第12章電力拖動系統(tǒng)電機的選擇12.1電力拖動系統(tǒng)電機選擇的一般問題12.2電機的發(fā)熱與冷卻12.3電機額定功率的選擇*12.4電機額定功率選擇的其它問題小結(jié)

12.1電力拖動系統(tǒng)電機選擇的一般問題

12.1.1電機種類的選擇

電力拖動系統(tǒng)中，拖動生產(chǎn)機械運行的驅(qū)動電機種類很多，按其用途分類如下：表12-1列出了各種電動機主要的性能特點，這是選擇電動機種類的基本要素，供讀者參考。當然，生產(chǎn)機械的工藝特點是選擇電動機的重要條件。表12-1電動機最主要的性能特點12.1.2電機額定電壓與額定轉(zhuǎn)速的選擇

1.額定電壓的選擇

電動機的額定電壓等級、相數(shù)、頻率都要與供電電源相一致。我國生產(chǎn)的電動機的額定電壓與額定功率的情況如表12-2所示。表12-2電動機的額定電壓與額定功率

2.額定轉(zhuǎn)速的選擇

對電動機本身而言，額定功率相同的電動機，其額定轉(zhuǎn)速越高，則體積越小，造價越低。但轉(zhuǎn)速越高時，拖動系統(tǒng)傳動機構(gòu)的傳速比越大，傳動機構(gòu)越復(fù)雜。

選擇電動機的轉(zhuǎn)速時既要考慮負載的要求，又要考慮電動機與傳動機構(gòu)的經(jīng)濟性。 12.2電機的發(fā)熱與冷卻

12.2.1電機的發(fā)熱與溫升

電機在運行過程中的能耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽@就會使電機的溫度升高而超出周圍環(huán)境的溫度。電機溫度超出環(huán)境溫度的值叫做溫升。電動機一旦有了溫升，就要向周圍散熱；溫升越高，散熱越快。當電動機單位時間發(fā)出的熱量等于散出的熱量時，電動機溫升不再增加，溫度保持不變，電機處于發(fā)熱與散熱的平衡狀態(tài)。由于電動機發(fā)熱和散熱過程較為復(fù)雜，因此為了分析方便，假定周圍環(huán)境溫度不變，電動機長時間連續(xù)工作，負載不變，各部分溫度均勻，電動機可視為一均質(zhì)等溫固體。也就是說，電動機是一個所有表面均勻散熱，并且內(nèi)部沒有溫差的理想發(fā)熱體。

設(shè)電動機在恒定負載下長期連續(xù)工作，單位時間內(nèi)由電動機損耗所產(chǎn)生的熱量為Q，則在dt時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量為Qdt。其中，一部分熱量Q1被電動機所吸收，使電動機溫度升高，

Q1=Cdτ

(12-1)式中：C為電動機的熱容量，即電動機溫度升高1℃所需的熱量，單位為J/℃；dτ為電動機在dt時間內(nèi)溫度升高的增量。

另一部分熱量Q2則向周圍介質(zhì)散發(fā)出去,

Q2=Adτ

(12-2)

式中：A為電動機的散熱系數(shù)，即電動機與周圍介質(zhì)溫度相差1℃時，單位時間內(nèi)電動機向周圍介質(zhì)散發(fā)出的熱量，單位為J/(℃·s)；τ為電動機與周圍介質(zhì)的溫度差，即溫升，單位為℃。

寫出電動機的熱平衡方程式，整理后為

Qdt=Q1+Q2=Cdτ+Aτdt

(12-3)

式(12-5)是一個非齊次常系數(shù)一階微分方程式。當初始條件為t=0，τ=τ0時，特解為(12-4)(12-5)(12-6)

式中，為發(fā)熱時間常數(shù)，表征熱慣性的大??；為穩(wěn)態(tài)溫升；τ0為起始溫升。

式(12-6)表明，熱過渡過程中，溫升包括兩個分量：一個是強制分量τw，它是過渡過程結(jié)束時的穩(wěn)態(tài)值；另一個是自由分量，它按指數(shù)規(guī)律衰減至零。時間

