电机原理与拖动第九章电力拖动系统中电动机的选择

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1、第十一章,电力拖动系统中电动机的选择,本章阐明如何为生产机械正确地选择电动机，以及电动机的绝缘等级与工作制分类，再分析连续、短时及断续周期3种工作制电动机的选择问题，最后讨论电动机电流种类、型式、额定电压与额定转速的选择方法。 一、正确选择电动机的意义 合理地选择电动机类型、运行方式、额定转速、额定功率，使电动机在高效率、低损耗的状态下可靠地运行，以达到节能和提高综合经济效益的目的。,第一节 电动机选择的一般概念,二、决定电动机的额定功率的主要因素 正确地选择电动机的额定功率十分重要。如果额定功率选小了，电动机经常在过载状态下运行，会使它因过热而过早地损坏；还有可能承受不了冲击负载或造成起动困

2、难。额定功率选得过大也不合理，此时不仅增加了设备投资，而且由于电动机经常在欠载下运行，其效率及功率因数等力能指标变差，浪费了电能，增加了供电设备的容量，使综合经济效益下降。 确定电动机额定功率时主要考虑以下因素：一个是电动机的发热及温升；另一个是电动机的短时过载能力。对于笼型异步电动机还应考虑起动能力。,三、确定电动机额定功率的方法,确定电动机额定功率的最基本的方法是依据机械负载变化的规律，绘制电动机的负载图，然后根据电动机的负载图计算电动机的发热和温升曲线，从而确定电动机的额定功率。所谓负载图，是指功率或转矩与时间的关系图。,电动机的绝缘等级 电动机在运行中， 由于损耗产生热量， 使电动机的

3、温度升高，电动机所能容许达到的最高温度取决于电动机所用绝缘材料的耐热程度，称为绝缘等级。不同的绝缘材料，其最高容许温度是不同的。电机中常用的绝缘材料，按其耐热能力，分为A、E、B、F和H等五级。它们的最高容许工作温度如下表所示。,在研究电动机发热时，常把电动机温度与周围环境温度之差称为“温升”。显然，使用不同的绝缘材料的电动机，其最高允许温升是不同的。电动机铭牌上所标的温升是指所用绝缘材料的最高允许温度与40之差，或称为额定温升，例如，国产Z272型直流电动机用的是E级绝缘，其最高允许温度是120，所以其铭牌上标的温升是80。,第二节 电动机发热和冷却的规律,一、电动机的发热过程,根据能量守恒

4、原理，在任何时间内，电动机产生的热量应等于使电动机本身温度升高的热量与散发到周围环境中去的热量之和。,C为电动机的热容量（温度升高1K所需的热量J/K）； A为电动机的散热系数（即电动机比周围环境高1K时，单 位时间散出的热量J/Ks）；,热平衡方程式为,整理得,令 ， ，得基本形式的微分方程,其解为下列形式,式中， 为发热过程的起始温升。,电动机的最高稳定温升可达,式中， 电动机在额定功率下运行时的损耗功率及热流量。,对同样尺寸的电动机，欲使其额定功率提高，可由下列三方面入手:,1）提高额定效率,2）提高散热系数A,3）提高绝缘材料的允许温升,二、电动机的冷却过程,电动机的冷却可能有两种情况

5、。其一是负载减小，电动机损耗功率P 下降时；其二是电动机自电网断开，不再工作，电动机的P 变为零。,第三节 电动机的工作制分类 电动机工作时，负载持续时间的长短对电机的发热情况影响较大，对正确选择电动机的功率也有影响。电动机的工作制就是对电动机承受负载情况的说明。国家标准把电动机的工作制分为S1S9共9类。下面介绍常用的S1、S2、S3三种工作制。,一连续工作制（S1） 连续工作制是指电动机在恒定负载下持续运行，其工作时间足以使电机的温升达到稳定温升。纺织机、造纸机等很多连续工作的生产机械都选用连续工作制电动机。其典型负载图和温升曲线如图所示 。 对于连续工作制的电动机，我们取使其稳定温升ss

