第11章電動機(jī)的選擇

第11章電動機(jī)的選擇1第11章電力拖動系統(tǒng)中

電動機(jī)的選擇11.2電動機(jī)的發(fā)熱與冷卻11.1電動機(jī)選擇的基本內(nèi)容11.3電動機(jī)的工作制11.4電動機(jī)額定功率的選擇

211.1電動機(jī)選擇的基本內(nèi)容選擇電動機(jī)種類時考慮的主要問題生產(chǎn)機(jī)械對電動機(jī)的要求機(jī)械特性、起動性能、調(diào)速性能、制動方法、過載能力等。經(jīng)濟(jì)效益各類電動機(jī)的性能特點、價格高低以及維護(hù)成本等。按節(jié)能的原則來選擇，使電動機(jī)的運(yùn)行效率符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。一、種類的選擇

3電動機(jī)的主要種類和特點種類機(jī)械特性Tst調(diào)速性能可靠性價格維護(hù)成本他/并勵串勵復(fù)勵直流電動機(jī)三相異步電動機(jī)單相異步電動機(jī)三相同步電動機(jī)單相同步電動機(jī)籠型線繞型多速高Tst硬大好較低高高軟大好較低高高硬大好較低高高硬小差異大低低硬大差異大低低

2~4種速度

大機(jī)械特性硬、功率小、cos和

較低轉(zhuǎn)速恒定、cos可調(diào)、只能采用變頻調(diào)速轉(zhuǎn)速恒定、功率小除特殊負(fù)載需要外，一般不宜選用直流電動機(jī)。

4二、功率的選擇既不能過載，也不能長期輕載。常用方法：計算法、統(tǒng)計法、類比法。0.6~3200.37~3203~320200~500200~5000250~100001000~10900電壓/V380600010000交流電動機(jī)直流電動機(jī)籠型繞線型同步

額定功率/kW電壓/V額定功率/kW110220440600~8700.25~1100.25~3201.0~500500~4600三、電壓的選擇

5

PN≤200kW時，選擇UN=380V。

PN＞200kW時，選擇高壓電機(jī)。四、轉(zhuǎn)速的選擇綜合考慮：轉(zhuǎn)速、傳動方式、調(diào)速要求等。五、類型的選擇1、防護(hù)方式：開啟式、防護(hù)式、封閉式、防爆式開啟式電動機(jī)防護(hù)式電動機(jī)

6離心制冷機(jī)用封閉式電機(jī)螺桿制冷機(jī)用封閉式電機(jī)封閉式電動機(jī)全封閉自扇冷式籠型三相異步電動機(jī)

7密封式電動機(jī)防爆式電動機(jī)(YB系列)

YB2-B35

82、安裝型式的選擇1）.臥式IMB3

臥式：IMB3~IMB35，共十四種。2）.臥式IMB5

立式：IMV1~IMV36，共十七種。B5

93）臥式IMB354）.立式IMV15）.立式IMV2IMV1

10六、工作制的選擇七、型號的選擇符號意義符號意義符號意義Y籠型異步電動機(jī)YB隔爆型異步電動機(jī)T同步電動機(jī)YR繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)YBR隔爆型繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)TF同步發(fā)電機(jī)*YQ高起動轉(zhuǎn)矩異步電動機(jī)YD多速異步電動機(jī)Z直流電動機(jī)YH高轉(zhuǎn)差率異步電動機(jī)Y-F化工防腐用異步電動機(jī)ZF直流發(fā)電機(jī)主要有連續(xù)工作制、短時工作制、斷續(xù)周期工作制等三種。

1111.2電動機(jī)的發(fā)熱與冷卻一、電機(jī)的發(fā)熱過程與溫升損耗→發(fā)熱→溫度升高。溫升=

電機(jī)的溫度－周圍環(huán)境溫度。熱平衡狀態(tài)

當(dāng)發(fā)熱量=散熱量時，=穩(wěn)定值。分析熱過渡過程有以下假設(shè)：（1）電動機(jī)長期運(yùn)行，負(fù)載不變，總損耗不變；（2）電動機(jī)本身各部分溫度均勻；（3）周圍溫度不變

