电动机选择和容量计算.docx
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电动机选择和容量计算
电动机选择和容量计算
电动机选择和容量计算
电动机的选择和容量计算
电动机选择的基本要求（GB__－93,第2.2.1条）：
电动机的工作制、额定功率、堵转转距、最小转距、最大转距，转速及其调节范围等电气和机械参数，应满足电动机所拖动的机械（以下简称机械）在各种运行方式下的要求。
1.电动机的类型选择
电气传动系统由电动机、电源装置和电气传动控制系统三部分组成。
经常使用的电动机类型可以分为：
笼型电动机异步电动机交流电动机绕线型电动机
普通同步机励磁同步电动机无换向器电动机
磁阻电动机永磁并激（他励）串激（串励）
直流电动机复激（复励）永磁直流电动机（小功率）
常用的电动机类型及各类电动机的比较如下：
（1）笼型电动机：
结构简单、耐用、可靠、易维护、价格低、特性硬，但起动和调速性能差，起动时的功率因数低（0.25左右），一般无调速要求的机械应广泛采用。
在变频电源供电的情况下可变频调速。
变极多速电动机，可分级调速，但体积大，价格较贵。
笼型电动机的自然机械特性如图1所示。
图1
常用的表达式为：
M=
2Mcr
SScrScrS
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式中M―电磁转矩（N-m）;
Mcr―临界转矩（N-m）;S―转差率；
Scr―临界转差率。
（2）绕线型电动机：
因有滑环，结构复杂，维修麻烦，价格比较贵。
但由于它的起动力矩大，起动时的功率因数高，且可进行小范围的速度调节，控制设备也简单，故适用于电网容量小，起动次数多的机械，如起重机上的机械设备。
此外，绕线型电动机也用于需要软化特性的机械，如带飞轮的剪断机等。
绕线型电动机的自然机械特性和表达式与笼型机相同。
（3）同步电动机：
恒转速输出，功率因数可调，价格贵，一般只在不需要调速的高电压、大容量的机械上采用，以改善并提高电网的功率因数，如鼓风机、空压机及水泵等设备。
但是，近年来，随着变频技术的发展，高电压、大容量的同步机已广泛用于冷、热轧机的主传动上，其优点是：
a.功率因数高，效率高，因此需要的变频装置的容量小。
b.能有效的抑制电枢反应，承受冲击的能力强和运行稳定性高。
由于转子侧为
直流励磁，有可能使定子和转子间的气隙做大，利于电机制造。
此外，大功率异步机还必须面对转子挠度、轴承精度而引起的定子和转子间的相擦问题，较小的气隙对制造或维修都带来较大困难。
c.同步电动机的转动惯量小，具有较高的动态响应和静态精度。
d.大容量同步机的定子重量和转子重量比异步机轻。
以同步机的定子重量和转
子重量为100%，则异步机的定子重量和转子重量则为116%和109%，因此，同步机外形尺寸小。
但是，同步机多一套励磁系统，控制系统复杂，需增设转子位置检测环节，结构也比异步机复杂。
同步电动机的自然机械特性如图2所示，常用的表达式为：
ns=60f/pMs=
9.56m1u1E0
sin
nsxs
=900时,
Mmax=
9.56m1u1E0
nsxs
式中E0---空载电势（V）；---功角；
Ms---同步转距（N-m）；xs---同步电抗（）；m1---相数；
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u1---相电压（V）。
（4）直流电动机：
他激电动机的调速性能好、范围宽，适用于各种负载特性的需要，
但比交流电动机的价格贵、维护复杂，且需要直流电源，因此，只在技术经济合理的条件下方可使用。
串激电动机的的特点是起动力矩大、过载能力强、特性软，适用于
牵引机械上。
复激电动机的起动转矩和过载能力均比并励电动机大，但调速范围
小。
接成积复激时，适用于起动转矩大，负载具有强烈变化的设备。
直流电动机的自然机械特性如图3所示，常用的表达式有：
E=KenM=KMIKM=
Ke
1.03
u-E=IR
式中E---反电动势（V）；Ke---电动机电势常数；---磁通（Wb）；n---电动机转速（r/min）；M---电动机转矩（N-m）；KM---电动机转矩常数；
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u---电枢电压（V）；I---电枢电流（A）；R---电枢电阻（）。
因此，电动机的类型选择，应符合下列规定（GB__-93第2.2.2条）：
（1）机械对起动、调速及制动无特殊要求时，应采用笼型电动机，但功率较大且连续
工作的机械，当技术经济上合理时，宜采用同步电动机；
（2）符合下列情况之一时，宜采用绕线式电动机：
a.重载起动的机械，选用笼型电动机不能满足起动要求或加大功率不合理时；b.调速范围不大的机械，且低速运行时间较短时。
（3）机械对起动、调速及制动有特殊要求时，电动机的类型及其调速方式应根据技术
经济比较确定。
在交流电动机不能满足机械要求的特性时，宜采用直流电动机。
交流电源消失后必须工作的应急机组，亦可采用直流电动机。
变负载运行的风机和泵类机械，当技术经济上合理时，应采用调速装置，并应选
用相应类型的电动机。
2.电动机工作制选择
电动机工作制是电机承受负载情况的说明，包括起动、运行、电制动、空载、断能停转以及这些阶段的持续时间和先后顺序。
电动机工作制的类型分为S1~S9，见表1。
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表1序号工作制类别定义示意图
1
连续工作制S1
在恒定负载下连续运行至热稳定状态
2
短时工作制S2
在恒定负载下按给定的时间运行未达到热稳定状态时即停机和断能一段时间，使电机再度冷却到冷却介质温度之差在2K以内
3
断
续周期工作制S3
