1、電機與拖動技術(shù)DIANJI YU TUODONG JISHU新世紀(jì)應(yīng)用型高等教育教材編審委員會 組編新世紀(jì)應(yīng)用型高等教育教材編審委員會 9.1 電動機的一般選擇 9.2 電動機的發(fā)熱與溫升 9.3 電動機的額定功率第9章 電動機的選擇 9.4 電動機額定功率的選擇9.1 電動機的一般選擇第9章 電動機的選擇1.電動機的主要種類 電力拖動系統(tǒng)中拖動生產(chǎn)機械運行的原動機即驅(qū)動電機，包括直流電動機和交流電動機兩大種，交流電動機又有異步電動機和同步電動機兩種，電動機主要種類見下表。各種電動機具有的特點包括性能方面、所需電源、維修方便與否、價格高低等各項，這是選擇電動機種類的基本知識。當(dāng)然生產(chǎn)機械工藝特

2、點是選擇電動機的先決條件。這兩方面都了解了，便可以為特定的生產(chǎn)機械選擇到合適的電動機。 9.1.1 電動機種類的選擇 9.1 電動機的一般選擇第9章 電動機的選擇電動機種類主要性能特點典型生產(chǎn)機械舉例交流電動機三相異步電動機 籠式普通鼠籠式機械特性硬、起動轉(zhuǎn)矩不大、調(diào)速時需要調(diào)速設(shè)備調(diào)速性能要求不高的各種機床、水泵、通風(fēng)機高起動轉(zhuǎn)矩起動轉(zhuǎn)矩大帶沖擊負載的機械，如剪床、沖床、鍛壓機；靜止負載或慣性負載較大的機械，如：壓縮機、粉碎機、小型起重機多速有幾擋轉(zhuǎn)速（24速）要求有極調(diào)速的機床、電梯冷卻塔等繞線式機械特性硬（轉(zhuǎn)子串電阻后變軟）、啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速方法多、調(diào)速性能及啟動性能較好要求有一定調(diào)速范

3、圍、調(diào)速性能較好的生產(chǎn)機械，如橋式起重機；啟動、制動頻繁且對啟動、制動轉(zhuǎn)矩要求高的生產(chǎn)機械，如起重機、礦井提升機、壓縮機、不可逆軋鋼機同步電動機轉(zhuǎn)速不隨負載變化，功率因數(shù)可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速恒定的大功率生產(chǎn)機械，如大中型鼓風(fēng)及排風(fēng)機、泵、壓縮機、連續(xù)式軋鋼機、球磨機直流電動機他勵、并勵機械特性硬、啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、平滑性好調(diào)速性能要求高的生產(chǎn)機械，如大型機床（車、銑、創(chuàng)、磨、鏜）、高精度車床、可逆軋鋼機、造紙機、印刷機串勵機械特性軟、啟動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強、調(diào)速方便要求啟動轉(zhuǎn)矩大、機械特性軟的機械，如電車、電氣機車、起重機、吊車、卷揚機、電梯等復(fù)勵機械特性硬度適中、啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速方便9.1 電動

4、機的一般選擇第9章 電動機的選擇2.選擇電動機種類時考慮的主要內(nèi)容 1）電動機的機械特性 生產(chǎn)機械具有不同的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速關(guān)系，要求電動機的機械特性與之相適應(yīng)。如，負載變化時要求轉(zhuǎn)速恒定不變的，就應(yīng)選擇同步電動機；要求起動轉(zhuǎn)矩大及特性軟的如電車、電氣機車等，就應(yīng)選用串勵或復(fù)勵直流電動機。2）電動機的調(diào)速性能 電動機的調(diào)速性能包括調(diào)速范圍、調(diào)速的平滑性、調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟性(設(shè)備成本、運行效率等)諸方面，都應(yīng)該滿足生產(chǎn)機械的要求。如，調(diào)違性能要求不高的各種機床、水泵、通風(fēng)機多選用普通三相鼠籠式異步電動機：功率不大、有級調(diào)速的電梯及某些機床可選用多速電動機。9.1 電動機的一般選擇第9章 電動機的選擇3）電

