超全 电力拖动系统电动机的选择

第十四章电力拖动系统电动机的选择引言本章阐明如何为生产机械正确地选择电动机。首先介绍电动机额定参数的意义，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。第一节电动机的型号和铭牌参数一、直流电动机的额定参数1.直流电动机的型号国产直流电动机的种类很多，根据不同用途可分成如下系列：(1)ZT系列用于恒功率且调速范围广的拖动系统中的直流电动机(2)ZZJ系列冶金起重直流电动机(3)ZQ系列电力机车的直流牵引电动机(4)ZA系列用于矿井和有易爆气体场合的防爆安全性直流电动机(5)ZKJ系列冶金、矿山挖掘机用的直流电动机(6)Z2系列一般用途的中小型直流电机直流电动机产品的型号含义如下所示：2.直流电动机的额定值直流电动机的额定值有：额定功率PN（kW），额定电压UN（V），额定电流IN（A），额定转速nN（r/min），额定励磁电压UfN（V），额定励磁电流IfN（A）和励磁方式等，其中直流电动机的额定功率是指轴上输出的机械功率：式中——电动机的额定效率。直流电动机轴上输出的额定转矩TN，其大小为电机输出的机械功率除以转子角速度的额定值，即：二、异步电动机的额定参数1.异步电动机的型号异步电动机产品的型号含义如下所示：我国生产的异步电动机种类很多，下面列出常见的产品系列：Y系列为小型鼠笼全封闭自冷式三相异步电动机。用于金属切削机床、通用机械、矿山机械、农业机械等。JQ2和JQO2系列是高起动转矩异步电动机，用在起动静止负载或惯性较大的机械上。JQ2是防护式，JQO2是封闭式。JS系列是中型防护式三相鼠笼式异步电动机。JR系列是防护式三相绕线式异步电动机。用在电源容量较小、不能用同容量鼠笼式异步电动机起动的生产机械上。JSL2和JRL2系列是中型立式水泵用的三相异步电动机，其中JSL2是鼠笼式，JRL2是绕线式。JZ2和JZR2系列是起重和冶金用的三相异步电动机，JZ2是鼠笼式，JZR2是绕线式。JD2和JDO2系列是防护式和封闭式多速异步电动机。BJO2系列是防爆式鼠笼异步电动机。JPZ系列是旁磁式制动异步电动机。JZZ系列是锥形转子制动异步电动机。JZT系列是电磁调速异步电动机。2.异步电动机的额定值(1)额定功率PN指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率，单位是kW。(2)额定电压UN指额定运行状态下加在定子绕组上的线电压，单位为V。(3)额定电流IN指电动机在定子绕组上额定电压、轴上输出的额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为A。(4)额定频率f1我国规定工业用电的频率是50Hz。异步电动机定子边的量加下标1表示，转子边的量加下标2表示。(5)额定转速nN指电动机定子加额定频率的额定电压，且轴端输出额定功率时电机的转速，单位为r/min。(6)额定功率因数cosjN指电动机在额定负载时，定子边的功率因数。(7)绝缘等级与温升按照不同的耐热能力，绝缘材料可分为一定的等级。温升是指电动机运行时高出周围环境的温度值。我国规定了环境最高温度为40°C。此外铭牌上还标明了工作方式、连接方法等。对绕线式异步电动机还要标明转子绕组的接法、转子绕组额定电动势（指定子绕组加额定电压、转子绕组开路时滑环之间的电动势）和转子的额定电流。 下面说明如何根据电机的铭牌进行定子的接线。如果电动机定子绕组有六根引出线，并已知其首、末端，分两种情况讨论：1)当电动机铭牌上标明“电压380/220V，接法Y/Δ”时，这种情况下，究竟是接成Y还是Δ，要看电源电压的大小。如果电源电压为380V，则接成Y接；电源电压为220V，则接成Δ接。2)当电动机铭牌上标明“电压380V，接法Δ”时，则只这有一种Δ接法。但是在电动机起动过程中，可以接成Y接，接在380V电源上，起动完毕，恢复Δ接法。第二节电动机的绝缘等级与工作制分类一、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表10-1所示。二、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S1～S9共9类。下面介绍常用的S1、S2、S3三种工作制。1．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10-1所示。对于连续工作制的电动机，我们取使其稳定温升τss恰好等于容许最高温升时的输出功率作为额定功率。2．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10-2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。3．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10-3所示。第三节不同工作制下电动机的功率选择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。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。一、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。图10-4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。二、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、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10-5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（10-5）、（10-6）和（10-7）分母中对应起动和制动的时间值上乘以一个系数α，在对应停歇的时间值上乘以一个系数β。例如，对应图10-5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=1.0～1.5，对于异步电机a=0.5～0.7。在一个工作周期T内，当工作时间tR<(0.3~0.4)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FS＝25％；tR=90min，相当于FS=40％。三、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FS<10％，选短时工作制电机；FS>70％时，选连续工作制电机。第四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，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100kW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380／660V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。附录：一、铭牌数据：普通电机铭牌内容：型号（TYPE）：电压（VOLT）：380V频率（HZ）：50HZ接法（CONN。）一般情况下3KW及以下电机为星形接法，3KW以上电机为角形接法。功率：编号（SER。NO。）防护等级（ENCL）绝缘等级（INS。CLASS）适用标准：一般情况下为JB/T9616-1996噪声[LWdB(A)]转数（R/MIN）额定电流（AMP）：生产日期（DATE）工作制（DUTY）重量（WGT）专特电机另有以下标识三相异步电动机THREEPHASEINDUCTIONMOTOR服务系数（S。F。）服务系数下的电流（S．F．A．）100%负载下的效率EFF。（100%FL）75%负载下的效率EFF。（75%FL）环境温度限值MAX。AMB轴伸端轴承型号BRGS。P。E非轴伸端轴承型号O．P．E。用户的另部件编号（PART。NO）二、电机功率巧算：电机在有时也根据级数不同电流不同，但已知三相电动机容量，求其额定电流口诀：容量除以千伏数，商乘系数点七六。说明：（1）口诀适用于任何电压等级的三相电动机额定电流计算。 由公式及口诀均可说明容量相同的电压等级不同的电动机的额定电流是不相同的，即电压千伏数不一样，去除以相同的容量，所得“商数”显然不相同，不相同的商数去乘相同的系数0.76，所得的电流值也不相同。若把以上口诀叫做通用口诀，则可推导出计算220、380、660、3.6kV电压