《电机运行维护与故障处理》课件第5章

任务电动机类型、结构及容量的选择

项目五电动机的选择

活动1电动机类型、结构、额定电压及额定转速的选择

一、活动目标

(1)熟悉电动机选择的基本原则。

(2)掌握电动机类型选择、结构选择、额定电压选择及额定转速选择的依据及方法。任务电动机类型、结构及容量的选择二、活动内容

1．电动机选择的基本原则

(1)电动机的机械特性应满足生产机械的要求，要与生产机械即负载特性相适应，以确保在一定负载下运行时的转速稳定，且具有一定的调速范围和良好的启动、制动性能。

(2)电动机在运行过程中，额定功率应能得到充分利用，即温升接近而又不会超过电动机自身所允许的额定温升。

(3)电动机的结构形式应满足生产机械提出的安装要求，同时要适应周围环境的工作条件。

(4)根据电动机所带负载和工作方式，正确而合理地选择电动机的容量。

2.电动机类型的选择

电动机类型的选择是在能够满足生产机械技术性能指标的前提下，优先选用结构简单、工作可靠、维修方便、运行经济及价格便宜的电动机。常用电动机的类型有三相笼型异步电动机、三相绕线转子异步电动机、他励直流电动机及同步电动机等。选择电动机类型的基本原则如下：

(1)对负载平稳、启动、制动及调速性能要求不高的生产机械，应优先选用三相异步电动机，而对各种三相异步电动机，应按照下列原则选用：

①对普通机床、风机、水泵等可选用三相笼型异步电动机。

②对空压机、皮带运输机等生产机械，要求电动机有较好的启动性能，可选用深槽式或双笼型异步电动机。

③对电梯、桥式起重机等起重设备，由于启动、制动都比较频繁，应选用三相绕线转子异步电动机；对电动机的启动、制动、调速有一定要求的生产机械，也应选用三相绕线转子异步电动机。

(2)对于拖动功率大，需要提高电网功率因数以及运行速度稳定的生产机械，如大功率水泵、空压机等，优先考虑选用三相同步电动机。

(3)对于调速范围要求较宽，且能快速而平滑调速的生产机械，如轧钢机、龙门刨床、造纸机、大型精密机床等，应选用他励直流电动机或交流变频调速系统。

(4)对于调速范围要求较低，并可由机械变速箱配合的生产机械，可选用多速笼型异步电动机。

3．电动机结构形式的选择

电动机的结构形式包括安装方式和各种防护形式。

1)安装方式

安装方式是指根据机械设计的要求确定电动机安装时的放置方式。通常电动机有立式和卧式两种放置方式。

(1)立式：指电动机转轴与水平面垂直。

(2)卧式：指电动机转轴与水平面平行。

一般情况下，电动机都是按卧式方式安装的。

2)电动机防护形式的选择原则

(1)开启式电动机。该类电动机的特点是价格便宜，散热好，但由于定子、转子均暴露在空气中，因而容易进入铁屑、粉尘、油垢等，由此会影响电动机的使用寿命，因此该类电动机适宜在干燥而清洁的室内环境中使用。

(2)防护式电动机。该类电动机的特点是防滴、防雨、防溅及能够防止其它异物进入电动机内部，但不能防止灰尘和腐蚀性气体，因此该类电动机适宜在干燥、灰尘少、无腐蚀性及爆炸性气体的环境中使用。

(3)封闭式电动机。该类电动机的特点是能够防止水和灰尘等进入电动机内部，因此该类电动机适宜在潮湿、具有腐蚀性气体及灰尘多的环境中使用。

(4)防爆式电动机。该类电动机的特点是具有防爆功能，因此该类电动机适宜在易燃易爆的环境中使用。

4．电动机额定电压的选择

1)交流电动机额定电压的选择

(1)当低压电网的电压为380V时，与此对应的中小型三相异步电动机的额定电压的选择有以下几种情况：

①电动机绕组为Y/△形接法时，额定电压应选380V；

②电动机绕组为△/Y形接法时，额定电压应选220V/380V；

(2)电动机绕组为△/Y形接法时，额定电压应选380V/660V。

(3)单相异步电动机的额定电压多选用220V。

(4)高压电动机的额定电压有3000V、6000V及10000V等几种。

2)直流电动机额定电压的选择

直流电动机额定电压应根据安装地点供电电源的电压等级进行选择，通常可分为以下几种情况：

(1)对于由直流发电机供电的直流电动机，额定电压一般选择110V或220V。

(2)大功率直流电动机可提高到600V～1000V，当电网电压为380V，且直流电动机由晶闸管整流电路供电时，采用三相整流，可选额定电压为440V，采用单相整流，可选额定电压为160V或180V。

