电机选型知识（精选4篇）
关键词：断路器 水电站 发电机
1 发电机型断路器与通用型断路器的技术性能比较
发电机型断路器与通用型断路器在机械特性、绝缘特性和电气特性的表述方式上基本相同。
如对短路开断电流均以交流分量有效值和直流分量百分数(DC%)表示；绝缘性能均以工频和雷电冲击耐压水平考核；机械特性考核项目等也基本相同。
发电机型断路器与通用型断路器的不同之处，是前者对某些技术性能的技术参数要求要苛刻得多。因为发电机的电感值较系统相对要大，作为保护断路器在瞬间所承受的直流分量和衰减时间常数均大得多。GB/T14824-1993中规定：在断路器分闸时间加0.01s时，直流分量(DC%)约为68%，衰减时间常数为60ms，显然较通用型断路器的直流分量DC%≤20%和衰减时间常数45ms要大；同时，额定短路关合电流也不相同，发电机型断路器因为直流分量较大，额定短路关合电流(峰值)为额定短路电流的2.74倍，而通用型断路器此值仅为2.5倍；在表述方式上，发电机型断路器的铭牌除标有额定短路电流值外，同时还注明有直流分量(DC%)值，而通用型断路器则仅标有额定短路电流值。
通过比较可以看出，发电机型断路器较通用型断路器开断、关合条件均要苛刻，型式试验的考核也相对严格得多。
2 发电机型断路器的主要型式试验考核内容
依据当前国际通用的ANSI/IEEEC37-013以对称电流为基础的交流高压发电机断路器标准规定，对发电型断路器型式试验考核内容主要是：系统源短路的开断与关合、发电机源短路开断和失步开断与关合。其它的型式试验考核与通用型断路器内容基本相同。
(1)系统源短路的开断与关合试验。发电机型断路器是在非自动重合闸操作顺序下进行。直流分量分DC%<20%及dc%>20%两种条件；瞬态恢复电压(峰值)为1.7倍发电机最高工作电压；瞬态恢复电压的上升率为3.5kV/μs；关合试验按2.74倍额定短路电流(峰值)合并进行的。国外西屋和西门子公司在进行此项试验时，直流分量(DC%)均按75%额定短路电流考核。
通用型断路器一般都是在自动重合闸操作顺序下进行的。直流分量(DC%)<20%；瞬态恢复电压(峰值)为1.71倍额定工作电压；瞬态恢复电压上升率为0.34kV/μs；关合试验是按2.5倍额定短路电流(峰值)与对称开断试验合并进行。当断路器的分闸时间≥60ms时，则不必进行非对称开断试验。
上述两种类型断路器的试验考核，均相当于三相试验时首开相或者单相试验时的条件。相比之下，即便是开断电流的数值相同，而发电机型断路器则是在高直流分量和瞬态恢复电压下进行开断，开断条件较通用型断路器苛刻得多。
(2)发电机源短路的开断试验。
发电机源短路的开断试验条件则更为苛刻，该试验具有更高的直流分量。按照ANSI/IEEEC37-013标准规定：此值为DC%=130%。对于这一试验考核，通用型断路器则是无法胜任的。
(3)失步开断与关合试验。
发电机型断路器失步开断与关合试验是在合、分条件下进行的。外施电压和首相开断工频恢复电压为1.22倍发电机最高电压；开断电流为50%的交流分量有效值；直流分量(DC%)分<20%和≥50%两种条件；瞬态恢复电压峰值为2.5倍发电机最高电压；瞬态恢复电压上升率为3.3kV/μs；关合试验按2.5倍对称开断电流交流分量值(峰值)与开断试验合并进行；国外西屋公司在进行此项试验时的直流分量(DC%)为80%；西门子公司为120%。
通用型断路器的合、分失步开断与关合试验，外施电压和首相开断工频恢复电压为1.44倍系统最高电压；开断电流为25%的交流分量有效值；直流分量(DC%)<20%；瞬态恢复电压峰值为2.55倍额定工作电压；瞬态恢复电压上升率为0.26kV/μs；而对关合电流不作规定。
