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1、第十一章电力拖动系统中电动机的选择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，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、以及电动机的绝缘等级与工作制分类，再分析连续、短时及断续周期短时及断续周期3种工作制电动机的选择问题，最后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。的选择方法。一、正确选择电动机的意义一、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
2、损耗的状态下可靠定功率，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。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难。额定功率选得过大也不合理，此时或造成起动困难。额定功率选得过大也不合理
3、，此时不仅增加了设备投资，而且由于电动机经常在欠载下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。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是电动机的发热及温升；另一个是电动机的短时过载能力。能力。对于笼型异步电动机还应考虑起动能力。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三、确定电动机额定功率的方法
4、 确定电动机额定功率的最基本的方法是依据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。曲线，从而确定电动机的额定功率。所谓负载图，所谓负载图，是指功率或转矩与时间的关系图。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的绝缘等级 电动机在运行中，电动机在运行中， 由于损耗产生热量，由于损耗产生热量， 使电使电动机的温度升高，电动机所能容许达到的最高温度动机的温度升高，电动机所能容许达到的最高温度取
5、决于电动机所用绝缘材料的耐热程度，称为绝缘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。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，分为电机中常用的绝缘材料，按其耐热能力，分为A、E、B、F和和H等五级。它们的最高容许工作温度如下表等五级。它们的最高容许工作温度如下表所示。所示。 在研究电动机发热时，常把电动机温度与周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围环境温度之差称为“温升温升”。显然，使用不同。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。的绝缘材料的电动机，其最高允许温升是
6、不同的。电动机铭牌上所标的温升是指所用绝缘材料的最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高允许温度与40之差，或称为额定温升，例如，之差，或称为额定温升，例如，国产国产Z272型直流电动机用的是型直流电动机用的是E级绝缘，其最级绝缘，其最高允许温度是高允许温度是120，所以其铭牌上标的温升是，所以其铭牌上标的温升是80。 第二节第二节 电动机发热和冷却的规律电动机发热和冷却的规律一、电动机的发热过程一、电动机的发热过程电动机的发热是由于工作时，电动机的发热是由于工作时，在其内部产生损耗在其内部产生损耗 造成的造成的 ，其值为，其值为 式中，式中， 为热流量（电动机单位时间内发出
7、的热量）为热流量（电动机单位时间内发出的热量） 热平衡方程式为热平衡方程式为 整理得整理得令令 ， ，得基本形，得基本形式的微分方程式的微分方程其解为下列形式其解为下列形式式中，式中， 为发热过程的起始温升。为发热过程的起始温升。 电动机的最高稳定温升可达电动机的最高稳定温升可达 式中，式中， 电动机在额电动机在额定功率下运行时的损耗功率及热流定功率下运行时的损耗功率及热流量。量。电动机发热过电动机发热过程的温升曲线程的温升曲线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 1）提高额定效率）提高额定效率 2 2）提高散
8、热系数）提高散热系数A 3 3）提高绝缘材料的允许温升）提高绝缘材料的允许温升 二、电动机的冷却过程二、电动机的冷却过程 电动机的冷却可能有两种情况。电动机的冷却可能有两种情况。其一是负载减小，电动机损耗其一是负载减小，电动机损耗功率功率P 下降时；其二是电动下降时；其二是电动机自电网断开，不再工作，电机自电网断开，不再工作，电动机的动机的P 变为零。变为零。电动机冷却电动机冷却过程的曲线过程的曲线电动机在运行中只要电动机发出的热流量电动机在运行中只要电动机发出的热流量 或或 ，电动机温度就不会超过允许值。电动机温度就不会超过允许值。 第三节第三节 电动机的工作制分类电动机的工作制分类 电动机
9、工作时，负载持续时间的长短对电机的发热情况影响电动机工作时，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共共9类。下面介绍常用的类。下面介绍常用的S1、S2、S3三种工作制。三种工作制。 一连续工作制（一连续工作制（S1） 连续工作制是指电动机在恒定负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、
10、造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。其典型负载图用连续工作制电动机。其典型负载图和温升曲线如图所示和温升曲线如图所示 。 对于连续工作制的电动机，我们对于连续工作制的电动机，我们取使其稳定温升取使其稳定温升ss 恰好等于容许最恰好等于容许最高温升时的输出功率作为额定功率。高温升时的输出功率作为额定功率。 二短时工作制（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。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，随之即断电停转足该运行时间不足以使
