选型时应考虑电机的热负荷能力.热负荷能力定义电 机长期运行的载荷能力. 标准的感应电机是自冷却的.由于自冷却电机的热负荷能力随电 机转速的下降而降低.这就限制了电机在低速下连续输出有效转 矩的能力. 带单独冷却风机的电机在低速下能输出满转矩.冷却风机也要选型 这样冷却效果可与额定点相同. 自冷和单独冷却电机的转矩在弱磁区都会受到限制. 图7.1 变频控制的标准鼠笼感应电机典型的负载能力1) 无单独的冷 却风机 和2) 有单独的冷却风机. 交流电机具有短时过载的能力.短时过载周期主要被最大转矩Tmax 限制(检查安全余量). 一般而言,变频器的短时过载能力比电机的更为苛刻.电机的热上 升时间从15分钟(小电机)到几个小时(大电机).变频器的热上升时 间(典型的几分钟)在产品手册中已给出. 26 技术指导. 7 - 传动系统的选型 第8章-选择变频器和电机 电机根据负载处理过程的基本数据来选择.转速范围,转矩曲线, 冷却方式和电机载荷能力.经常要比较不同的电机,因为不同电机 的选择会影响变频器的容量. 要选择合适的变频器有一些因素必须要考虑.对不同功率的变频 器,制造商通常有对应典型电机功率的选择表. 如果知道转矩特性选型电流可以计算出来.相应的电流值根据转 矩曲线和变频器电流限值可以计算出来.电机的额定电流给出一 些选型的参考.这不是最好的选型标准因为电机可能被降容(环境 温度,危险区域等). 在选择变频器前要检查供电电压.供电电压的波动影响电机有效的 输出轴功率.如果供电电压比额定弱磁点电压低,电机在弱磁区的 最大有效转矩会降低. 电机最大有效转矩经常被变频器限制.在选择电机阶段要考虑这 个因素的影响.变频器限制电机的转矩要优于电机制造商给出的 数据表. 电机最大有效转矩还可以被系统中的变压器,电抗器,电缆等限 制.因为它们会引起电压降落,因此电机的最大有效转矩会降低. 系统的功率损耗需要通过变频器来补偿. 27 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 8.1 泵和风机应用(举例) 多个风机泵类应用的选型: ? 检查速度范围计算速度最高点的功率. ? 检查启动转矩. ? 选择电机极数.最经济的运行频率经常出现在弱磁区. ? 选择电机功率以便在最高转速时功率的利用.注意电机的热负 荷能力. ? 选择变频器.根据泵和风机的额定数据.如果没有泵和风机的 有效数据,根据电机的电流曲线来选择变频器. 例8.1: 一个泵在2000 rpm时带150 kW的负载.不需要启动转矩. 解答8.1: 在2000 rpm 需要的转矩: 根据这个应用可选择2极或4极电机. 图8.1 风机泵类应用时的电机负载曲线.1) 2极和2) 4极电机对比. 1) 2极电机 根据负载曲线2极电机在2000 rpm 时负载能力是95 %.电机的额定 转矩至少为: 选择变频器和电机 28 技术指导. 7 - 传动系统的选型 相应的额定功率至少为: 可选择 250 kW (400 V, 431 A, 50 Hz, 2975 rpm,0.87) 的电机,电机 的额定转矩为: 在2000 rpm时电机的电流近似为:(恒磁通范围) 变频器的最小连续输出电流是384 A. 2)4 极电机 4极电机在 2000 rpm 时的负载能力是 75 %. 电机的最小额定转矩是: 4极电机的最小功率是: 可选择160 kW (400 V, 305 A, 50 Hz, 1480 rpm ,0.81)电机. 在2000 rpm (66.7 Hz) 时近似的电机电流是: 如果选择变频器的额定电流接近电机的电流,应计算出精确的电 流. 4极电机在泵的运行点需要的电流更小.因此是比2极电机更为经 济的选择. 选择变频器和电机 29 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 8.2 恒转矩应用(举例) 恒转矩应用时选型的一些步骤: ? 检查速度范围. ? 检查需要的转矩. ? 检查可能的加速度.如果需要加速检查转动惯量. ? 检查启动转矩的需要. ? 选择电机确保转矩在热负荷曲线之下(单独冷却/自冷却?).典 型的电机额定转速在需要的运行速度范围的中间. ? 根据选型电流选择合适的变频器. 例8.2: 挤压机的转速范围是300-1200rpm.在1200rpm负载功率是48Kw. 启动转矩是200 Nm.从0到1200 rpm的加速时间是10秒.电机是自 冷却额定电压是400 V. 例8.2: 需要的恒定转矩: 可选择4极或6极电机. 图8.2 恒转矩应用中的电机负载能力曲线.1) 4极和 2) 6极电机的比较. 选择变频器和电机 30 技术指导. 7 - 传动系统的选型 1) 电机极数=4 在300 rpm时电机的热负载能力是80 %. 估算的最小的额定转矩是: 最小的电机额定功率是: 例如一个 75 kW (400 V, 146 A,50 Hz, 1473 rpm) 的电机.电机的额 定转矩是: 近似的电机电流是 (T/Tn ≈ 0.8): 根据计算的电机电流可以选择一个合适的变频器. 对这个电机来说(200 Nm)的启动转矩没有问题. 如果电机的转动惯量是 0.72 kgm2 在加速期间的动态转矩是: 在加速期间总的转矩是 391 Nm,其值小于电机的额定转矩. 2) 电机极数 p=6 电机转速在300 rpm 和1200 rpm 时电机的负载能力是84 %. 