常數(shù)為Tθ，其數(shù)量對小電動機一般約為十幾分鐘到幾十分鐘，大容量電動機的Tθ則很大。熱容量越大，熱慣性越大，時間常數(shù)Tθ則越大；反之，散熱越快，達到熱平衡狀態(tài)就越快，時間常數(shù)Tθ則越小。式(12-6)表示的發(fā)熱過程如圖12-1所示。較長時間沒有運行的電動機重新負載運行時，τ0=0；停止運行一段時間后溫度還沒有完全降下來的電動機再運行時，或者運行時的電動機負載增加時，τ0≠0，為某一具體數(shù)值。圖12-1電動機的溫升曲線12.2.2電機的冷卻與散熱

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，那么電機損耗及單位時間發(fā)熱量都將隨之減少。這樣一來，本來的熱平衡狀態(tài)被破壞了，變成了發(fā)熱少于散熱，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。當重新達到發(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過程。

冷卻過程的微分方程及其解都與發(fā)熱過程的一樣(見式(12-6))。冷卻過程與發(fā)熱過程不同的是，發(fā)熱過程的初始條件為τw≥τ0，冷卻過程的初始條件為τw≤τ0。電動機的冷卻可能有兩種情況：其一是負載減小，電動機損耗所產(chǎn)生的熱量Qdt下降；其二是電動機電源斷開，停止工作，電動機損耗所產(chǎn)生的熱量變?yōu)榱恪?/p>

由圖12-2可見，在電動機冷卻時，發(fā)熱減小或停止發(fā)熱，原來儲存在電動機中的熱量逐漸散出，使電動機溫升下降。冷卻開始時，電動機的溫升大，散熱量大，溫升下降快；隨著溫升的不斷下降，散熱量愈來愈小，溫升下降變得緩慢，最后趨于τw或τw=0。

從上面對電動機發(fā)熱和冷卻過程的分析可以看出，電動機溫升曲線的確定，依賴于起始值、穩(wěn)態(tài)值和時間常數(shù)三個要素。熱過渡過程是一個典型的一階過渡過程。圖12-2電動機冷卻過程的溫升曲線電機由許多部件組成，每一部件的材料、重量、熱容量、散熱率以及產(chǎn)生熱量的大小各不相同，因此電機內(nèi)部各點的溫度也不相同，例如，發(fā)熱多而散熱困難的地方(槽的下層)溫度最高。因此，在應(yīng)用上述分析結(jié)果時，應(yīng)注意下列幾點：

(1)將整個電機看做一個均勻發(fā)熱體時，誤差太大。若將電機的某個部件看做一個均勻發(fā)熱體，則誤差將減小許多，基本上與實際情況接近。因此，對電機的各部件分別討論是合適的。

(2)電機的散熱率A不是常數(shù)。電機的散熱有對流、輻射、傳導(dǎo)三種形式，其中以對流為主，散熱率隨對流速度的增加而增大。在自裝風(fēng)扇的電機(即自通風(fēng)電機)中，對流速度與電機轉(zhuǎn)速成正比，因而在轉(zhuǎn)速變化的情況下，A不是常數(shù)。輻射方式的散熱能力與電機的絕對溫度的四次方成比例，當電機溫度不同時，散熱能力也不同，A就不為常數(shù)。

(3)一般來講，電機的發(fā)熱時間常數(shù)比冷卻時間常數(shù)小，這是由電機的散熱率不是常數(shù)而造成的。12.2.3電機的允許溫升與絕緣材料

電機的溫升與兩方面的情況有關(guān)：一是電機本身在能量轉(zhuǎn)換過程中能量損失的大小和散熱情況的好壞，二是周圍環(huán)境溫度的高低。我國地域遼闊，電機的環(huán)境溫度變化范圍很大，設(shè)計電動機時規(guī)定取40℃為我國的標準環(huán)境溫度。因此，絕緣材料或電動機的允許溫度減去40℃為允許溫升，用τmax表示，單位為℃。例如，當電機本身的允許溫度為105℃時，其允許溫升為65℃。電動機負載運行時，從盡量發(fā)揮電機的容量出發(fā)，輸出功率越大越好，但是，輸出功率越大，損耗越大，溫升越高。電動機內(nèi)耐高溫最薄弱的部分是絕緣材料。絕緣材料耐溫有一定限度，在這個限度之內(nèi)，其工作壽命一般約為20年。超過了這個限度，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。絕緣材料的允許溫度就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。不同絕緣材料的允許溫度是不同的。按照允許溫度的不同，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表12-3所示。表12-3絕緣材料及其允許溫度和允許溫升 12.3電機額定功率的選擇