5、動機的起動性能一些起動轉(zhuǎn)矩要求不高的例如機床可以選用普通鼠籠式三相異步電動機，但起動、制動頻繁，且起動、制動轉(zhuǎn)矩要求比較大的生產(chǎn)機械就可選用繞線式三相異步電動機，例如礦井提升機、起重機等。4）電源 交流電源比較方便，直流電源則一般需要有整流設(shè)備。采用交流電機時，還應(yīng)注意，異步電動機從電網(wǎng)吸收落后性無功功率使電網(wǎng)功率因數(shù)下降，而同步電動機則可吸收領(lǐng)先性無功功率。 9.1 電動機的一般選擇第9章 電動機的選擇5）經(jīng)濟性滿足了生產(chǎn)機械對于電動機起動、調(diào)速、各種運行狀態(tài)運行性能等方面要求的前提下，優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、運行可靠、維護方便的電動機。一般來說，在這方面交流電動機優(yōu)于直流電動機，鼠籠式

6、異步電動機優(yōu)于繞線式異步電動機。 最后應(yīng)著重強調(diào)的是綜合的觀點，所謂綜合是指： 1）以上各方面內(nèi)容在選擇電動機時必須都考慮到，都得到滿足后才能選定2）能同時滿足以上條件的電動機可能不是一種，還應(yīng)綜合其他情況，諸如節(jié)能、貨源等加以確定。 9.1 電動機的一般選擇第9章 電動機的選擇1.安裝方式 按安裝方式不同，電動機可分為臥式和立式，臥式電動機的轉(zhuǎn)軸安裝后為水平位置，立式的轉(zhuǎn)軸則為垂直地面的位置，兩種類型的電動機使用的軸承不同，立式的價格稍高，一般情況下用臥式的。2.軸伸個數(shù) 伸出到端蓋外面與負載聯(lián)接的轉(zhuǎn)軸部分稱為軸伸。多數(shù)情況下用單軸伸，特殊情況下采用雙軸伸的。 9.1.2 電動機類型的選擇

7、9.1 電動機的一般選擇第9章 電動機的選擇3.防護方式 按防護方式分，電動機有開啟式、防護式、封閉式和防爆式幾種。開啟式電動機的定子兩側(cè)和端蓋上都有很大的通風(fēng)口。防護式電動機的機座下面有通風(fēng)口。封閉式電動機的機座和端蓋上均無通風(fēng)孔，完全是封閉的。封閉式又分為自冷式、自扇冷式、他扇冷式、管道通風(fēng)式及密封式等。防爆式電動機在封閉式基礎(chǔ)上制成隔爆形式，機殼有足夠的強度。 9.1.2 電動機類型的選擇 9.1 電動機的一般選擇第9章 電動機的選擇1.額定電壓的選擇電動機的電壓等級、相數(shù)、頻率都要與供電電源一致。因此，電動機的額定電壓應(yīng)根據(jù)其運行場所的供電電網(wǎng)的電壓等級來確定。 我國的交流供電電源，低

8、壓通常為380V，高壓通常為3kV，6kV或10kV。中等功率（約200kW）以下的交流電動機，額定電壓一般為380V；大功率的交流電動機，額定電壓一般為3kV或6kV；額定功率為1000kW以上的電動機，額定電壓可以是10kV。需要說明的是，籠式異步電動機在采用Y-D降壓啟動時，應(yīng)該選用額定電壓為380V、D接法的電動機。直流電動機的額定電壓一般為110V、220V、440V，最常用的電壓等級為220V。9.1.3 電動機額定電壓和額定轉(zhuǎn)速的選擇 9.1 電動機的一般選擇第9章 電動機的選擇1）對不需要調(diào)速的高、中速生產(chǎn)機械（如泵、鼓風(fēng)機、壓縮機），可選擇相應(yīng)額定轉(zhuǎn)速的電動機，從而省去減速傳

9、動機構(gòu)。2）對不需要調(diào)速的低速生產(chǎn)機械（如球磨機、粉碎機、某些化工機械等），可選用相應(yīng)的低速電動機或者傳動比較小的減速機構(gòu)。3）對經(jīng)常啟動、制動和反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械，選擇額定轉(zhuǎn)速時則應(yīng)主要考慮縮短啟、制動時間以提高生產(chǎn)率。啟、制動時間的長、短主要取決于電動機的飛輪矩和額定轉(zhuǎn)速，應(yīng)選擇較小的飛輪矩和額定轉(zhuǎn)速。4）對調(diào)速性能要求不高的生產(chǎn)機械，可選用多速電動機或者選擇額定轉(zhuǎn)速稍高于生產(chǎn)機械的電動機配以減速機構(gòu)，也可以采用電氣調(diào)速的電動機拖動系統(tǒng)。在可能的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用電氣調(diào)速方案。5）對調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)機械，應(yīng)使電動機的最高轉(zhuǎn)速與生產(chǎn)機械的最高轉(zhuǎn)速相適應(yīng)，直接采用電氣調(diào)速。 9.2 電動機的