11、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
12、到的最高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。出功率，作为电动机的额定功率。 三断续周期工作制（三断续周期工作制（S3） 电动机按一系列相同的工作周期运行，周期时间一般不电动机按一系列相同的工作周期运行，周期时间一般不大于大于10min，每一周期包括，每一周期包括一段恒定负载运行时间一段恒定负载运行时间tR，一段断一段断电停机时间电停机时间tS，但，但tS 及及tR 都较短，都较短， tR时间内电动机不能达到稳时间内电动机不能达到稳定温升，而在定温升，而在tS 时间内温升也未下跌到零，下一工作周期即已时间内温升也
13、未下跌到零，下一工作周期即已开始。开始。 这样，这样， 每经过一个周期每经过一个周期tR+ tS，温升便有所上升，经过，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。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。其典型负载图和温升曲线如图所示。 第四节第四节 连续工作制电动机额定功率的选择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功率PL ， 选择一台额定功
14、率选择一台额定功率PN 略大于略大于PL 的连续工作制电动的连续工作制电动机即可，不必进行发热校核。机即可，不必进行发热校核。 对起动比较困难（静阻转矩大对起动比较困难（静阻转矩大或带有较大的飞轮力矩）或带有较大的飞轮力矩） 而采用笼型异步电动机或同步电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。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性的波动。下
15、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：电动机的额定功率按下面几种等效法选择： （1）等效电流法）等效电流法 其基本原理是用一个不变的等效电其基本原理是用一个不变的等效电流流Ieq来代替实际变动的负载电流来代替实际变动的负载电流IL，在同一周期内，等效电，在同一周期内，等效电流流Ieq与负载电流与负载电流IL产生的热量相等。假定电动机的铁耗和电产生的热量相等。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，由此可得阻不变，则损耗只和电流的平方成正比，由此可得 式中，式中，tn 为对应负载电流为为
16、对应负载电流为In的工作时间。的工作时间。 求出等效电流后，求出等效电流后，则所选的电动机，其额定电流应不小于等效电流。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）等效转矩法 如果电动机的转矩与电流成正比，可如果电动机的转矩与电流成正比，可将式（将式（10-5）变为等效转矩的公式）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。等效转矩。 （3）等效功率法）等效功率法 如果拖动系统的转速不变，可将等效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，即转矩的公式变成等效功率的公式，即
17、选择的电动机的额定功率应不小于等效功率。选择的电动机的额定功率应不小于等效功率。第五节第五节 短时工作制电动机额定功率的选择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。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。或断续周期工作制电动机。 1. 选用短时工作制电动机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（作时间（10min、30min、60min
18、、90min）相应的，）相应的， 如果短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。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，如果在一个周期内， 负载的变化包括
19、起动、负载的变化包括起动、 运行、运行、 制制动和停歇等过程，如图所示，其实际温升还要高一些，动和停歇等过程，如图所示，其实际温升还要高一些， 因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。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（为此，可在式（9-11）、（）、（9-12）和（）和（9-14） 分母中对应起分母中对应起动和制动的时间值上乘以一个系数动和制动的时间值上乘以一个系数， 在对应停歇的时间值在对应停歇的时间值上乘以一个系数上乘以一个系数。例如，对应上图的电机工作过程，其等效电流可作如下修正例如，对应上图的电机工作过程，其等效电流可作如下修正 式中，
20、式中， Ist、IR、Ibr分别为起动、运行和制动电流；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。时，必须校验过载能力。 2. 选用连续工作制电动机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。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了充分利用电动机，选择电动机额定功率的
21、原则应是在短时工作时间工作时间 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。定功率时的稳定温升，即电动机绝缘材料允许的最高温升。 由此可得由此可得 式中，对于直流电机式中，对于直流电机a =1.01.5 ，对于异步电机，对于异步电机a = 0.50.7。在一个工作周期在一个工作周期T 内，当工作时间内，当工作时间 tR (0.30.4)T 时，可取时，可取 式中式中 过载能力。过载能力。 最后，还应校验电动机的起动能力。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选用断续周期工作