12.3.1電機的工作方式

為了使用上的方便，我國把電動機分成三種工作方式或工作制。

1.連續(xù)工作方式

連續(xù)工作方式是指電動機工作時間tg>(3～4)Tθ，溫升可以達到穩(wěn)態(tài)值τw，也稱為長期工作制。銘牌上對工作方式?jīng)]有特別標注的電動機，屬于連續(xù)工作方式電動機。通風(fēng)機、水泵、機床的主軸、紡織機、造紙機等很多連續(xù)工作方式的生產(chǎn)機械都應(yīng)使用連續(xù)工作方式電動機。

2.短時工作方式

短時工作方式是指電動機的工作時間tg<(3～4)Tθ，而停歇時間tt>(3～4)Tθ，這樣工作時溫升達不到τw，而停歇后溫升降為零。我國短時工作方式的標準工作時間有15min、30min、60min、90min四種。

3.周期性斷續(xù)工作方式

周期性斷續(xù)工作方式是指電動機工作與停歇交替進行，時間都比較短，即tg<(3～4)Tθ，tt<(3～4)Tθ，工作時溫升達不到穩(wěn)態(tài)值，停歇時溫升降不到零。按國家標準規(guī)定，每個工作周期tz≤10min，即tz=tg+tt≤10min的周期性斷續(xù)工作方式又稱做重復(fù)短時工作制。

每個周期內(nèi)工作時間tg所占的百分數(shù)叫做負載持續(xù)率(又稱暫載率)，用ZC％表示：(12-7)我國規(guī)定的標準負載持續(xù)率有15％、25％、40％、60％四種。

周期性斷續(xù)工作方式的電動機啟動、制動頻繁，過載能力強，GD2值小，機械強度好。起重機械、電梯、自動機床等具有周期性斷續(xù)工作方式的生產(chǎn)機械應(yīng)使用周期性斷續(xù)工作方式電動機。但許多生產(chǎn)機械周期性斷續(xù)工作的周期性并不很嚴格，這時負載持續(xù)率只具有統(tǒng)計性質(zhì)。

12.3.2連續(xù)工作制電機的選擇

選擇電動機額定功率時一般分三步：計算負載功率，預(yù)選電動機，校核電動機的發(fā)熱、過載能力及啟動能力。連續(xù)工作方式下，電動機輸出功率以后，電動機溫升達到一個與負載大小相對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值，如圖12-3所示。圖中，縱坐標有兩個量，一個是輸出的功率，一個是溫升，橫坐標是時間。該圖表示，當電動機輸出功率是一個長時間內(nèi)大小恒定不變的量P時，則電動機溫升必然達到由P決定的穩(wěn)態(tài)值τw。若P的大小不同，則τw也隨之變化。圖12-3連續(xù)工作方式下電動機的負載與溫升在計算出負載功率PL后，應(yīng)選擇額定功率PN等于或略大于PL的電動機。這是因為，連續(xù)工作制電動機是按額定功率PN連續(xù)工作設(shè)計的，電動機設(shè)計及出廠試驗都保證了電動機在額定功率下工作時溫升不會超過允許值。當電動機帶的負載功率PL<PN時，發(fā)熱自然沒有問題，不需要進行發(fā)熱校驗。電動機啟動電流雖然較大，但由于啟動時間較短，對電動機發(fā)熱影響不大，可不予考慮。如果選用籠型異步電動機，則一般還需校驗其啟動能力。如果電動機周圍的實際環(huán)境溫度θ0與標準值40℃相差較大，則為了充分利用電動機，其輸出功率可與PN不同。電動機絕緣材料的最高溫度為θm，可由下式計算電動機在實際環(huán)境溫度θ0時的允許輸出功率P：