12

電機(jī)的熱平衡方程式

Qdt

=Cd

＋Adt

Q——單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量；C——熱容量(溫度每升高1oC所需的熱量)；A——散熱系數(shù)(為1oC時每秒所散出的熱量)。

13※0——初始溫升；

=Q/A——穩(wěn)態(tài)溫升；

=C/A——發(fā)熱時間常數(shù)。d

dtCA＋=QA=＋(0－

)

e－

td

dt＋=整理得：電機(jī)發(fā)熱過程的溫升曲線

Ot00=0設(shè)初始條件為t=0，

=0，則

※小型電動機(jī)的

值約為

十幾分鐘到幾十分鐘。

14(1)停機(jī)的冷卻情況

=0，

(2)減輕負(fù)載的冷卻情況≠0，＜0二、電機(jī)的冷卻過程與冷卻方式1.電動機(jī)的冷卻過程d

dt＋=0

=0

e－

t設(shè)初始條件為t=0，

=0，則

=＋(0－

)

e－

t0Ot

=0電機(jī)冷卻過程的溫升曲線

152.電動機(jī)的冷卻方式冷卻：采取措施使電動機(jī)產(chǎn)生的熱量盡可能多地散發(fā)出去，以達(dá)到充分利用材料、增加相同體積電動機(jī)的額定功率的目的。

冷卻方式：自冷式、自扇冷式和他扇冷式。結(jié)論：電動機(jī)的溫升曲線取決于起始值、穩(wěn)態(tài)值和時間常數(shù)。分析熱過渡過程的目的不在于定量計算，只需定性了解，為進(jìn)一步正確理解和選擇電動機(jī)額定功率打下基礎(chǔ)。

1611.3電動機(jī)的額定功率

11.3.1電機(jī)的工作制分為三種工作制或工作方式一、連續(xù)工作制（S1

工作制）

工作時間：

tr

＞(3~5)

溫升在運(yùn)行期間已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。

OtPL

PL

應(yīng)用：通風(fēng)機(jī)、水泵、紡織機(jī)、造紙機(jī)、機(jī)床主軸驅(qū)動等。

17二、短時工作制（S2

工作制）

OtPL

mPLtr

標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行時間：

15min、30min、60min、90min。

應(yīng)用水閘啟閉機(jī)冶金用的電動機(jī)起重機(jī)中的電動機(jī)

工作時間：

tr

<(3~5)

,

停歇時間：tT>(3~5),

18三、斷續(xù)周期工作制（S3

工作制）負(fù)載持續(xù)率FS

=×100%trtr＋t0

19

標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載持續(xù)率：

15%、25%、40%、60%。

周期：tr＋t0≤10min。應(yīng)用：起重機(jī)、電梯、軋鋼輔助機(jī)械中的電動機(jī)。斷續(xù)周期工作制的電動機(jī)具有起動能力強(qiáng)、過載倍數(shù)大、轉(zhuǎn)動慣量較小，機(jī)械強(qiáng)度高等特點。

11.3.2電動機(jī)的允許溫升電動機(jī)的耐溫最薄弱的是絕緣材料。按照絕緣材料的允許溫度不一樣，電動機(jī)常用的絕緣材料分為A、E、H、B、F五種。

20常用絕緣材料分為5種：等級絕緣材料允許溫度允許溫升A經(jīng)過浸漬處理的棉、絲、紙板、木材等，普通絕緣漆10565E環(huán)氧樹脂、聚酯薄膜、青殼紙、三醋酸纖維薄膜、高強(qiáng)度絕緣漆12080B用提高了耐熱性能的有機(jī)漆作黏合劑的云母、石棉和玻璃纖維組合物13090F用耐熱優(yōu)良的環(huán)氧樹脂黏合或浸漬的云母、石棉和玻璃纖維組合物155115H用有機(jī)硅樹脂黏合或浸漬的云母、石棉和玻璃纖維組合物180140