我国国家标准GB1984规定：失步开断仅适用于联络断路器，对于通用型断路器在10kV系统应用时，则不必进行失步开断与关合此项试验。该标准已被修订，目前正在待批。相对比较，发电机型断路器对失步开断与关合试验不仅要做，而且直流分量和瞬态恢复电压值要大得多，这是通用型断路器不可能替代的。
3 发电机型断路器开发研究过程
1 伺服电机外型制造重点要点分析
1.1 负载/电机惯量比
在使伺服系统获得最佳效能和电机充分发挥机械效能的情况下, 正确制定惯量比参数是其的前提条件和重要条件。这在高精度高速度的系统的要求下也起到了决定性的作用。高速度的伺服系统参数与惯量两者有着密切的联系。我们可以做一个假设:不断加大载电机的惯量比, 伺服参数的调整也会越来越趋向边缘化。出现这种现象的原因为:当其速度较高时, 抑制震动的能力变差, 以致使控制变得不稳定;如果未做任何自适应调整, 便将伺服系统的默认参数控制在1~3倍负载电机惯量比下, 那么, 系统的运作状态也是最佳的, 于是, 负载电机惯量比问题便摆在了人们的面前。负载电机惯量比问题就是“惯量匹配”问题, 现负载惯量和电机惯量不相匹配, 较大的冲击便出现在两者动量传递的过程中。
1.2 转速的选择
第一, 我们要根据机械系统的快速行程速度, 计算出需要采用的电机, 并控制电机的额定转速, 使转速维持在电机额定转速的范围内, 以便有效的利用伺服电机;许可额定转速、允许瞬间转速和最大转速三者在瞬间转速达到最大值。第二, 转速达到最大, 额定转速要最小。当伺服电机采用恒转矩调速工作时, 它便在最低转速与额定转速之间进行运转;而在当伺服电机当采用恒功率调速工作时, 其便在额定转速和最大转速之间运转。一般来讲, 负载转矩决定了恒转矩范围内的转矩, 负载的功率决定恒功率范围内的功率。所谓的恒功率调速, 顾名思义, 其在运行时输出的功率是恒定的, 而电机输出的转矩则根据运行速度的不同有所变化, 低速运行时输出转矩最大, 反之输出转矩最小;恒转矩调速则是电机在高速运行时输出功率最大, 在低速运行时输出功率最小, 而输出的转矩始终是一样大的。
1.3 转矩的选择
在选择伺服电机的额定转矩时必须要根据实际工作需要进行选择, 一般情况下, 伺服电机的最大转矩为额定转矩的三倍, 因此额定转矩满足实际需求即可, 不必考虑留有过多的余量。值得注意的是, 伺服电机的额定转矩大于等于连续工作的负载转矩, 伺服电机所输出的最大转矩大约机械系统所需要的最大转矩。在伺服电机进行机械校核时, 要将负载机械的特性类型考虑在内, 负载的机械特性类型一般有:恒功率负载、二次方律负载、恒转矩负载、直线负载、混合负载。
1.4 时间短的特性
运转性, 是伺服电机在短时间显现出来的特征。如, 电机的加、减速, 通常我们用最大转矩来表示。即使容量相同, 不同的电视的最大转矩有很大的不同。最大转矩常常影响驱动电机的加速时间, 其线性加速时间常数则由公式推导方可得出, 根据公式我们便可得到所需电机的最大转矩, 进而选定电机的容量。
1.5 连续特性
频繁起动、制动的数控机床对连续实效负载转矩的要求较为严格, 为了防止电机温度过高, 需要在一个特定周期内对电机转矩的平均方根值进行严格检查, 并一定要让其小于电机的连续额定转矩, 具体的计算方式可参考其它文献记录。对于电视的选择, 我们一定要遵循这五要素, 以此依据来选择电机种类, 一旦当中的一个条件不能满足时应尽量采取相应的措施, 如对电机的容量相对提高或改变电机型号等。
2 设计计算伺服进给系统
在当今的技术水平下, 大多数数控机床为半闭环控制。为了确保试验在定位精度的条件下进行, 我们要做好计算进给系统的设计, 并合理设计各项技术参数, 其中主要为包括:选择伺服电机型号, 优化及匹配校验转矩、惯量、加速能力, 验算电机定位的精度, 符合定位精度指标的最大死区误差。
