电机与拖动技术第九章课件

1、电机与拖动技术DIANJI YU TUODONG JISHU新世纪应用型高等教育教材编审委员会 组编新世纪应用型高等教育教材编审委员会 9.1 电动机的一般选择 9.2 电动机的发热与温升 9.3 电动机的额定功率第9章 电动机的选择 9.4 电动机额定功率的选择9.1 电动机的一般选择第9章 电动机的选择1.电动机的主要种类 电力拖动系统中拖动生产机械运行的原动机即驱动电机，包括直流电动机和交流电动机两大种，交流电动机又有异步电动机和同步电动机两种，电动机主要种类见下表。各种电动机具有的特点包括性能方面、所需电源、维修方便与否、价格高低等各项，这是选择电动机种类的基本知识。当然生产机械工艺特

2、点是选择电动机的先决条件。这两方面都了解了，便可以为特定的生产机械选择到合适的电动机。 9.1.1 电动机种类的选择 9.1 电动机的一般选择第9章 电动机的选择电动机种类主要性能特点典型生产机械举例交流电动机三相异步电动机 笼式普通鼠笼式机械特性硬、起动转矩不大、调速时需要调速设备调速性能要求不高的各种机床、水泵、通风机高起动转矩起动转矩大带冲击负载的机械，如剪床、冲床、锻压机；静止负载或惯性负载较大的机械，如：压缩机、粉碎机、小型起重机多速有几挡转速（24速）要求有极调速的机床、电梯冷却塔等绕线式机械特性硬（转子串电阻后变软）、启动转矩大、调速方法多、调速性能及启动性能较好要求有一定调速范

3、围、调速性能较好的生产机械，如桥式起重机；启动、制动频繁且对启动、制动转矩要求高的生产机械，如起重机、矿井提升机、压缩机、不可逆轧钢机同步电动机转速不随负载变化，功率因数可调节转速恒定的大功率生产机械，如大中型鼓风及排风机、泵、压缩机、连续式轧钢机、球磨机直流电动机他励、并励机械特性硬、启动转矩大、调速范围宽、平滑性好调速性能要求高的生产机械，如大型机床（车、铣、创、磨、镗）、高精度车床、可逆轧钢机、造纸机、印刷机串励机械特性软、启动转矩大、过载能力强、调速方便要求启动转矩大、机械特性软的机械，如电车、电气机车、起重机、吊车、卷扬机、电梯等复励机械特性硬度适中、启动转矩大、调速方便9.1 电动

4、机的一般选择第9章 电动机的选择2.选择电动机种类时考虑的主要内容 1）电动机的机械特性 生产机械具有不同的转矩转速关系，要求电动机的机械特性与之相适应。如，负载变化时要求转速恒定不变的，就应选择同步电动机；要求起动转矩大及特性软的如电车、电气机车等，就应选用串励或复励直流电动机。2）电动机的调速性能 电动机的调速性能包括调速范围、调速的平滑性、调速系统的经济性(设备成本、运行效率等)诸方面，都应该满足生产机械的要求。如，调违性能要求不高的各种机床、水泵、通风机多选用普通三相鼠笼式异步电动机：功率不大、有级调速的电梯及某些机床可选用多速电动机。9.1 电动机的一般选择第9章 电动机的选择3）电

5、动机的起动性能一些起动转矩要求不高的例如机床可以选用普通鼠笼式三相异步电动机，但起动、制动频繁，且起动、制动转矩要求比较大的生产机械就可选用绕线式三相异步电动机，例如矿井提升机、起重机等。4）电源 交流电源比较方便，直流电源则一般需要有整流设备。采用交流电机时，还应注意，异步电动机从电网吸收落后性无功功率使电网功率因数下降，而同步电动机则可吸收领先性无功功率。 9.1 电动机的一般选择第9章 电动机的选择5）经济性满足了生产机械对于电动机起动、调速、各种运行状态运行性能等方面要求的前提下，优先选用结构简单、价格便宜、运行可靠、维护方便的电动机。一般来说，在这方面交流电动机优于直流电动机，鼠笼式

6、异步电动机优于绕线式异步电动机。 最后应着重强调的是综合的观点，所谓综合是指： 1）以上各方面内容在选择电动机时必须都考虑到，都得到满足后才能选定2）能同时满足以上条件的电动机可能不是一种，还应综合其他情况，诸如节能、货源等加以确定。 9.1 电动机的一般选择第9章 电动机的选择1.安装方式 按安装方式不同，电动机可分为卧式和立式，卧式电动机的转轴安装后为水平位置，立式的转轴则为垂直地面的位置，两种类型的电动机使用的轴承不同，立式的价格稍高，一般情况下用卧式的。2.轴伸个数 伸出到端盖外面与负载联接的转轴部分称为轴伸。多数情况下用单轴伸，特殊情况下采用双轴伸的。 9.1.2 电动机类型的选择