2111.3.3電動機(jī)的額定功率一、連續(xù)工作方式下電動機(jī)的額定功率：

OtP

LP當(dāng)電動機(jī)的輸出功率是一個長期恒定不變的P時，電動機(jī)的溫升必然達(dá)到一個有P決定的穩(wěn)態(tài)值。P不同，溫升不同。從出力和壽命綜合考慮，電機(jī)得到充分利用，就是使其長期負(fù)載運(yùn)行時達(dá)到的穩(wěn)態(tài)溫升等于其允許溫升。

22因此，取長期負(fù)載運(yùn)行時達(dá)到的穩(wěn)態(tài)溫升等于其允許溫升時的功率為電動機(jī)的額定功率。下面推導(dǎo)連續(xù)工作方式下，電動機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行時。額定功率與溫升的關(guān)系。

23額定負(fù)載運(yùn)行時，應(yīng)為允許溫升表明：當(dāng)A與為常數(shù)時，電動機(jī)的額定功率與允許溫升成正比，絕緣材料的等級越高，電動機(jī)的額定功率越大。另外，一臺電動機(jī)的允許溫升不變時，若設(shè)法提高效率、提高散熱能力，都可以增大它的額定功率。

24二、短時工作制下電動機(jī)的額定功率

OtPL

mPLtr實際達(dá)到的最高溫升小于負(fù)載穩(wěn)態(tài)溫升，其額定功率依據(jù)實際達(dá)到的最高溫升來確定。

即：在規(guī)定時間內(nèi)，電動機(jī)負(fù)載運(yùn)行達(dá)到的實際最高溫升等于允許溫升時，電動機(jī)的輸出功率則定為額定功率。

短時工作方式電動機(jī)的額定功率是與規(guī)定的工作時間tr相對應(yīng)的。

25三、周期工作制下電動機(jī)的額定功率即：在某一負(fù)載持續(xù)率下，電動機(jī)負(fù)載運(yùn)行達(dá)到的實際最高溫升等于允許溫升時，電動機(jī)的輸出功率則定為額定功率。

周期性斷續(xù)工作方式電動機(jī)的額定功率是與某一負(fù)載持續(xù)率FS%相對應(yīng)的。

2611.4電動機(jī)額定功率的選擇一、電動機(jī)的允許輸出功率1.工作制的影響2.環(huán)境溫度的影響改變工作方式，達(dá)到N時允許的P2將不再是原設(shè)計的PN。

S1改為S2或S3運(yùn)行，則

P2＞PN。

S2或S3改為S1運(yùn)行，則

P2＜PN。

GB規(guī)定：額定環(huán)境溫度為40℃。電動機(jī)允許的最高溫度主要取決于所使用的絕緣材料。

27

工程上也可以按下表對P2估算：0.4~1.1P2

=PN1＋(1＋)40－N※

N——電動機(jī)的額定溫升，N=max－40℃；

——電動機(jī)的實際環(huán)境溫度；

——電動機(jī)滿載時的PFe與PCu之比。絕緣材料允許的實際環(huán)境溫度/℃允許輸出功率增減的百分?jǐn)?shù)303540455055＋8%

＋5%

0

－5%

－12.5%－25%

表不同環(huán)境溫度下電動機(jī)功率的修正系數(shù)

28【例11-1】一臺130kW連續(xù)工作制的三相異步電動機(jī)，如果長期在70℃環(huán)境溫度下運(yùn)行，已知電機(jī)的絕緣材料等級為B級，額定負(fù)載時鐵損耗與銅損耗之比為0.9。試求該電動機(jī)在高溫環(huán)境下的實際允許輸出功率。解：B級絕緣材料的最高溫度為130℃，則N=90℃，故電動機(jī)的實際允許輸出功率應(yīng)為P2

=PN1＋(1＋)40－N=130×1＋(1＋0.9)=78.72kW40－70

90

293.海拔高度的影響海拔高度越高，空氣越稀薄，散熱越困難，使得允許的

P2＜PN

。海拔1000m≤h≤4000m

h=

100m，N降低1%，P2降低0.5%。

30二、連續(xù)運(yùn)行電動機(jī)額定功率的選擇

1.恒定負(fù)載電動機(jī)額定功率的選擇

(1)計算負(fù)載功率PL

(2)根據(jù)PL預(yù)選電動機(jī)的PN

選擇PN=PL或略大于PL的電動機(jī)。(3)校驗所選電動機(jī)