2.1 伺服电机的选型
伺服电机最高转速nmax其计算公式为:
式中:vm为快进速度, m/min, i为传动减速比, i=n电机/n丝杆, S为丝杆螺距m, k为裕度系数 (取1~1.5) , 额定输出转矩为Md, 其计算式为:Md≥Mt。
Mt=M y+∑MR
式中:Mt为伺服系统的静态转矩, My为切削负载转矩, ∑MR为整个系统的摩擦转矩。
由切削力引起的折算到电机轴的切削负载转矩估算, (a) X、Y轴向进给力的计算, 最大圆周铣削力Fc, 计算公式 (不对称逆铣时为最大) 。
式中:Mm ax为主轴最大切削扭矩。
D刀具直径, 不对称铣削分力的计算公式:
进给方向上的分力FHFH=0.9 F c, 垂直于进给方向上的分力Fv=0.7Fc, 轴向分力F a=0.5 5 F c。
2.2 定位精度的指标
机械传动部分的变形主要有三个形式:轴承的轴向接触变形、滚珠丝杆的拉压变形和滚珠丝杠螺母的轴向变形, 这三项的刚度分别为:KT、K△、K。依据它们的结构尺寸, 计算出各邵分折算至丝杆—工作台的综合拉压刚度K0。
式中:d为丝杆中径mm,
E弹性模量, E=2.1 xl0 5 (N/mm2) ,
L受力点到支承端距离, mm,
n行程比:, L总行程长mm。
在丝杆一端为轴向固定, 一端为简支时, 螺母处于行程最远点, 此时刚度最低。
而当丝杆二端轴向固定时, 此时螺母处于行程中间位置, 刚度最低。
3 结语
现在, 伺服电机被人们广泛的应用。各行各业中应该多使用对精度有较高要求的机械设备, 如:数控机床和CNC数控设备、装配线和材料夹持自动生产、印刷设备、打浆成纸及网面处理和自动机载系统包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求相对较高的设备。
摘要：本文简述了半闭环伺服进给系统设计计算的一般方法, 突出介绍了伺服电机选型, 主要技术参数的计算, 转矩、惯量、加速能力的匹配校验及优化, 定位精度的计算和校验, 并附以实例设计计算及试验验证。
关键词：伺服进给,设计计算,电机选型
参考文献
[1]盛慧英.染整机械设计原理[M].北京:纺织工业出版社, 2004.
一、概念
防雷接地分为两个概念，一是防雷，防止因雷击而造成损害；二是接地，保证用电设备的正常工作和人身安全而采取的一种用电措施。接地装置是接地体和接地线的总称，其作用是将闪电电流导入地下，防雷系统的保护在很大程度上与此有关。接地工程本身的特点就决定了周围环境对工程效果的影响，脱离了工程所在地的具体情况来设计接地工程是不可行的。实践要求要有系统的接地理论来对工程实际进行指导。而设计的优劣取决于对当地土壤环境的诸多因数的综合考虑。土壤电阻率、土层结构、含水情况以及可施工面积等因数决定了接地网形状、大小、工艺材料的选择。因此在对人工接地体进行设计时，应根据地网所在地的土壤电阻率、土层分布等地质情况，尽量进行准确设计。接地体：又称接地极，是与土壤直接接触的金属导体或导体群。分为人工接地体与自然接体。接地体做为与大地土壤密切接触并提供与大地之间电气连接的导体，安全散流雷能量使其泄入大地。
二、设计原则
通信线路和通信机械接地，是为防雷、防强电、防电磁感应，防电腐蚀，防通信干扰，以及作为通信正常工作和保护人身安全而设。
通信机房的各种接地系统(包括联合接地，保护接地、防雷接地，以及各种自然接地体等)有两种设置方式(即分设方式与合设方式)，但每处只允许一种设置方式。