5．电动机额定转速的选择

电动机的额定转速是根据生产机械传动系统的要求来选择的。电动机的功率一定时，额定转速越高，体积越小，重量越轻，成本越低，价格也就越低，故选择高速电动机较经济。但是当电动机的额定转速选择较高，而生产机械要求的转速较低时，就会使所配用的齿轮变速级数可能增多，反而会引起整个装置的造价升高，效率降低，因此，选择电动机的额定转速时应从机械和电气两个方面综合考虑，以取得最佳的运行经济效果。三、活动小结

电力拖动系统电动机的选择包括电动机的类型、结构形式、额定容量、额定电压和额定转速的选择，其中正确选择电动机的容量最为重要，这将在活动2中讲述。

四、活动回顾与拓展

(1)电动机选择的基本原则是什么？

(2)电动机类型和结构形式选择的依据分别是什么？

(3)电动机的额定电压和额定转速各应如何选择？活动2电动机容量的选择

一、活动目标

(1)熟悉电动机温升的概念及绝缘关系。

(2)熟悉电动机发热和冷却过程的特点。

(3)熟悉电动机三种工作制的特点。

(4)熟悉电动机容量选择的统计法和类比法的运用。二、活动内容

1.电动机容量选择的基本知识

1)电动机的温升和绝缘

电动机在负载运行时，其内部总损耗转变为热能使电动机温度升高。而电动机中耐热最差的是电动机定子绕组的绝缘材料，在实际运行中，若电动机所拖的负载过大、损耗太大而使绝缘材料的温度超过所允许的限度时，绝缘材料的寿命就会急剧缩短，严重时会使绝缘遭到破坏，使电动机冒烟而烧毁。把绝缘材料的温升限度称为绝缘材料的允许温度。由此可见，绝缘材料的允许温度就是电动机的允许温度，绝缘材料的寿命就是电动机的寿命。

不同的绝缘材料有不同的允许温度，根据国家标准规定，将电动机定子绕组所使用的绝缘材料分成若干等级，见表1-2中所列。

2)电动机的发热和冷却

(1)电动机的发热过程。电动机从启动到稳定运行的过程中，由于总损耗转换的热量不断产生，电动机温度升高，因而就有了温升，此时的电动机要向周围散热，温升越高，散热越快。当单位时间内电动机发出的热量等于散出的热量时，电动机温度不再增加，而保持一个稳定不变的温升，即处于发热与散热平衡的状态。此过程是温升升高的过程，称为发热。

(2)电动机的冷却过程。对负载运行的电动机，在温升稳定以后，如果使负载减少或使电动机停车，那么电动机内总损耗及单位时间的发热量都将随之减少或不再继续产生。这样就使发热少于散热，破坏了热平衡状态，电动机的温度要下降，温升降低。在降温过程中，随着温升的降低，单位时间的散热量也减少。当达到发热量等于散热量时，电动机不再继续降温，其温升又稳定在一个新的数值上。在停车时，温升将降为零。温升下降的过程称为冷却。

3)电动机的工作制

电动机的发热和冷却情况不但与所拖动的负载有关，而且与负载持续的时间有关。负载持续的时间不同，电动机的发热情况也有所不同。所以，还要对电动机的工作方式进行分析。为了便于电动机的系列生产和供用户选择使用，按国家标准将电动机的工作方式分为以下三类：

(1)连续工作制(恒定负载长期工作制)(即S1工作制)。连续工作制是指电动机工作时间tg很长，大于发热时间常数τ的3～4倍，即tg＞(3～4)τ。一般tg可达几小时、几昼夜甚至更长时间。电动机的温升可以达到稳定温升，所以，该工作制又称长期工作制。电动机所拖动的负载是恒定不变的，如水泵、通风机、造纸机、大型机床的主轴拖动电动机等。