因此 6极电机的最小额定转矩是: 最小的电机额定功率是: 选择变频器和电机 31 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 比如选择 55 kW (400 V, 110A, 50 Hz, 984 rpm 和功率因数0.82) 的电 机.电机的额定转矩是: 在1200 rpm时选型电流能近似地计算出来: 变频器的额定(连续) 电流要大于96 A. 需要的启动转矩小于电机的额定转矩. 如果电机的转动惯量是1.2 kgm2 加速期间的动态转矩是: 加速期间总的转矩是 397 Nm,其值小于电机的额定转矩. 6极电机的电流是 19 A,小于 4极电机.最终变频器/电机的选择 取决于电机和变频器的功率等级和价格. 8.3 恒功率应用(举例) 恒功率应用中的一些选型步骤: ? 检查速度范围. ? 计算需要的功率. 卷曲是典型的恒功率应用. ? 对电机选型要充分利用其弱磁区. 例8.3: 用变频器控制的拉丝机.卷轴的表面速度是12 m/s 张力是5700 N. 卷轴的直径是630mm(空卷)到1250mm(满卷).有一个速比为n2:n1 =1:7.12,效率是0.98的减速机. 根据此应用选择合适的变频器和电机. 选择变频器和电机 32 技术指导. 7 - 传动系统的选型 解答 8.3: 卷曲的基本原理是随着卷径的变化保持表面的速度和张力恒定 图8.3 卷曲的基本图形 直线运动的功率是: P = Fv 旋转运动的功率是: P = Tω 表面速度和角速度的关系是: 转矩等于力和半径的乘积: T = Fr 根据上面的公式可以选择出电机: 选择变频器和电机 33 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 在选择电机之前必须考虑减速机的影响.速度,转矩和功率相应减 小: 1) 电机极数 p=2 如果一个2极电机在1305 rpm时的负载能力是88 %,在2590 rpm时是97 % .电机最小的额定功率是: 选择200 kW (400V, 353 A, 50 Hz, 2975 rpm 和功率因数 0.86) 的电机. 电机的 额定转矩是: 根据511 Nm的转矩可以计算出选型电流: 2) 电机极数 p=4 如果选择4极电机 从负载曲线上可以看出在1305 rpm和2590 rpm时 负载能力分别为98 %和60 %.电机的最小额定功率是: 选择变频器和电机 34 技术指导. 7 - 传动系统的选型 选择一个90 kW (400 V, 172 A, 50 Hz, 1473 rpm 和功率因数 0.83) 的电 机.电机的额定转矩是: 在这个应用中选型是根据电机在1305 rpm时的电流来完成的. 电机电流是: 2极电机的弱磁区没有被利用 (恒功率),这会导致选型过大.在这 个应用中4极电机是更好的选择. 选择变频器和电机 35 技术指导. 7 - 传动系统的选型 TORQUE LINE CURRENT 7 第9章- 输入变压器和整流器 有几种不同类型的整流器.整流器的类型会限制装置的运行. 比较常见的整流器是 6 脉或 12 脉二极管整流.二极管整流器仅支持 电动类负载,功率只能流向一个方向. 在一些运行中负载可能处在发电状态,发电的能量需要被吸收.对 于短时发电负载传统的解决办法是采用制动电阻把发电的功率转化 成热能.如果负载一直处在发电状态,需要使用4象限整流器. 输入变压器和整流器根据电机轴功率和系统损耗来选型.例如如果 在低转速时需要高转矩,而机械功率是比较低的.因此从整流的角 度不需要高过载能力. 图9.1 在恒转矩应用中的线电流曲线.在低速时线电流是非常小的. 9.1 整流器 整流器根据电机轴功率来选型.单传动的整流器容量可根据下面的 近似的公式计算,其中系数0.9主要是考虑了电机和逆变器的效率: 在传动系统中如果采用公直流母线的方式,在同一时刻既有电动又 有发电.整流器的功率可根据下面的公式近似地计算. (9.1) (9.2) 36 技术指导. 7 - 传动系统的选型 9.2 变压器 输入变压器的功率可根据以下公式计算: 上面公式中: Ptotal 是总的电机轴功率. k 是变压器的载荷系数 (k-系数). 1.05 表示变压器的压降(阻抗). ηr 是整流器的效率. cos(α) 是整流器的控制角 (=1.0 二极管整流器). ηc 是交流电抗器(如果有)效率. ηi 是逆变器效率. ηm 是电机效率. 典型的数值是1.2 - 1.35 总的轴功率. 例9.1: 在恒转矩应用中转速在1200 rpm时需要的最大轴功率是48 kW.可 选择55 kW 的电机和70 kVA的逆变器. 输入变压器和整流器的说明.使用6脉二极管供电单元(效率0.985), 直流母线上有直流电抗器, 逆变器效率0.97及电机效率0.95. 解答 9.1: 估算的整流器功率: 输入变压器和整流器 (9.3) 电抗器的效率包括在逆变器的效率中.因为二极管供电单元的 cos(α) =1.输入变压器的功率(k=0.95): 37 技术指导. 7 - 传动系统的选型 7 38 技术指导. 7 - 传动系统的选型 北京ABB电气传动系统有限公司 中国,北京,100015 北京市朝阳区酒仙桥北路甲10号D区1号 电话:010-58217788 传真:010-58217518/58217618 24小时服务热线:(+86) 400 810 8885 网址:http://www.abb.com/drives 3ABD64362569 版本 A 中文 基于: 3AFE64362569 版本 C 中文 生效日期: 2010-10-01