10、發(fā)熱與溫升第9章 電動機的選擇電動機負載運行時電機內(nèi)有功率損耗最終都將變成熱能這就會使電動機溫度升高，超過了周圍環(huán)境溫度。電動機溫度比環(huán)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(dāng)電動機單位時間發(fā)出的熱量等于散出的熱量時，電動機溫度不再增加，而保持著一個穩(wěn)定不變的溫升，即處于發(fā)熱與散熱平衡的狀態(tài)。分析熱過渡過程有以下假設(shè)；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(huán)境溫度不變。9.2 電動機的發(fā)熱與溫升第9章 電動機的選擇電動機單位時間產(chǎn)生的熱量為Q，dt時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量則為Qdt。電動機單位時間散出的熱量為 ，其中A

11、為散熱系數(shù)。 為溫升。dt時間內(nèi)散出的熱量為 。電動機的熱容量為C，dt時間內(nèi)的溫升為 ，則dt時間內(nèi)電動機本身吸收的熱量為 。9.2 電動機的發(fā)熱與溫升第9章 電動機的選擇 dt時間內(nèi)，電動機的發(fā)熱等于本身吸熱與向外散熱之和，熱平衡方程式為： 當(dāng)初始條件為 時, 特解則為 式中 穩(wěn)態(tài)溫升； 初始溫升； t 溫升變化時間； T 為發(fā)熱時間常數(shù)，表征熱慣性的大小。熱容量越大，熱慣性越大，時間常數(shù)也越大；散熱越快，達到熱平衡狀態(tài)就越快，時間常數(shù)T則越小。 9.2 電動機的發(fā)熱與溫升第9章 電動機的選擇一臺負載運行的電動機，在溫升穩(wěn)定之后，如果減少它的負載，那么電機的損耗及單位時間發(fā)熱量Q都將隨之減

12、少。本來的熱平衡狀態(tài)破壞了，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(dāng)重新達到 即發(fā)熱等于散熱時，電動機不再繼續(xù)降溫，而穩(wěn)定在這個新的溫升上。這個溫升下降的過程稱為冷卻。冷卻過程的微分方程式及它的解都與發(fā)熱過程的一樣。 圖9-1 電動機發(fā)熱過程的溫升曲線 圖9-2 電動機冷卻過程的溫升曲線 9.3 電動機的額定功率第9章 電動機的選擇電動機負載運行時輸出功率越大、損耗P越大，溫升越高。電動機內(nèi)耐溫最薄弱的東西是絕緣材料。絕緣材料耐溫有個限度，在這個限度之內(nèi)，絕緣材料的物理、化學(xué)、機械、電氣等各方面性能比較穩(wěn)定，其工作壽命一般約為20年。超過了這個限度，

13、絕緣材料的壽命就急劇縮短，甚至?xí)龤?。這個溫度限度，稱為絕緣材料的允許溫度，也是電動機的允許溫度；絕緣材料的壽命，一般也就是電動機的壽命。 我國的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度規(guī)定為40 。因此絕緣材料或電動機的允許溫度減去40為允許溫升，用 表示。 按照允許溫度的高低，電機常用的絕緣材料分為A、E、B、F、H五種。按環(huán)境溫度為40計算。這五種絕緣材料及其允許溫度和允許溫升如下表所示。 9.3.1 電動機的允許溫升9.3 電動機的額定功率第9章 電動機的選擇不同等級絕緣材料的溫升 等級絕緣材料允許最高溫度（0C）A用普通絕緣漆浸漬處理的棉紗、絲、紙及普通漆包線的絕緣漆105E環(huán)氧樹脂、聚酯薄膜、青殼紙、三醋酸纖