(2)短时工作制(即S2工作制)。短时工作制是指电动机的工作时间较短，即tg＜(3～4)τ，在工作时间内，电动机的温升达不到稳定值；而停歇时间to相当长，即to＞(3～4)τ，在停歇时间里足以使电动机各部分的温升降为零，其温度和周围介质温度相同。电动机在短时工作时，容量往往只受过载能力的限制，因此这类电动机应设计成有较大的过载系数。国家规定的短时工作制的标准时间有15min、30min、60min和90min四种。属于这种工作制的电动机，常见的有水闸闸门、车床的夹紧装置、转炉倾动机构的拖动电动机等。

(3)断续周期工作制(即S3工作制)。断续周期工作制是指电动机的工作与停歇周期性交替进行，但时间都比较短。工作时，tg＜(3～4)τ，温升达不到稳态值；停歇时，to＜(3～4)τ，电动机温升也降不到零。按国家标准规定每个工作与停歇的周期(tg + to)≤10min。断续周期工作制又称为重复短时工作制。电动机经过一个周期时间(tg + to)，温升有所上升。经过若干个周期后，温升在最高温升τmax和最低温升τmin之间波动，达到周期性变化的稳定状态。其最高温升仍低于拖动同样负载连续运行的稳态温升τw。在断续周期工作制中，负载工作时间与整个周期之比称为负载持续率(或称暂载率)FC%，国家标准规定的负载持续率有15%、25%、40%和60%四种。

起重机械、电梯、轧钢机辅助机械、某些自动机床的工作机构等的拖动电动机都属于这种工作制。但许多生产机械周期性断续工作的周期并不相等，这时负载持续率只具有统计性质。由于断续工作制的电动机启动和制动频繁，要求过载能力强，对机械强度的要求也高，所以应用时要特别注意。

2.电动机容量的选择

电动机的容量表明了它所带负载的能力，选择电动机容量的基本原则是在满足拖动要求的条件下，使电动机的容量得到充分利用。电动机的容量能否充分利用，关键在于电动机运行时的温升能否达到绝缘材料所允许的最高温升。如果电动机的容量选大了，不能充分利用电动机的工作能力，效率降低，增加设备投资，运行时浪费较大；容量选小了，会使电动机在运行时温升超过容许温升，缩短电动机的使用寿命，甚至烧毁电动机。而电动机温升的高低主要取决于负载的大小、类型及其工作方式。选择电动机的容量较为繁杂，不仅需要一定的理论分析计算，还需要经过试验校准。所以，在比较简单、无特殊要求、生产数量不多的电力拖动系统中，常采用统计类比法或工程估算的方法选择电动机的额定功率，这样有较大的余量，会造成一定的浪费。批量生产的产品，必须根据拖动系统的工作条件，合理而正确地选用电动机的额定功率。选用电动机的基本步骤是：根据生产机械拖动负载提供的功率负载图PL = f(t)或转矩负载TL

= f(t)，并考虑电动机的过载能力预选一台电动机，然后根据负载图进行发热校验，将校验结果与预选电动机的参数进行比较，若发现预选电动机的容量太大或太小，再重新选择，直到容量得到充分利用，最后再校验过载能力与启动转矩是否满足要求。电动机容量的选择方法有统计法和类比法。前面讨论的选择电动机的方法，是以电动机的发热和冷却理论为基础的，但实际上，由于电动机运转情况有所区别，而所推导的容量选择公式都是在某些限定的条件下得到的，使计算结果存在一定的误差，又由于采用公式运算比较复杂，计算工作量很大，另外在某些特殊情况下，要作出电动机的负载图比较困难，因此，实际选择电动机容量时，往往采用统计法或类比法。

(1)统计法。统计法就是对大量的拖动电动机容量进行统计分析，找出电动机容量与生产机械主要参数之间的关系，得出实用的经验公式的方法。

(2)类比法。类比法是指在调查同类型生产机械所采用的电动机容量的基础上，对主要参数和工作条件进行类比，从而确定新的生产机械所采用的电动机的容量的方法。三、活动小结

在电动机运行过程中，必然产生损耗。损耗的能量在电动机中全部转化为热能，一部分热能被电动机本身吸收，使其内部的各部分温度升高，另一部分热能向周围介质散发。随着损耗的增加，电动机的温度不断上升，散发的热量不断增加。当损耗转化的热能全部散发出去时，电动机的温升稳定。电动机发热和冷却过程的温升都是随时间按指数规律变化的