引入电源室的交流电源线，在室外应装置相应的低压避雷器及防护横向电压的设备。 接地体(包括防雷、交流零线的重复接地，保护接地、联合接地、电缆金属外护套，以及各种自然接地体等)，地下引接线及地上裸导体的连接等，应采取以下减少电化学腐蚀的措施：
①接地体(包括地下的引接线)应采用镀锌钢材、铸钢材、铜材或石墨电极;②减少联合接地系统的直流工作电流;③保护接地系统应没有直流或交流电流;
④引入电缆应采用有绝缘外护套的电缆或将电缆金属外护套与室内接地系统加绝缘措施;⑤两种不同的金属线(或金属排)连接时，应尽量采用熔接，保证无假焊、虚焊，当采用紧固件连接时，其连接处应镀锡。
接地体的引线不允许采用钢管保护，应采取绝缘措施。 采用分设接地方式时应作到：
①各种地下接地体、地下裸引线之间的距离应>20m，接地装置埋设地点应设地线桩。
②在电源室内应分别装设保护接地排和联合接地排。③接地系统的室外引接导线与房屋避雷泄流线的空间距离：当房屋高度在30m及以下时，一般应>2m。 联合接地系统应按机械室分类接入联合接地排，连接处所如下： ①各种直流电源母线需接地的一极;
②引入架，试验架，引入试验架，测量台、试验台的测试用地，以及测试仪表的接地;
③各机械室不接入交流电源的金属机架(电源室的直流配电屏机架不应接地);④电报机械和自动电话中继器的工作接地;
⑤引入电缆的绝缘金属护套，配线电缆的金属屏蔽层;⑥各通信机械室的保安避雷器(包括放电间隙，避雷器等);⑦容易产生噪声干扰的盘架单独接地。
保护接地系统按设备分别接入保护接地排，连接处所如下： ①交流配电盘、整流器、其他交流电源设备以及接入交流电源的机架、机壳;②交流电源线的金属外皮;
③交流三相四线制配电系统的中性线重复接地。不准用交流三相四线制的中性线代替保护接地。 采用合设接地系统时应作到下列要求：
①联合接地体、保护接地体、房屋防雷接地体、地下电缆金属外护套、混凝土电极以及金属水管等应接成一个接地系统，并采取熔焊和防腐蚀措施;②所有通信线路均应采用地下电缆引入方式，并应装设避雷设备;③不得利用室内通信设备的金属部分构成雷电流的泄流通路。通信机房内设备至回流排的连接导线。 铜芯不应<35mm2(总配线架至接地排);铜芯不应<16mm2(要求接地电阻<10欧时通信设备用);铜芯不应<10mm2(要求接地电阻≥10Ω的通信设备用);铝芯不应<25mm2(工频交流设备用)。
三、通信机房防雷施工方法 雷电进入通信机房有三种方式：
第一种是直击雷直接击中金属导线，让高压雷电以波的形式沿着导线两边传播而引入室内;
第二种是来自感应雷的高电压脉冲，即由于雷雨云对大地放电;
第三种是雷雨云之间迅速放电形成的静电感应和电磁感应，这种反击会沿着电力系统的零线，保护接地线和各种形式的接地线，以波的形式传入室内。 大楼通过建筑物主钢筋，上端与接闪器，下端与地网连接，中间与各层均压网或环形均压带连接，对进入建筑物的各种金属管线实施均压等电位连接，具有特殊要求的各种不同地线进行等电位处理。
对通信网络系统在建筑物楼内的布线和接地方式要求：通信电缆以及地线的布放应尽量集中在建筑物的中部。通信电缆线槽以及地线线槽的布放应尽量避免紧靠建筑物立柱或横梁，并与之保持较长的距离，通信电缆线槽以及地线线槽的设计应尽可能位于距离建筑物立柱或横梁较远的位置。
根据雷电保护区的划分要求，建筑物大楼外部是直接雷击区域;建筑物内部及计算机房所处的位置为非暴露区，越往内部，危险程度越低。雷电过电压对内部电子设备的损害主要是沿线路引入。保护区的界面由外部的防雷系统、建筑物的钢筋混凝土及金属外壳等构成的屏蔽层形成。电气通道以及金属管等金属构件，穿过各级雷电保护区时必须在每一穿过点做等电位连接。