①發(fā)熱校驗②過載能力校驗

S1工作制的電動機(jī)都是按恒定負(fù)載設(shè)計的，故不需做發(fā)熱校驗。

電動機(jī)的過載能力用過載倍數(shù)km來表示。

31不同類型電動機(jī)的km

是不同的。直流電動機(jī)：km=1.5~2.0。

異步電動機(jī)：km=2.0~2.2。同步電動機(jī)：km=2.0~2.5。

考慮到交流電網(wǎng)電壓波動±10%所引起的

Tem下降，故按Tem=0.81kmTeN＞TL

來校驗。③起動能力校驗

選用籠型異步電動機(jī)時需校驗其起動能力。

32【例11-2】一臺直接由電動機(jī)拖動的離心式水泵，流量Q=0.144m3/s，揚(yáng)程H=37.7m，轉(zhuǎn)速n=1460r/min，泵的效率b=79.8%。試選擇電動機(jī)的額定功率。PL

=×10－3kWQ

Hgbc

※為水的密度，=1000kg/m3；

c為傳動機(jī)構(gòu)的效率，直接拖動取c=1。則PL

=kW=66.74kW0.144×37.7×1000×9.810798×1解：(1)泵類機(jī)械作用在電動機(jī)軸上的等效負(fù)載為(2)選取PN=75kW，nN=1480r/min的Y280S-4型三相籠型異步電動機(jī)。(3)水泵屬于通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性類的生產(chǎn)機(jī)械，故不必校驗電動機(jī)的起動能力和過載能力。

33(1)計算各時間段的負(fù)載功率(2)計算平均負(fù)載功率2.變化負(fù)載電動機(jī)額定功率的選擇PL1t1＋PL2t2＋···t1＋t2＋···PL

=(3)預(yù)選電動機(jī)的額定功率PN

=(1.1~1.6)PL(4)發(fā)熱校驗

根據(jù)=f(P2)

34①電動機(jī)的額定功率損耗②電動機(jī)每段時間的功率損耗

PL1t1＋PL2t2＋···t1＋t2＋···PL

=PLi

=－PLiPLii如果PL≤PN，則發(fā)熱校驗通過，否則重新選擇并校驗。

PN

=－PNPNN③電動機(jī)的平均功率損耗為

35若選用交流電動機(jī)，則需保證Tem＞TLm；若選用直流電動機(jī)，則需保證ILm＜Iam

。如果選用三相籠型異步電動機(jī)，則需要進(jìn)行起動能力校驗。(5)過載能力和起動能力校驗

36【例11-3】某生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載曲線如圖所示，已知PL1=7.2kW，t1=1.5min，PL2=5.5kW，t2=2min，PL3=14.5kW，t3=1.1min，PL4=4.8kW，t4=1.8min。n=1440r/min，起動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為100N·m。擬選用一臺現(xiàn)有的Y132M-4籠型異步電動機(jī)拖動，已知該電機(jī)的額定值為PN=7.5kW，nN=1440r/min，cosN=0.85，kst=2.2，km=2.2，kI=7，效率如下表。試校驗是否能使用該電動機(jī)。P2/kW3.74.04.34.95.56.2