14、維薄膜、高強度漆包線的絕緣漆120B云母、玻璃纖維、石棉（用有機膠粘和或浸漬）130F云母、玻璃纖維、石棉（用合成膠粘和或浸漬）155H云母、玻璃纖維、石棉（用硅有機樹脂粘和或浸漬）1809.3 電動機的額定功率第9章 電動機的選擇我國把電動機分成三種工作方式或工作制，具體分法如下： 1）連續(xù)工作方式 連續(xù)工作方式是指電動機工作時間運行時間很長，溫升可以達到穩(wěn)態(tài)值 也稱為長期工作制。電動機銘牌上對工作方式?jīng)]有特別標(biāo)注的電動機部屬于連續(xù)工作方式的。2）短時工作方式 短時工作方式是指電動機的工作時間 ，而停歇時間 ，這樣工作時溫升達不到 ，而停歇后溫升降為零。我國短時工作方式的標(biāo)準(zhǔn)工作時間有15、

15、30、60、90min四種。 9.3.2 電動機的工作方式9.3 電動機的額定功率第9章 電動機的選擇3）周期性斷續(xù)工作方式 周期性斷續(xù)工作方式時指電動機工作與停歇交替送行，時間都比較短，即 ， 工作時溫升達不到穩(wěn)態(tài)值，停歇時溫升降不到零。按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定每個工作與停歇的周期每個周期內(nèi)工作時間占的百分數(shù)叫作負載持續(xù)率(又稱暫載率)用FS表示，為 我國規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)負載持續(xù)率有15、25、40、60四種。周期性斷續(xù)工作方式的電動機頻繁起、制動，其過載能力強、GD2值小、機械強度好。 9.3.2 電動機的工作方式9.3 電動機的額定功率第9章 電動機的選擇連續(xù)工作方式下，電動機輸出功率以后，電動機溫升達

16、到一個與負載大小相對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值，如圖9-3所示。圖中縱坐標(biāo)有兩個量，一個是輸出的功率、一個是溫升，橫坐標(biāo)是時間。9.3.3 連續(xù)工作方式下電動機的額定功率 圖9-3 連續(xù)工作方式電動機的負載與溫升 9.3 電動機的額定功率第9章 電動機的選擇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的穩(wěn)態(tài)溫升等于電動機的允許溫升。我們就取使穩(wěn)態(tài)溫升等于(或接近于)允許溫升時的輸出功率P作為電動機的額定功率。 額定負載時，電動機溫升的穩(wěn)態(tài)值為額定負載運行時， 應(yīng)為電動機的允許溫升 9.3 電動機的額定功率第9章 電動機的選擇短時工作方式下，電動機每次負載運行時，其溫升都達不到穩(wěn)態(tài)值

17、，而停下來后溫升卻都下降到零。負載運行時。電動機的溫升與輸出功率之間的關(guān)系如圖9-4所示。 短時工作方式的電動機，由于 ，其額定功率的大小當(dāng)然要依據(jù)實際達到的最高溫升來確定，即在規(guī)定的工作時間內(nèi)，電動機負載運行達到的實際高溫升恰好等于(或接近于)允許溫升時，電動機的輸出功率測定為額定功率PN。 9.3.4 短時工作方式下電動機的額定功率 圖9-4 短時工作方式電動機的負載與溫升 圖9-5 不同短時工作時間的負載與溫升 9.3 電動機的額定功率第9章 電動機的選擇周期性斷續(xù)工作方式的電動機，負載時溫度升高但還達不到穩(wěn)態(tài)溫升；停歇時、溫度下降但也降不到環(huán)境的溫度。經(jīng)過足夠的周期以后當(dāng)每周期時間內(nèi)的

18、發(fā)熱量等于散熱量時，溫升就將在一個穩(wěn)定的小范圍內(nèi)波動。如圖9-6所示。 9.3.5 周期性斷續(xù)工作方式下電動機的額定功率 圖9-6 周期性斷續(xù)工作方式電動機的負載與溫升 9.4 電動機額定功率的選擇第9章 電動機的選擇額定功率選擇的原則是：所選額定功率要能滿足生產(chǎn)機械在拖動的各個環(huán)節(jié)（啟動、調(diào)速、制動等）對功率和轉(zhuǎn)矩的要求并在此基礎(chǔ)上使電動機得到充分利用。額定功率選擇的方法是：根據(jù)生產(chǎn)機械工作時負載（轉(zhuǎn)矩、功率、電流）大、小變化特點，預(yù)選電動機的額定功率，再根據(jù)所選電動機額定功率校驗過載能力和啟動能力。電動機額定功率大小是根據(jù)電動機工作發(fā)熱時其溫升不超過絕緣材料的允許溫升來確定的，其溫升變化規(guī)