进入建筑物大楼的电源线和通讯线应在LPZ0与LPZ1、LPZ1与LPZ2区交界处、以及终端设备的前端，根据IEC1312——雷电电磁脉冲防护标准，安装上电源类SPD，以及通讯网络类SPD(瞬态过电压保护器)。SPD是用以防护电子设备因受雷电闪击及其他干扰造成传导电涌过电压危害的有效手段。
四、通信机房接地装置施工方法
通信机房接地电阻标准，共用一组接地装置，接地电阻值应≤1Ω。
安全保护接地、直流工作接地、防雷接地分设时，接地电阻值应符合以下规定：①安全保护接地，接地电阻不应>10Ω;②直流工作接地，接地电阻不应>4Ω;③防雷接地，接地电阻不应>10Ω。
采用角钢50×50×5mm，长1.5m～2.5m;角钢与角钢的连接用扁钢，间隔≥4～5m，角钢≥40×4mm;引线采用50mm2多股铜芯绝缘线或按设计规定;引线与扁钢连接采用焊接，焊接点需进行防腐处理;接地体离通信机房的距离为15m～50m;接地体埋深1m;在腐蚀地带接地极需有防腐措施。
太平湾电站共有8台沈阳高压开关厂1985年生产的SN4-10G型少油断路器(配用CD8-370X型电磁操作机构,额定电压Ue为10kV,额定电流Ie为5kA,额定开断电流Idk为58kA),安装在发电机(P为54MW)出口和分支线上。从运行情况来看,SN4-10G型少油断路器存在如下问题:
(1)采用油质灭弧原理,体积大、机构笨重、检修维护工作量较大。
(2)分合闸操作力矩很大,频繁操作易发生位移变形,静态特性差。
(3)组合传动部件较多,检修时的各部件机械尺寸调整难度较大,检修时间较长。
(4)消弧室、导电杆和静触头在大修时更换频繁。
(5)经论证,达不到58kA额定开断容量。
(6)运行过程中多次出现拒合、拒分故障及其它问题,严重威胁电网安全稳定运行。
2 西门子真空断路器优点
德国西门子3AH真空断路器具有如下优点:
(1)造价低、寿命长,属于免维护产品。
(2)断口绝缘强度高且恒定。
(3)触头采用高导电率的铜铬合金材料,接触电阻仅有十几微欧。
(4)开断感性电流时,过电压幅值较小;开断容性电流无重燃。
(5)适用于频繁操作的场所。
3 太平湾电站二号发电机出口及分支线三相对称短路计算
太平湾电站电气主接线图及主要参数如图1所示。
选取基准电压Uj=Up=1.05Ue=10.5kV,基准容量Si=100MVA,等值电路图如2所示,等值网络图如3所示。
(1) d2点短路时,太平湾电站二号机出口三相短路计算结果见表1。
(2)d3点短路时,太平湾电站二号机分支线三相短路计算结果见表2。
(3)真空断路器额定电压的选取。
《发电机断路器订货技术条件》规定:10kV发电机断路器相对地工频耐压为42kV,断口为50kV。我国10kV系统中性点非直接接地,允许带一点接地故障运行1～2h,而国外10kV系统中性点直接接地,因此进口真空断路器额定电压应选为17.5kV。
(4)真空断路器额定电流的选取。
10.5kV发电机母线选用双槽型铝母线(125mm×55mm×6.5mm),截面积为2 740mm2,35℃环境温度下的修正系数为0.88,集肤效应系数为1.05,修正后其允许载流量为3 872A,故原发电机母线按允许电流选择是有裕度的。但由于10.5kV母线很长,母线不仅按发热条件选择,还要考虑产生的电能损失,因此按最大负荷利用小时4 050h、经济电流密度1.15A/mm2、工作电流3 473A,选择经济电流密度最小截面为3 020mm2。
4 3AH3真空开关技术参数
太平湾发电厂在2000年分别将太平湾电站一号、二号发电机出口SN4-10G开关更换为西门子3AH3 818-8发电机出口断路器,有关技术参数见表3。
5 安装中出现的技术问题及解决措施
针对安装中出现的技术问题,采取了如下解决措施。
(1)开关进出口双槽型铝母线更换问题。