式中，k為定值損耗(空載損耗)p0與額定負載下變值損耗(銅耗)pCuN之比，即k=p0/pCuN，其值決定于電動機結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)速，一般在0.4～1.1的范圍內(nèi)變化。(12-8)在周圍環(huán)境溫度不同時，電動機的額定功率可粗略地按表12-4所示數(shù)據(jù)進行相應(yīng)增減。環(huán)境溫度低于30℃時，一般電動機功率也只增加8％。表12-4不同環(huán)境溫度下電動機功率的修正必須指出，工作環(huán)境的海拔高度對電動機溫升有影響。這是由于海拔高度越高，雖然氣溫降低越多，但空氣稀薄，散熱條件大為惡化。這兩方面的因素互相補償后規(guī)定：使用

地點的海拔高度不超過1000m時，額定功率不必進行校正；當海拔高度在1000m以上時，平原地區(qū)設(shè)計的電動機，出廠試驗時必須把允許溫升降低，才能供高原地帶應(yīng)用。

連續(xù)工作的負載可分為兩類：恒定負載與周期變化的負載。負載類型不同，電動機容量的選擇方法也不同。

1.連續(xù)恒定負載的電動機額定功率的選擇

這一類負載選擇電動機容量的方法是：首先計算出負載功率，然后根據(jù)生產(chǎn)機械所需功率從電機產(chǎn)品目錄中直接選出。如果沒有容量正好的電動機，則可以選擇容量略大一點的。選連續(xù)工作制的電動機時不用校核發(fā)熱。

幾種生產(chǎn)機械的負載功率的計算公式如下：

(1)工作機構(gòu)直線運動的生產(chǎn)機械的負載功率為(12-9)式中：PL為電動機軸上的靜負載功率，單位為kW；F為工作機構(gòu)靜阻力，單位為N；v為工作機構(gòu)線速度，單位為m/s；η為傳動效率。

(2)工作機構(gòu)作旋轉(zhuǎn)運動的機械的負載功率為

式中：T為工作機構(gòu)靜負載轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；n為工作機構(gòu)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。(12-10)

(3)泵類負載的負載功率為

式中：Q為泵的流量，單位為m3/s；γ為單位體積液體的重力，水為γ=9810N/m3；H為饋送高度，單位為m；η1為泵的效率，活塞泵為0.8～0.9，高壓離心泵為0.5～0.8，低壓

離心泵為0.3～0.6；η2為傳動效率，直接傳動為1。

(4)鼓風(fēng)機的負載功率為(12-11)(12-12)式中：Q為氣體流量，單位為m3/s；p為鼓風(fēng)機壓力，單位為Pa；η1為鼓風(fēng)機效率，大型鼓風(fēng)機為0.5～0.8，中心離心式鼓風(fēng)機為0.3～0.5，小型葉輪式鼓風(fēng)機為0.2～0.35；η2為傳動效率。

【例12-1】一臺與電動機直接連接的低壓離心水泵，流量為65m3/h，吸程高度為5m，揚程高度為15m，轉(zhuǎn)速為2900r/min，泵的效率為0.5，環(huán)境溫度為30℃，試選擇電動機。

解：已知Q=65m3/h=0.018m3/s，γ=9810N/m3，H=5+15=20m，η1=0.5，η2=1。

根據(jù)公式計算泵類負載的負載功率為

對水泵拖動電動機選封閉Y系列三相異步電動機，由于轉(zhuǎn)速為2900r/min，應(yīng)選二極電機，其同步轉(zhuǎn)速為3000r/min。查產(chǎn)品目錄，有Y132S1－2和Y132S2－2的額定功率分別為5.5kW和7.5kW，與7kW較為接近。考慮環(huán)境溫度為30℃，對電動機額定功率按+8%修正，即

PN1′=5.5×108%=5.94kW

PN2′=7.5×108%=8.1kW

應(yīng)選Y132S2－2電動機。

2.連續(xù)周期變化負載的電動機容量的選擇

對于連續(xù)周期變化負載，電動機容量的選擇首先是計算周期變化負載的平均功率Pav。圖12-4為一個周期變化負載的生產(chǎn)機械負載圖。圖12-4連續(xù)周期變化的生產(chǎn)機械負載圖求平均功率Pav的方法如下：