7、9.1 电动机的一般选择第9章 电动机的选择3.防护方式 按防护方式分，电动机有开启式、防护式、封闭式和防爆式几种。开启式电动机的定子两侧和端盖上都有很大的通风口。防护式电动机的机座下面有通风口。封闭式电动机的机座和端盖上均无通风孔，完全是封闭的。封闭式又分为自冷式、自扇冷式、他扇冷式、管道通风式及密封式等。防爆式电动机在封闭式基础上制成隔爆形式，机壳有足够的强度。 9.1.2 电动机类型的选择 9.1 电动机的一般选择第9章 电动机的选择1.额定电压的选择电动机的电压等级、相数、频率都要与供电电源一致。因此，电动机的额定电压应根据其运行场所的供电电网的电压等级来确定。 我国的交流供电电源，低

8、压通常为380V，高压通常为3kV，6kV或10kV。中等功率（约200kW）以下的交流电动机，额定电压一般为380V；大功率的交流电动机，额定电压一般为3kV或6kV；额定功率为1000kW以上的电动机，额定电压可以是10kV。需要说明的是，笼式异步电动机在采用Y-D降压启动时，应该选用额定电压为380V、D接法的电动机。直流电动机的额定电压一般为110V、220V、440V，最常用的电压等级为220V。9.1.3 电动机额定电压和额定转速的选择 9.1 电动机的一般选择第9章 电动机的选择1）对不需要调速的高、中速生产机械（如泵、鼓风机、压缩机），可选择相应额定转速的电动机，从而省去减速传

9、动机构。2）对不需要调速的低速生产机械（如球磨机、粉碎机、某些化工机械等），可选用相应的低速电动机或者传动比较小的减速机构。3）对经常启动、制动和反转的生产机械，选择额定转速时则应主要考虑缩短启、制动时间以提高生产率。启、制动时间的长、短主要取决于电动机的飞轮矩和额定转速，应选择较小的飞轮矩和额定转速。4）对调速性能要求不高的生产机械，可选用多速电动机或者选择额定转速稍高于生产机械的电动机配以减速机构，也可以采用电气调速的电动机拖动系统。在可能的情况下，应优先选用电气调速方案。5）对调速性能要求较高的生产机械，应使电动机的最高转速与生产机械的最高转速相适应，直接采用电气调速。 9.2 电动机的

10、发热与温升第9章 电动机的选择电动机负载运行时电机内有功率损耗最终都将变成热能这就会使电动机温度升高，超过了周围环境温度。电动机温度比环境温度高出的值称为温升。一旦有了温升，电动机就要向周围散热；温升越高、散热越快。当电动机单位时间发出的热量等于散出的热量时，电动机温度不再增加，而保持着一个稳定不变的温升，即处于发热与散热平衡的状态。分析热过渡过程有以下假设；1）电动机长期运行，负载不变，总损耗不变；2）电动机本身各部分温度均匀；3）周围环境温度不变。9.2 电动机的发热与温升第9章 电动机的选择电动机单位时间产生的热量为Q，dt时间内产生的热量则为Qdt。电动机单位时间散出的热量为 ，其中A

11、为散热系数。 为温升。dt时间内散出的热量为 。电动机的热容量为C，dt时间内的温升为 ，则dt时间内电动机本身吸收的热量为 。9.2 电动机的发热与温升第9章 电动机的选择 dt时间内，电动机的发热等于本身吸热与向外散热之和，热平衡方程式为： 当初始条件为 时, 特解则为 式中 稳态温升； 初始温升； t 温升变化时间； T 为发热时间常数，表征热惯性的大小。热容量越大，热惯性越大，时间常数也越大；散热越快，达到热平衡状态就越快，时间常数T则越小。 9.2 电动机的发热与温升第9章 电动机的选择一台负载运行的电动机，在温升稳定之后，如果减少它的负载，那么电机的损耗及单位时间发热量Q都将随之减