6、 恰好等于容许最高温升时的输出功率作为额定功率。,二短时工作制（S2） 短时工作制是指电动机拖动恒定负载在给定的时间内运行。该运行时间不足以使电动机达到稳定温升，随之即断电停转足够时间，使电动机冷却到与冷却介质的温差在2K以内。其典型负载图及温升曲线如图所示。短时工作制标准时限为10min、30min、60min、90min。,为了充分利用电动机，用于短时工作制的电动机在规定的运行时间内应达到容许温升，并按照这个原则规定电动机的额定功率，即按照电动机拖动恒定负载运行，取在规定的运行时间内实际达到的最高温升恰好等于容许最高温升时的输出功率，作为电动机的额定功率。,三断续周期工作制（S3） 电动机

7、按一系列相同的工作周期运行，周期时间一般不大于10min，每一周期包括一段恒定负载运行时间tR，一段断电停机时间tS，但tS 及tR 都较短， tR时间内电动机不能达到稳定温升，而在tS 时间内温升也未下跌到零，下一工作周期即已开始。 这样， 每经过一个周期tR+ tS，温升便有所上升，经过若干周期后，电动机的温升即在一个稳定的小范围内波动。 其典型负载图和温升曲线如图所示。,第四节 连续工作制电动机额定功率的选择 1. 恒定负载连续工作制电动机额定功率的选择 在选择连续恒定负载的电动机时，只要计算出负载所需功率PL ， 选择一台额定功率PN 略大于PL 的连续工作制电动机即可，不必进行发热校

8、核。 对起动比较困难（静阻转矩大或带有较大的飞轮力矩） 而采用笼型异步电动机或同步电动机的场合，应校验其起动能力。 2. 周期性变化负载连续工作制电动机额定功率的选择 当电动机拖动周期性变化负载时，其温升也必然作周期性的波动。下图为一个周期的周期性变化负载下连续工作制电动机的负载图及温升曲线。,电动机的额定功率按下面几种等效法选择： （1）等效电流法 其基本原理是用一个不变的等效电流Ieq来代替实际变动的负载电流IL，在同一周期内，等效电流Ieq与负载电流IL产生的热量相等。假定电动机的铁耗和电阻不变，则损耗只和电流的平方成正比，由此可得,式中，tn 为对应负载电流为In的工作时间。 求出等效

9、电流后，则所选的电动机，其额定电流应不小于等效电流。,（2）等效转矩法 如果电动机的转矩与电流成正比，可将式（10-5）变为等效转矩的公式,求出等效转矩后，则所选的电动机的额定转矩应不小于等效转矩。 （3）等效功率法 如果拖动系统的转速不变，可将等效转矩的公式变成等效功率的公式，即,选择的电动机的额定功率应不小于等效功率。,第五节 短时工作制电动机额定功率的选择 短时工作制的负载，应选用专用的短时工作制电动机。在没有专用电动机的情况下，也可以选用连续工作制电动机或断续周期工作制电动机。 1. 选用短时工作制电动机 短时工作制电动机的额定功率是与铭牌上给出的标准工作时间（10min、30min、

10、60min、90min）相应的， 如果短时工作制的负载功率恒定，并且工作时间与标准工作时间一致，这时只需选择具有相同标准工作时间的短时工作制电动机，并使电动机的额定功率稍大于负载功率即可。对于变化的负载，可用等效法算出工作时间内的等效功率来选择电动机，同时还应进行过载能力与起动能力的校验。,如果在一个周期内， 负载的变化包括起动、 运行、 制动和停歇等过程，如图所示，其实际温升还要高一些， 因此一般应把平均损耗、等效电流或功率等参数选得大一些。 为此，可在式（9-11）、（9-12）和（9-14） 分母中对应起动和制动的时间值上乘以一个系数， 在对应停歇的时间值上乘以一个系数。,例如，对应上图