①3AH3真空开关相间距离为275mm,而SN4-10G开关相间距离为600mm。
②真空开关接线端为铜质材料,经济电流密度为2.25A/mm2,发电机母线最大工作电流为3 473A,因此选用的铜母线截面积应大于1 543mm2。
解决措施:选用2条(120×10)mm2铜排母线,采用竖放敷设,允许电流为3 520A(环境温度为35℃),真空开关与出口侧母线采用软接手进行连接。验算了母线载流量、经济电流密度以及动稳定性,满足要求。
(2)母线连接处接触面电流密度问题。
①铜排与铜排连接。允许电流密度为0.1～0.15A/mm2,按同相为两面接触计算,实际接触面积为(120×120×2)mm2,电流密度为0.125A/mm2时的允许通过电流为3 600A,大于发电机最大工作电流3 473A,满足要求。
②铜排与槽型铝母线连接。允许电流密度为0.11A/mm2,如同相为两面接触,接触面积为(120×120×2)mm2,允许通过电流为3 168A,小于发电机最大工作电流3 473A;如同相为三面接触,接触面积为(120×120×3)mm2,允许通过电流为4 752A,大于发电机最大工作电流3 473A,满足要求。因此铜排与双槽型铝母线连接时的接触面积应不小于(120×120×3)mm2。
(3)开关两侧软接手数量及截面积确定问题。
与铝质材料相比,铜质材料具有刚度好、多次弯曲不易出现折裂的特点,因此开关两侧采用铜片软接手。
①铜接触面允许电流密度为0.1～0.15A/mm2,开关两侧按同相为两片软接手计算,实际接触面积为(100×100×2)mm2,电流密度为0.125A/mm2时的允许通过电流为2 500A,小于发电机最大工作电流3 473A,不能满足要求;按同相为3片软接手计算,实际接触面积为(100×100×3)mm2,允许通过电流为3 750A,满足要求。考虑软接手电流分布情况和真空开关实际尺寸,同相采用4片软接手比较合适。
②按经济电流密度2.25A/mm2、发电机母线最大工作电流3 473A计算,选用的铜软接手截面积应大于1 543mm2。实际的软接手每相截面积S=100mm×6.2mm×3=2 480mm2,总长度为400mm,铜片厚度为0.1mm,每条软接手共62片。开关进出口每相各采用4条软接手,开关进出口三相共有24条软接手。3AH3真空开关两侧铜片软接手结构如图4所示。
③铜母线与刀闸可动端底座接触面连接,采用原SN4开关两侧软接手。每相采用3条软接手,长度为505mm,铜片厚度为0.1mm,每条共62片。软接手每相截面积S=125mm×6.2mm×3=2 325mm2>1 543mm2(经济电流密度允许最小截面),软接手两端接触面允许通过电流为5 400A(因铜母线为120mm×10mm),满足母线载流量要求。发电机出口513刀闸下端铜片软接手结构如图5所示。
(4)其它安装问题。
①考虑与真空开关同相片间净距80mm相匹配,同时减小短路时片间作用应力,母线片间净距采用80mm和60mm 2种规格,经验算均小于片间临界跨距。
②母线绝缘子采用原ZD-10F型,跨距按0.5m考虑,实际安装时均小于0.7m,经验算均小于临界跨距。
③由于母线电流较大,铜排与双槽型铝母线的连接采用铜铝过渡片,同时在接触面涂刷凡士林,防止接触面发生氧化而导致母线过热。
④对开关两侧过电压保护器一次连接线相间及相对地距离小于125mm的部位用绝缘带进行包扎处理,满足户内10.5kV绝缘距离要求。
参考文献
[1]DL/T 402—1999高压断路器订货技术条件[S]
[2]DL 403—91 10～35kV户内高压真空断路器订货技术条件[S]
[3]DL 427—91户内型发电机断路器订货技术条件[S]