12、少。本来的热平衡状态破坏了，电动机温度就要下降，温升降低。降温的过程中，随着温升减小，单位时间散热量 也减少。当重新达到 即发热等于散热时，电动机不再继续降温，而稳定在这个新的温升上。这个温升下降的过程称为冷却。冷却过程的微分方程式及它的解都与发热过程的一样。 图9-1 电动机发热过程的温升曲线 图9-2 电动机冷却过程的温升曲线 9.3 电动机的额定功率第9章 电动机的选择电动机负载运行时输出功率越大、损耗P越大，温升越高。电动机内耐温最薄弱的东西是绝缘材料。绝缘材料耐温有个限度，在这个限度之内，绝缘材料的物理、化学、机械、电气等各方面性能比较稳定，其工作寿命一般约为20年。超过了这个限度，

13、绝缘材料的寿命就急剧缩短，甚至会烧毁。这个温度限度，称为绝缘材料的允许温度，也是电动机的允许温度；绝缘材料的寿命，一般也就是电动机的寿命。 我国的标准环境温度规定为40 。因此绝缘材料或电动机的允许温度减去40为允许温升，用 表示。 按照允许温度的高低，电机常用的绝缘材料分为A、E、B、F、H五种。按环境温度为40计算。这五种绝缘材料及其允许温度和允许温升如下表所示。 9.3.1 电动机的允许温升9.3 电动机的额定功率第9章 电动机的选择不同等级绝缘材料的温升 等级绝缘材料允许最高温度（0C）A用普通绝缘漆浸渍处理的棉纱、丝、纸及普通漆包线的绝缘漆105E环氧树脂、聚酯薄膜、青壳纸、三醋酸纤

14、维薄膜、高强度漆包线的绝缘漆120B云母、玻璃纤维、石棉（用有机胶粘和或浸渍）130F云母、玻璃纤维、石棉（用合成胶粘和或浸渍）155H云母、玻璃纤维、石棉（用硅有机树脂粘和或浸渍）1809.3 电动机的额定功率第9章 电动机的选择我国把电动机分成三种工作方式或工作制，具体分法如下： 1）连续工作方式 连续工作方式是指电动机工作时间运行时间很长，温升可以达到稳态值 也称为长期工作制。电动机铭牌上对工作方式没有特别标注的电动机部属于连续工作方式的。2）短时工作方式 短时工作方式是指电动机的工作时间 ，而停歇时间 ，这样工作时温升达不到 ，而停歇后温升降为零。我国短时工作方式的标准工作时间有15、

15、30、60、90min四种。 9.3.2 电动机的工作方式9.3 电动机的额定功率第9章 电动机的选择3）周期性断续工作方式 周期性断续工作方式时指电动机工作与停歇交替送行，时间都比较短，即 ， 工作时温升达不到稳态值，停歇时温升降不到零。按国家标准规定每个工作与停歇的周期每个周期内工作时间占的百分数叫作负载持续率(又称暂载率)用FS表示，为 我国规定的标准负载持续率有15、25、40、60四种。周期性断续工作方式的电动机频繁起、制动，其过载能力强、GD2值小、机械强度好。 9.3.2 电动机的工作方式9.3 电动机的额定功率第9章 电动机的选择连续工作方式下，电动机输出功率以后，电动机温升达

16、到一个与负载大小相对应的稳态值，如图9-3所示。图中纵坐标有两个量，一个是输出的功率、一个是温升，横坐标是时间。9.3.3 连续工作方式下电动机的额定功率 图9-3 连续工作方式电动机的负载与温升 9.3 电动机的额定功率第9章 电动机的选择从出力和寿命综合考虑，要最充分使用电动机，就要让电动机长期负载运行时达到的稳态温升等于电动机的允许温升。我们就取使稳态温升等于(或接近于)允许温升时的输出功率P作为电动机的额定功率。 额定负载时，电动机温升的稳态值为额定负载运行时， 应为电动机的允许温升 9.3 电动机的额定功率第9章 电动机的选择短时工作方式下，电动机每次负载运行时，其温升都达不到稳态值

17、，而停下来后温升却都下降到零。负载运行时。电动机的温升与输出功率之间的关系如图9-4所示。 短时工作方式的电动机，由于 ，其额定功率的大小当然要依据实际达到的最高温升来确定，即在规定的工作时间内，电动机负载运行达到的实际高温升恰好等于(或接近于)允许温升时，电动机的输出功率测定为额定功率PN。 9.3.4 短时工作方式下电动机的额定功率 图9-4 短时工作方式电动机的负载与温升 图9-5 不同短时工作时间的负载与温升 9.3 电动机的额定功率第9章 电动机的选择周期性断续工作方式的电动机，负载时温度升高但还达不到稳态温升；停歇时、温度下降但也降不到环境的温度。经过足够的周期以后当每周期时间内的