式中，P1，P2，…，Pi，…，Pn為各段負載的功率；t1，t2，…，tn為各段的時間；tz為一個周期的時間。

由于變值損耗與電流平方成正比，電機運行時電流越大，則損耗也越大，這一規(guī)律在式(12-13)中沒有反映出來，因此往往把式(12-13)擴大1.1～1.6倍，按下式預(yù)選電動機平均功率：(12-13)

對啟動、制動頻繁的負載要取系數(shù)中的偏大值。

電動機選好后，先進行發(fā)熱校核。發(fā)熱校核的方法有：平均損耗法、等效電流法、等效轉(zhuǎn)矩法及等效功率法。

1)平均損耗法

設(shè)各段的損耗為pi，平均損耗為pav，則(12-14)

如果平均損耗pav小于預(yù)選電動機的額定損耗pN，則發(fā)熱校核通過。而且只有當平均損耗小于預(yù)選電動機，但又大于比預(yù)選電動機小一擋的電動機的額定損耗時，預(yù)選電動機才合適。(12-15)

2)等效電流法

等效電流法的基本原理是用一個不變的電流來等效實際上變動的電流，使它們在一個周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量相等。假定電動機的鐵損耗與電阻不變，則損耗只與電流平方成正比，由此可得：

式中：In為第n段的電流，單位為A；tn為對應(yīng)電流In段的工作時間，單位為s。求出等效電流Idx，如果Idx≤In，則發(fā)熱校核通過。(12-16)

3)等效轉(zhuǎn)矩法

電動機在運行過程中，如果其轉(zhuǎn)矩與電流成正比(如他勵直流電動機的勵磁不變或異步電動機的功率因數(shù)和氣隙磁通不變)，則可由等效電流法引出等效轉(zhuǎn)矩法。等效轉(zhuǎn)矩為

式中：Tn為第n段的轉(zhuǎn)矩，單位為N·m。

若等效轉(zhuǎn)矩Tdx小于電動機的額定轉(zhuǎn)矩TN，即Tdx≤TN，則發(fā)熱校核通過。運用此法時，須先求出用轉(zhuǎn)矩表示的負載圖。(12-17)

4)等效功率法

當轉(zhuǎn)速n基本不變時，可由等效轉(zhuǎn)矩法導(dǎo)出等效功率法。等效功率為

式中：Pn為第n段的功率，單位為kW。

若等效功率Pdx小于電動機的額定功率PN，即Pdx≤PN，則發(fā)熱校核通過。(12-18)對于包括啟動、制動和停歇的連續(xù)周期工作的自扇冷卻電動機來說，在啟動、制動和停歇過程中散熱條件變壞，在發(fā)熱校驗時需把式(12-15)、式(12-16)、式(12-17)和式(12-18)中的t1+t2+t3+t0修正為αt1+t2+αt3+α0t0。t1、t2、t3、t0分別為啟動、穩(wěn)定運行、制動、停歇的時間。啟動制運時間系數(shù)α和停歇時間系數(shù)α0為小于1的系數(shù)，對直流電動機，α為0.75，α0為0.5；對異步電動機，α為0.5，α0為0.25。

3.過載能力的校驗

對預(yù)選電動機，在發(fā)熱校核之后，還必須進行過載能力校驗。過載能力校驗時，要求負載圖中的最大轉(zhuǎn)矩TmL小于預(yù)選電動機的最大電磁轉(zhuǎn)矩Tm。

電動機的最大轉(zhuǎn)矩Tm=KTTN，因此得

TmL<KTTN

(12-19)

對異步電動機需考慮電網(wǎng)電壓的波動，電壓降為0.9UN，則

TmL<0.81KTTN

(12-20)

否則，應(yīng)另選大一點的電動機，直到合適為止。

【例12-2】某生產(chǎn)機械采用四極繞線式異步電動機拖動。已知轉(zhuǎn)矩曲線共分五段，轉(zhuǎn)矩依次為200N·m，120N·m，100N·m，－100N·m，0N·m，各段時間分別為6s，40s，50s，10s，20s，其中第一段為啟動，第四段為制動，第五段為停歇，連續(xù)周期運轉(zhuǎn)。試選擇合適的電動機。