0.8520.8550.8570.8610.8630.862P2/kW6.77.27.58.21015

0.8590.8560.8550.8500.8430.837

37=7.248kW由此可見，PN＞PL，即現(xiàn)有電動機(jī)的功率合格。

(2)發(fā)熱校驗①電動機(jī)的額定損耗為

=kW7.2×1.5＋5.5×2＋14.5×1.1＋4.8×1.81.5＋2＋1.1＋1.8解：(1)計算平均負(fù)載功率

PL1t1＋PL2t2＋

PL3t3＋PL4t4

t1＋t2＋t3＋t4

PL

=②電動機(jī)在各個時間段的功率損耗為

PL1

=－PL1

PL11PN

=－PNPNN=－7.5kW=1.272kW7.50.855=－7.2kW=1.211kW7.20.856

38③電動機(jī)的平均損耗為

PL2

=－PL2

PL22=－5.5kW=0.873kW5.50.863PL3

=－PL3

PL33=－14.5kW=2.824kW14.50.837PL4

=－PL4

PL44=－4.8kW=0.775kW4.80.861=kW1.211×1.5＋0.873×2＋2.824×1.1＋0.775×1.81.5＋2＋1.1＋1.8PL1t1＋PL2t2＋PL3t3＋PL4t4

t1＋t2＋t3＋t4

PL

==1.26kW由于PL＜PN，故發(fā)熱校驗通過。

39(3)過載能力和起動能力校驗

由于P2m＞PLm=14.5kW，故過載能力校驗通過。電動機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩為：直接用功率校驗過載能力：

P2m

=kmPN=2.2×7.5kW=16.5kWPNnN

TN

=9550=9550×N·m=49.74N·m7.5

1440起動轉(zhuǎn)矩為：Tst

=kstTN=2.2×49.74N·m=109.43N·m由于Tst＞TLst=100N·m，故起動能力校驗通過。結(jié)論：現(xiàn)有的電動機(jī)能夠用于拖動該生產(chǎn)機(jī)械。

403.有起動、制動和停機(jī)過程時平均損耗功率公式的修正

假設(shè)一個工作周期包括n個時間段，其中t1是起動時間，tn-1是制動時間，tn

是停機(jī)時間，則PL1t1＋PL2t2＋···＋PL(n－1)tnt1＋t2＋···＋tn－1＋tnPL

=異步電動機(jī)：=0.5，=0.25直流電動機(jī)：=0.75，=0.5修正系數(shù)

41滿載時的PFe/PCu實際運(yùn)行時間標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行時間三、短時運(yùn)行電動機(jī)額定功率的選擇

1.選用短時工作制的電動機(jī)(1)計算電動機(jī)的負(fù)載功率PL(2)負(fù)載功率的折算按發(fā)熱和溫升等效的原則把PL折算成標(biāo)準(zhǔn)工作時間下的等效負(fù)載功率PLN。PLPLN

=－1trNtr－trNtr

42當(dāng)tr≈trN時，則上式可簡化為(3)預(yù)選電動機(jī)的額定功率PN選擇電動機(jī)的額定功率PN≥PLN。(4)校驗所選電動機(jī)對于恒定負(fù)載不必進(jìn)行發(fā)熱和過載能力校驗。對籠型異步電動機(jī)，應(yīng)進(jìn)行起動能力的校驗。PLN

=PLtrtrN

43【例11-4】某生產(chǎn)機(jī)械為短時運(yùn)行方式，輸出功率Po=22kW，效率L=78%，每次工作17min后停機(jī)，而停機(jī)時間足夠長。試選擇拖動電動機(jī)的額定功率。選擇標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行時間為15min的短時工作制電動機(jī)，則折算成17min的等效負(fù)載功率為

PL

=PoL=kW=28.21kW220.78PLN

=PLtrtrN=28.21×kW=30.03kW1715解：電動機(jī)的負(fù)載功率為故應(yīng)選擇額定功率大于30.03kW的短時工作制電動機(jī)。

442.選用連續(xù)工作制的電動機(jī)(1)計算電動機(jī)的負(fù)載功率PL(2)負(fù)載功率的折算將短時運(yùn)行的PL折算成連續(xù)運(yùn)行的等效PLN。滿載時的PFe/PCu短時運(yùn)行時間電機(jī)的發(fā)熱時間常數(shù)PLN

=PL1－e－1＋

e－trtr(3)預(yù)選電動機(jī)的額定功率PN選擇電動機(jī)的額定功率PN≥PLN。不必進(jìn)行發(fā)熱校驗。

45①由于電動機(jī)的PN小于PL，電動機(jī)的Tem可能會小于TL，故必須進(jìn)行過載能力校驗。