22、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。负载持续率制电动机。负载持续率FS与短时负载的工作时间与短时负载的工作时间tR之间的对应之间的对应关系为：关系为： tR = 30min，相当于，相当于FS = 15； tR = 60min，相当于，相当于FS25； tR = 90min，相当于，相当于FS = 40。 第六节第六节 断续周期工作制电动机额定功率的选择断续周期工作制电动机额定功率的选择 断断续续周周期期工工作作制制的的电电动动机机，其其额额定定功功率率是是与与铭铭牌牌上上标标出出的的负负载载持持续续率率相相应
23、应的的。如如果果负负载载图图中中的的实实际际负负载载持持续续率率FSR与与标标准准负负载载持持续续率率FSN（15，25，40，60）相相同同，且且负负载载恒恒定定，则则可可直直接接按按产产品品样样本本选选择择合合适适的的电电动动机机。当当FSR与与FSN不不同同时，就需要把时，就需要把FSR下的实际功率下的实际功率PR换算成换算成FSN下功率下功率P： 选择电动机的额定功率，应不小于选择电动机的额定功率，应不小于P。 若若FS70时，选连续工作时，选连续工作制电机。制电机。第七节第七节 电动机额定数据的选择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，还需根据生电动机的选择，
24、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。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，动能力、调速性能指标及运行状态等各方面要求的前提下， 优优先选用结构简单、运行可靠、维护方便、价格便宜的电动机。先选用结构简单、运行可靠、维护方便、价格便宜的
25、电动机。 1）对起动、制动及调速无特殊要求的一般生产机械，）对起动、制动及调速无特殊要求的一般生产机械， 如如机床、水泵、风机等，应选用笼型异步电动机。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，）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。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，对调速性能要求不高，调速范围不宽的生产机械， 可选用绕可选用绕线转子异步电动机。线转子异步电动机。 4）当生产机械的功
26、率较大又不需要调速时，多采用同步电）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。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）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额定电压的选择 电电动动机机的的额额定定电电压压主主要要根根据据电电动动机机运运行行场场合合配配电电电电网网的的电电压压等等级级而而定定。我我国国 中中、小小型型三三相相异异步步电电动动机机的的额额定定电电压压通通常常为为220V、380V、660V、3000V和和6000V。额额定定
27、功功率率大大于于100kW的的电电动动机机，选选用用3000V和和6000V；小小型型电电动动机机，选选用用380V；煤煤矿矿用用的的生生产产机机械械常常采采用用380660V的的电电动动机机。直直流流电电动动机机的的额额定定电电压压一般为一般为110V、220V和和440V。 3. 电动机额定转速的选择电动机额定转速的选择 额额定定功功率率相相同同的的电电动动机机，额额定定转转速速高高时时，其其体体积积小小，价价格格低低，由由于于生生产产机机械械的的转转速速有有一一定定的的要要求求，电电动动机机转转速速越越高高，传传动动机机构构的的传传动动比比就就越越大大，导导致致传传动动机机构构复复杂杂，
28、增增加加了了设设备备成成本本和和维维修修费费用用。因因此此，应应综综合合考考虑虑电电动动机机和和生生产产机机械械两两方方面面的的各各种因素后再确定较为合理的电动机额定转速。种因素后再确定较为合理的电动机额定转速。 对对连连续续运运转转的的生生产产机机械械，可可从从设设备备初初投投资资，占占地地面面积积和和运运行行维维护护费费用用等等方方面面考考虑虑，确确定定几几个个不不同同的的额额定定转转速速，进进行行比比较，最后选定合适的传动比和电动机的额定转速。较，最后选定合适的传动比和电动机的额定转速。 经经常常起起动动，制制动动和和反反转转，但但过过渡渡过过程程时时间间对对生生产产率率影影响响不不大大
29、的的生生产产机机械械，主主要要根根据据过过渡渡过过程程能能量量最最小小的的条条件件来来选选择择电电动动机的额定转速。机的额定转速。 电电动动机机经经常常起起动动，制制动动和和反反转转，且且过过渡渡过过程程持持续续时时间间对对生生产产率率影影响响较较大大，则则主主要要根根据据过过渡渡过过程程时时间间最最短短的的条条件件来来选选择择电电动机的额定转速。动机的额定转速。 小小 结结 电动机的选择包括电流种类、结构型式、额定电压、额定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。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
30、机负载和发热情况的不同电动机的工作方式分为连续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，根据电动机的不同工作方式，按不同一致。但有时也可不同，根据电动机的不同工作方式，按不同的变化负载的生产机械负载图，预选电机功率，在绘制电机负的变化负载的生产机械负载图，预选电机功率，在绘制电机负载图的基础上进行发热、过载能力及起动能力（鼠宠式异步电载图的基础上进行发热、过载能力及起动能力（鼠宠式异步电动机）的校验。发热校验的方法有多种，但计算公式都是根据动机）的校验。发热校验的方法有多种，但计算公式都是根据变化负载下电动机达到发热稳定循环时的平均温升等于或接近变化负载下电动机达到发热稳定循环时的平均温升等于或接近但小于绝缘材料所允许最高温升为条件推导出来的。但小于绝缘材料所允许最高温升为条件推导出来的。