解：采用電氣啟動和制動的繞線式異步電動機，可以認為轉(zhuǎn)矩近似與電流成正比，可采用等效轉(zhuǎn)矩法。因啟動、制動和停歇時間散熱條件惡化，故將式(12-17)分母中的相應(yīng)時間乘以小于1的系數(shù)，異步電動機啟動、制動時間的系數(shù)α=0.5，停歇時間系數(shù)β=0.25，則根據(jù)電機產(chǎn)品目錄中繞線式異步電動機的數(shù)據(jù)(如表12-5所示)，可計算出額定轉(zhuǎn)矩。

由表12-5可知，應(yīng)選YR200L1－4型的18.5kW電動機。

校驗過載能力為

Tm=0.81KTTN=0.81×3×120.6=293.1N·m

Tm大于最大負載轉(zhuǎn)矩TmL=200N·m，所選電動機合適。表12-5繞線式異步電動機的基本數(shù)據(jù)表12.3.3短時工作制電機的選擇

短時工作的電動機可選用專門為短時工作制而設(shè)計的電動機，也可選用長期工作制的電動機。

1.選用短時工作制的電動機

按生產(chǎn)機械的工作時間、功率和轉(zhuǎn)速的要求，直接由產(chǎn)品目錄中選取合適的短時工作制的電動機即可。

如果短時負載是變化的，則可求出平均功率后進行選擇，并校驗過載能力。我國短時工作方式的標準工作時間tgN有15min、30min、60min、90min四種。如果電動機實際工作時間tgx與標準工作時間tgN不一致，則把實際工作時間tgx下的功率Pgx換算到標準工作時間tgN下的功率PgN。兩者相差不太大時，近似換算公式為

然后按PgN選取電動機的額定功率。(12-21)也可選用斷續(xù)周期工作制的電動機，它們的對應(yīng)關(guān)系為：標準工作時間tgN為30min、60min、90min的電動機分別相當于標準負載持續(xù)率ZC％為15%、25％、40％的電動機。

2.選用連續(xù)工作制的電動機

對于短時工作制負載，如果按生產(chǎn)機械所需功率來選擇長期工作制的電機容量，則顯然是不經(jīng)濟的，這是因為運行時間短，電動機來不及達到最大允許溫升，電動機沒有被充分利用。短時工作制負載選用長期工作制電動機時，可以讓它在工作時間過載運行，在運行結(jié)束時溫升接近而不超過允許溫升。這樣選擇的電動機功率比生產(chǎn)機械所需功率要小，電動機才能得到充分利用。需選長期工作制電動機的功率為

式中：PN為所選長期工作制電機的功率，單位為kW；Pg為短時負載功率，單位為kW；λg為功率過載倍數(shù)。

功率過載倍數(shù)λg與短時工作時間tg和發(fā)熱時間常數(shù)Tθ有關(guān)(推導(dǎo)從略)，(12-22)(12-23)式中，k為定值損耗與變值損耗之比。k值因電動機而異，一般來說，普通直流電動機k=1～1.5，冶金專用直流電動機k=0.5～0.9，冶金專用中、小型三相繞線式異步電動機k=0.45～0.6，冶金專用大型三相繞線式異步電動機k=0.9～1.0，普通鼠籠式三相異步電動機k=0.5～0.7。對于具體電動機，k和Tθ可以從技術(shù)數(shù)據(jù)中找出或估算。

若功率過載倍數(shù)λg大于所選電動機轉(zhuǎn)矩過載倍數(shù)KT，過載能力通不過，則應(yīng)按下式選擇電動機容量，即(12-24)若實際工作時間極短，tg<(3～4)Tθ，則只需根據(jù)過載能力及啟動能力選擇電動機連續(xù)工作方式的額定功率。這時，發(fā)熱溫升已經(jīng)不是主要問題，也不需再進行溫升校核。