11、的电机工作过程，其等效电流可作如下修正,式中， Ist、IR、Ibr分别为起动、运行和制动电流；tst、tR 、trb、tS分别为起动、运行、制动及停转时间。用等效法选择电动机时，必须校验过载能力。 2. 选用连续工作制电动机 短时工作的生产机械，也可选用连续工作制的电动机。这时，从发热的观点上看，电动机的输出功率可以提高。为了充分利用电动机，选择电动机额定功率的原则应是在短时工作时间 tR内达到的温升恰好等于电动机连续运行并输出额定功率时的稳定温升，即电动机绝缘材料允许的最高温升。,由此可得,式中，对于直流电机a =1.01.5 ，对于异步电机a = 0.50.7。在一个工作周期T 内，当工

12、作时间 tR (0.30.4)T 时，可取,式中 过载能力。 最后，还应校验电动机的起动能力。,3. 选用断续周期工作制电动机 在没有合适的短时工作制电动机时，可选用断续周期工作制电动机。负载持续率FS与短时负载的工作时间tR之间的对应关系为： tR = 30min，相当于FS = 15； tR = 60min，相当于FS25； tR = 90min，相当于FS = 40。,第六节 断续周期工作制电动机额定功率的选择 断续周期工作制的电动机，其额定功率是与铭牌上标出的负载持续率相应的。如果负载图中的实际负载持续率FSR与标准负载持续率FSN（15，25，40，60）相同，且负载恒定，则可直接按

13、产品样本选择合适的电动机。当FSR与FSN不同 时，就需要把FSR下的实际功率PR换算成FSN下功率P：,选择电动机的额定功率，应不小于P。 若FS70时，选连续工作制电机。,第七节 电动机额定数据的选择 电动机的选择，除确定电动机的额定功率外，还需根据生产机械的技术要求、技术经济指标和工作环境等条件，合理地选择电动机的类型、外部结构形式、额定电压和额定转速。 1. 电动机类型的选择 选择电动机类型的原则是在满足生产机械对过载能力、起动能力、调速性能指标及运行状态等各方面要求的前提下， 优先选用结构简单、运行可靠、维护方便、价格便宜的电动机。 1）对起动、制动及调速无特殊要求的一般生产机械，

14、如机床、水泵、风机等，应选用笼型异步电动机。 2）对需要分级调速的生产机械，如某些机床、电梯等，可选用多速异步电动机。 3）对起动、制动比较频繁，要求起动、制动转矩大，但对调速性能要求不高，调速范围不宽的生产机械， 可选用绕线转子异步电动机。,4）当生产机械的功率较大又不需要调速时，多采用同步电动机。 5）对要求调速范围宽、调速平滑、对拖动系统过渡过程有特殊要求的生产机械，可选用他励直流电动机 2. 电动机额定电压的选择 电动机的额定电压主要根据电动机运行场合配电电网的电压等级而定。我国 中、小型三相异步电动机的额定电压通常为220V、380V、660V、3000V和6000V。额定功率大于1

15、00kW的电动机，选用3000V和6000V；小型电动机，选用380V；煤矿用的生产机械常采用380660V的电动机。直流电动机的额定电压 一般为110V、220V和440V。,3. 电动机额定转速的选择 额定功率相同的电动机，额定转速高时，其体积小，价格低，由于生产机械的转速有一定的要求，电动机转速越高，传动机构的传动比就越大，导致传动机构复杂，增加了设备成本和维修费用。因此，应综合考虑电动机和生产机械两方面的各 种因素后再确定较为合理的电动机额定转速。 对连续运转的生产机械，可从设备初投资，占地面积和运行维护费用等方面考虑，确定几个不同的额定转速，进行比 较，最后选定合适的传动比和电动机的额定转速。 经常起动，制动和反转，但过渡过程时间对生产率影响不大的生产机械，主要根据过渡过程能量最小的条件来选择电动 机的额定转速。 电动机经常起动，制动和反转，且过渡过程持续时间对生产率影响较大，则主要根据过渡过程时间最短的条件来选择电 动机的额定转速。,小 结 电动机的选择包括电流种类、结构型式、额定电压、额定转速和额定功率的选择等，其中以额定功率的选择为主要内容。根据电动机负载和发热情况的不同电动机的工作方式分为连续工作方式、短时工作方式和断许续周期性工作方式三种。电动机铭牌上标明的工作方式应和电动机实际运行的工作方式相 一致。但有时也可不同，根据电动机的