18、发热量等于散热量时，温升就将在一个稳定的小范围内波动。如图9-6所示。 9.3.5 周期性断续工作方式下电动机的额定功率 图9-6 周期性断续工作方式电动机的负载与温升 9.4 电动机额定功率的选择第9章 电动机的选择额定功率选择的原则是：所选额定功率要能满足生产机械在拖动的各个环节（启动、调速、制动等）对功率和转矩的要求并在此基础上使电动机得到充分利用。额定功率选择的方法是：根据生产机械工作时负载（转矩、功率、电流）大、小变化特点，预选电动机的额定功率，再根据所选电动机额定功率校验过载能力和启动能力。电动机额定功率大小是根据电动机工作发热时其温升不超过绝缘材料的允许温升来确定的，其温升变化规

19、律是与工作特点有关的，同一台电动机在不同工作状态时的额定功率大小也是不相同的。 9.4 电动机额定功率的选择第9章 电动机的选择1.静负载功率的确定 对直线运动的生产机械，有式中 生产机械的静负载力； 生产机械的线速度。对旋转运动的生产机械，有式中 静负载转矩； 转速。 9.4.1 负载功率的确定 9.4 电动机额定功率的选择第9章 电动机的选择2.周期变化负载的平均功率图9-7是一个周期内变动的生产机械负载图，据此图得出变化负载的平均功率为 图9-7 周期变化负载图 9.4 电动机额定功率的选择第9章 电动机的选择电动机吸收电源的功率既要转换为机械功率供给负载，又要消耗在电动机内部。电动机内

20、部有不变损耗和可变损耗。不变损耗不随负载电流的变化而变化，可变损耗与负载电流有关、与负载电流平方成正比。负载电流增大时，可变损耗要增大，电动机的额定功率也要相应地选大些。实际预选电动机额定功率时，应先将 扩大1.11.6倍，再行预选。使 系数1.11.6的取值由实际起、制动时间占整个工作周期的比重来决定各种工作制电动机的发热校验的方法基本相同，现以连续工作制电动机为例加以说明，有以下四种： 9.4 电动机额定功率的选择第9章 电动机的选择1）平均损耗法 根据预选电动机的效率曲线，计算出电动机带各段负载时对应的损耗功率 ，然后计算平均损耗功率 。只要电动机带负载时的实际平均损耗功率 小于或等于其

21、额定损耗 ，则电动机运行时实际达到的稳态温升 不会超过其额定温升 ，电动机的发热条件得到充分利用。 9.4 电动机额定功率的选择第9章 电动机的选择2）等效电流法 假定不变损耗和电阻均为常数，则电动机带各段负载时的损耗与其对应的电动机电流平方成正比，则等效电流为 只要 ，则电动机的发热校验通过。9.4 电动机额定功率的选择第9章 电动机的选择3）等效转矩法 假定不变损耗、电阻、主磁通及异步电动机的功率因数为常数时，则电动机带各段负载时的电动机电流与其对应的电磁转矩 成正比，则等效转矩为： 只要 ，则电动机的发热校验通过。9.4 电动机额定功率的选择第9章 电动机的选择4）等效功率法 假定不变损

22、耗、电阻、主磁通、异步电动机的功率因数、转速为常数时，则电动机带各段负载时的转矩与其对应的输出功率 成正比，则等效功率为：只要 ，则电动机的发热校验通过。 9.4 电动机额定功率的选择第9章 电动机的选择电动机的额定功率PN，是指电动机在标准环境温度（40）、在规定的工作制和定额下，能够连续输出的最大机械功率，以保证其使用寿命。实际情况与规定的条件往往不尽相同。在保证电动机能达到规定的使用年限的前提下，如果实际环境温度与标准环境温度不同、实际工作制与规定的工作方式不同、实际的短时定额与规定的短时定额不同、实际的断续定额与规定的断续定额不同，那么在选择电动机的额定功率PN时，可先对电动机的额定功率 PN进行修正，使电动机的额定功率PN 小于或大于实际负载功率PL。9.4.3 电动机额定功率的修正 9.4 电动机额定功率的选择第9章 电动机的选择连续工作制的电动机按连续工作制工作时，实际环境温度T不等于40时，电动机额定功率PN的修正值为：式中 额定温升； k 损耗比，即不变损耗与可变损耗之比。9.4.3 电动机额定功率的修正 9.4 电动机额定功率的选择