對鼠籠式電動機，必須進行啟動能力的校驗。

12.3.4斷續(xù)周期工作制電機的選擇

在斷續(xù)周期工作方式下，每個周期往往都有啟動、制動和停車階段，要求電動機具有啟動和過載能力強、機械強度大、慣性小等特點。因此，一般應(yīng)選擇能滿足這些要求的斷續(xù)周期工作制電動機。對于恒定的負載，可根據(jù)生產(chǎn)機械的負載持續(xù)率、功率和轉(zhuǎn)速從產(chǎn)品目錄中直接選取合適的電動機。若是變化負載，則可按等效功率進行選擇并校驗。

若生產(chǎn)機械的負載持續(xù)率ZCx％與標準負載持續(xù)率ZC％不同，則需要把負載功率PLx換算成接近于標準負載持續(xù)率時的功率PL。換算公式如下：(12-25)再根據(jù)功率PL來選擇電動機的額定功率。

若ZCx％<10%，則應(yīng)按短時工作制選擇電動機；若ZCx％>70%，則應(yīng)按連續(xù)工作制選擇電動機。

12.3.5電力拖動調(diào)速電機的選擇

電機拖動系統(tǒng)需要調(diào)速時，其電動機的選擇需要注意負載形式和調(diào)速方法的結(jié)合問題。前面我們分析了恒轉(zhuǎn)矩和恒功率兩種負載形式，對于直流調(diào)速來說，恒轉(zhuǎn)矩負載適合采用降壓調(diào)速，此時電機的額定轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相等，即TN=TZ，轉(zhuǎn)速nN=nmax(nmax為生產(chǎn)機械要求的最大轉(zhuǎn)速)，則電機功率為

如果電機在任何轉(zhuǎn)速時都滿載運行，電動機便得到了充分利用。當考慮低速時電機散熱變壞，可以適當選擇功率大一些的電動機，即(12-27)(12-26)如果將降壓調(diào)速用于恒功率負載，為了使電機能夠安全運行，必須加大電機的功率，其值應(yīng)為負載功率的D倍，即

PN=DPZ

(12-28)

式中：PZ為負載功率；D為調(diào)速范圍。

在將弱磁調(diào)速用于恒功率負載時，電動機功率應(yīng)選等于或略大于負載功率，即

PN≥PZ

(12-29)變頻調(diào)速的異步電機的調(diào)速范圍一般分為兩個區(qū)域：n<nN時為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，n>nN時為恒功率調(diào)速。其允許輸出功率和轉(zhuǎn)矩的變化曲線與直流電機降壓調(diào)速和弱磁調(diào)速相似，其功率選擇問題也與直流電機相似。

目前，國內(nèi)外一些電機廠已設(shè)計生產(chǎn)了各類變頻電機，供配套選用。*12.4電機額定功率選擇的其它問題

12.4.1統(tǒng)計法

統(tǒng)計法就是對各種生產(chǎn)機械的拖動電動機進行統(tǒng)計分析，找出電動機容量與生產(chǎn)機械主要參數(shù)之間的關(guān)系，用數(shù)學(xué)式表示，作為類似生產(chǎn)機械在選擇拖動電動機容量時的主要依據(jù)。例如，機械制造業(yè)應(yīng)用統(tǒng)計分析法得出下列幾種機床電動機功率的計算公式：

(1)臥式車床的電動機功率為

PL=36.5D1.54kW

(12-30)

式中，D為加工工件的最大直徑，單位為m。

(2)立式車床的電動機功率為

PL=20D0.88kW

(12-31)

式中，D為加工工件的最大直徑，單位為m。

(3)搖臂鉆床的電動機功率為

PL=0.0646D1.19kW

(12-32)

式中，D為最大鉆孔直徑，單位為mm。

(4)外圓磨床的電動機功率為

PL=0.1KBkW

(12-33)

式中，B為砂輪寬度，單位為mm；K為考慮砂輪主軸采用不同軸承時的系數(shù)，滾動軸承K=0.8～1.1，滑動軸承K=1.0～1.3。

(5)臥式鏜床的電動機功率為

PL=0.004D1.7kW

(12-34)

式中，D為鏜桿直徑，單位為mm。

(6)龍門刨床的電動機功率為

式中，B為工作臺寬度，單位為mm。(12-35)根據(jù)計算所得功率，應(yīng)使所選擇的電動機的額定功率PN≥PL。

另外，還可以用類比的方法確定電動機的功率，類比法就是通過對長期運行考驗的同類生產(chǎn)機械所采用的電動機容量進行調(diào)查，然后對主要參數(shù)和工作條件進行類比，從而確定新的生產(chǎn)機械拖動電動機的容量。