19、律是與工作特點有關(guān)的，同一臺電動機在不同工作狀態(tài)時的額定功率大小也是不相同的。 9.4 電動機額定功率的選擇第9章 電動機的選擇1.靜負載功率的確定 對直線運動的生產(chǎn)機械，有式中 生產(chǎn)機械的靜負載力； 生產(chǎn)機械的線速度。對旋轉(zhuǎn)運動的生產(chǎn)機械，有式中 靜負載轉(zhuǎn)矩； 轉(zhuǎn)速。 9.4.1 負載功率的確定 9.4 電動機額定功率的選擇第9章 電動機的選擇2.周期變化負載的平均功率圖9-7是一個周期內(nèi)變動的生產(chǎn)機械負載圖，據(jù)此圖得出變化負載的平均功率為 圖9-7 周期變化負載圖 9.4 電動機額定功率的選擇第9章 電動機的選擇電動機吸收電源的功率既要轉(zhuǎn)換為機械功率供給負載，又要消耗在電動機內(nèi)部。電動機內(nèi)

20、部有不變損耗和可變損耗。不變損耗不隨負載電流的變化而變化，可變損耗與負載電流有關(guān)、與負載電流平方成正比。負載電流增大時，可變損耗要增大，電動機的額定功率也要相應(yīng)地選大些。實際預(yù)選電動機額定功率時，應(yīng)先將 擴大1.11.6倍，再行預(yù)選。使 系數(shù)1.11.6的取值由實際起、制動時間占整個工作周期的比重來決定各種工作制電動機的發(fā)熱校驗的方法基本相同，現(xiàn)以連續(xù)工作制電動機為例加以說明，有以下四種： 9.4 電動機額定功率的選擇第9章 電動機的選擇1）平均損耗法 根據(jù)預(yù)選電動機的效率曲線，計算出電動機帶各段負載時對應(yīng)的損耗功率 ，然后計算平均損耗功率 。只要電動機帶負載時的實際平均損耗功率 小于或等于其

21、額定損耗 ，則電動機運行時實際達到的穩(wěn)態(tài)溫升 不會超過其額定溫升 ，電動機的發(fā)熱條件得到充分利用。 9.4 電動機額定功率的選擇第9章 電動機的選擇2）等效電流法 假定不變損耗和電阻均為常數(shù)，則電動機帶各段負載時的損耗與其對應(yīng)的電動機電流平方成正比，則等效電流為 只要 ，則電動機的發(fā)熱校驗通過。9.4 電動機額定功率的選擇第9章 電動機的選擇3）等效轉(zhuǎn)矩法 假定不變損耗、電阻、主磁通及異步電動機的功率因數(shù)為常數(shù)時，則電動機帶各段負載時的電動機電流與其對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩 成正比，則等效轉(zhuǎn)矩為： 只要 ，則電動機的發(fā)熱校驗通過。9.4 電動機額定功率的選擇第9章 電動機的選擇4）等效功率法 假定不變損

22、耗、電阻、主磁通、異步電動機的功率因數(shù)、轉(zhuǎn)速為常數(shù)時，則電動機帶各段負載時的轉(zhuǎn)矩與其對應(yīng)的輸出功率 成正比，則等效功率為：只要 ，則電動機的發(fā)熱校驗通過。 9.4 電動機額定功率的選擇第9章 電動機的選擇電動機的額定功率PN，是指電動機在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度（40）、在規(guī)定的工作制和定額下，能夠連續(xù)輸出的最大機械功率，以保證其使用壽命。實際情況與規(guī)定的條件往往不盡相同。在保證電動機能達到規(guī)定的使用年限的前提下，如果實際環(huán)境溫度與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度不同、實際工作制與規(guī)定的工作方式不同、實際的短時定額與規(guī)定的短時定額不同、實際的斷續(xù)定額與規(guī)定的斷續(xù)定額不同，那么在選擇電動機的額定功率PN時，可先對電動機的額定功率 PN進行修正，使電動機的額定功率PN 小于或大于實際負載功率PL。9.4.3 電動機額定功率的修正 9.4 電動機額定功率的選擇第9章 電動機的選擇連續(xù)工作制的電動機按連續(xù)工作制工作時，實際環(huán)境溫度T不等于40時，電動機額定功率PN的修正值為：式中 額定溫升； k 損耗比，即不變損耗與可變損耗之比。9.4.3 電動機額定功率的修正 9.4 電動機額定功率的選擇