12.4.2帶沖擊負載對電機額定功率選擇的影響

具有沖擊負載的生產(chǎn)機械的負載圖，其特點是負載在工作時間中作劇增及劇減的變化，并作周期性的交替，如圖12-5所示。屬于這種類型的生產(chǎn)機械有沖床、壓力機、軋鋼機和鍛錘等。圖12-5某軋鋼機的負載圖具有沖擊負載的生產(chǎn)機械廣泛采用帶飛輪的電力拖動系統(tǒng)，當電動機軸上裝有飛輪時，在沖擊負載作用下，拖動系統(tǒng)減速，負載的一部分由飛輪釋放出的儲存動能來克服，而電動機只承擔(dān)余下的部分。當沖擊負載過去后，負載突減，電動機帶飛輪加速，飛輪補充動能，準備下一個沖擊負載到來時放出，以幫助電動機克服沖擊負載。這樣，飛輪起到了平衡負載的作用，使電動機的損耗降低，從而降低電動機的功率。

帶附加飛輪拖動系統(tǒng)中電動機功率選擇的步驟如下：

(1)預(yù)選電動機。預(yù)選電動機的額定負載取為

TN=(1.1～1.3)Td

(12-36)

式中，Td為一個工作循環(huán)的平均轉(zhuǎn)矩，

(2)預(yù)選附加飛輪的飛輪矩。

根據(jù)估計的最嚴重的沖擊負載，按式(12-38)計算GD2，減去電動機轉(zhuǎn)子、傳動裝置及工作機構(gòu)的飛輪矩后，可得附加飛輪的飛輪矩，(12-37)

式中：n0為直流電動機的空載轉(zhuǎn)速或交流電動機的同步轉(zhuǎn)速；sN為直流電動機的額定靜差率或交流電動機的額定轉(zhuǎn)差率；TN為電動機的額定電磁轉(zhuǎn)矩；tgM為最嚴重的沖擊負載段的持續(xù)時間；TLM為最嚴重的沖擊負載段的負載轉(zhuǎn)矩；KT為電動機的過載倍數(shù)。(12-38)

T0′≈(0.2～0.3)TN，當空載時間較長時，可取T0′=T0，T0為沖擊負載段的起始轉(zhuǎn)矩。

由式(12-38)可見：

①當電動機功率選得較大時，附加飛輪的飛輪矩可選得較小。因此KTTN增大，TLM－KTTN

減小，使GD2減小(但此時電動機轉(zhuǎn)子或電樞本身的飛輪矩則增大了)。

②最嚴重的沖擊負載持續(xù)時間tgM不宜過長，一般不可逆軋機帶飛輪拖動時，tgM≤4s，因GD2與tgM成正比，若tgM越大，則附加飛輪的尺寸將越大。③GD2與sN成反比。增大sN可減小附加飛輪的尺寸，一般sN≤15%～20%。sN也不能過大，否則在沖擊負載下轉(zhuǎn)速下降太多，勢必影響生產(chǎn)率。

④沖擊負載的峰值越高(TLM－T0′的差值越大)，反而可降低GD2，即負載越不平衡，越能發(fā)揮附加飛輪的平衡作用。

因此，在帶附加飛輪的拖動系統(tǒng)中，選擇電動機功率時必須綜合考慮TN、sN、GD2的數(shù)值，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較后，確定最合理的數(shù)值。

(3)繪制電動機的負載圖。負載圖由圖12-5所示的指數(shù)曲線組成，為便于計算，可將指數(shù)曲線線性化，成為一些由梯形組成的負載圖。

(4)校驗電動機的發(fā)熱。求出各個梯形的等效值，使梯形化成若干個矩形，而后用等效轉(zhuǎn)矩法校驗發(fā)熱。

(5)校驗過載能力。根據(jù)負載圖中的最大負載TLM(圖12-5中為TLM)，校驗過載能力，若滿足

KTTN≥TLM

(12-39)

則過