按一系列相同的工作周期运行，每一周期由一段恒定运行时间及一段停机和断能时间所组成，但这些时间较短，均不足以使电机达到热稳定状态，且每一周期的起动电流对温升无明显的影响FC=（N/N+R）100%
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包括起动的断续周期工作制S44
按一系列相同的工作周期运行，每一周期由一段起动时间、一段恒定负载运行时间及一段停机和断能时间所组成，但这些时间较短，均不足以使电机达到热稳定状态FC=（D+N/D+N+R）100%
包括电制动的断续周期工作制S55
按一系列相同的工作周期运行，每一周期由一段起动时间、一段恒定负载运行时间，一段快速电制动时间、一段停机和断能时间所组成，但这些时间较短，均不足以使电动机达到热稳定状态FC=（D+N+F/D+N+F+R）100%
6
连续周期工作制S6
按一系列相同的工作周期运行，每一周期由一段恒定负载运行时间和一段空载运行时间所组成，但这些时间较短，均不足以使电动机达到热稳定状态FC=（N/N+V）100%
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包括电制动的连续周期工作制S77
按一系列相同的工作周期运行，每一周期由一段起动时间、一段恒定负载运行时间和一段电制动时间所组成，但这些时间较短，均不足以使电机达到热稳定状态FC=1
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8
包括负载与转速相应变化的连续周期工作制S8
按一系列相同的工作周期运行，每一周期由一段加速时间，一段按预定转速的恒定负载运行时间及再按一个或几个不同转速的其他恒定负载运行时间所组成，但这些时间较短，均不足以使电机达到热稳定状态FC1=[（D+N1）/（D+N1+F1+N2+F2+N3）]X100%FC2=[（F1+N2）/（D+N1+F1+N2+F2+N3）]X100%FC3=[（F2+N3）/（D+N1+F1+N2+F2+N3）]X100%
S9
包括负载与转速变化无关的断续周期工作制S9
注
FC――负载持续率：
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N、N1、N2、N3――在额定条件下运行的时间：
max――在工作周期中达到的最高温度：
R――停机和断能时间：
D――起动（或加速）时间：
F、F1、F2――电制动时间。
在表1中，工作制S1可以按电动机铭牌给出的连续定额长期运行。
对于工作制S2，电动机应在一定状态下起动，并在规定的时间内运行。
短时定额时限一般有10、30、60min或90min,，具体视电机而定。
例如YZ、YZR系列电动机短时工作制S2（30min）的技术数据除YZ160L-6型外，均与S3的FC=25%相同，。
YZ160L-6型的S2（30min）的技术数据则与S3的FC=15%相同。
S2（60min）的技术数据则与S3的FC=40%相同。
对于S3和S6，每一个工作周期为10min，小时等效起动次数为6次/时，其暂载率FC有15%、25%、40%、60%及100%。
对于S4及S5工作制，YZR系列电动机的小时等效起动次数有150次/时、300次/时及600次/时三种，暂载率FC有25%、40%、及60%。
由于负载的工作状态不同，电动机额定功率的选择，应符合下列规定（GB__-93第2.2.3条）：
（1）连续工作负载平稳的机械应采用最大连续定额的电动机，其额定功率应按机械
的轴端功率选择。
当机械为重载起动时，笼型电动机和同步电动机的额定功率应按起动条件校验；对同步电动机，尚应校验其牵入转矩。
（2）短时工作的机械应采用短时定额的电动机，其额定功率应按机械的轴功率选择；
当无合适规格的短时定额电动机时，可按允许过载转矩选用周期工作定额的电动机。
（3）断续周期工作的机械应采用相应的周期工作定额的电动机，其额定功率宜根据
制造厂提供的不同负载持续率和不同起动次数下的允许输出功率选择，亦可按典型周期的等值负载换算为额定负载持续率选择，并应按允许过载转矩校验。
（4）连续工作负载周期变化的机械应采用相应的周期工作定额的电动机，其额定功
率宜根据制造厂提供的数据选择，亦可按等值电流法或等值转矩法选择，并应按允许过载转矩校验。
（5）选择电动机额定功率时，根据机械的类型和重要性，应计入适当的储备系数。
（6）当电动机使用地点的海拔和冷却介质温度与规定的工作条件不同时，其额定功
率应按制造厂的资料予以校正。
3.电动机的容量计算和选择
3.1负载平稳的连续工作制电动机（S1）
（1）按轴功率确定电动机的额定功率
PNP1
M1nN
（KW）9550
式中M1――负载转矩（N-m）；nN――负载转速（r/min）。
例如：
风机电动机的功率：
P
KQH
（KW）
102c
电动机选择和容量计算
式中P――电动机功率（KW）；Q――风量（m3/S）；H――空气压力（K/O）；
c――传动效率，直接传动时c=1；
――风机效率，约0.4～0.75；
K――裕量系数，电机容量大于5kw时，K=1.1~1.5。
离心泵电动机的功率：
p
KrQ（HH）
X103（KW）
102c
式中r――液体密度（t/O）;Q――泵出水量（m3／s）；H――水头（m）;
H――主管损失水头（m）；
――水泵效率=0.6~0.84；
c――传动效率，直接连接时c=1。
恒转矩负载且需在基速以上调速时，如直流电动机和变频调速电动机，其额定容量
应按最高工作转速计算：
PNP1
M1nmax
（KW）
9550
（2）按起动时的最小转矩和允许的最大飞轮力矩校验笼型电动机和同步电动机的功率
对于起动力矩较大且带有较大飞轮矩的负载，如球磨机等，若采用笼型机或同步机时需进行此项校验，目的是保证机械顺利起动，并在起动过程中，电机不致过热。
电动机最小起动力矩：
Mmmin
M1.maxKs
Ku
2
式中M1.max――可能出现的最大负荷力矩；KS――加速力矩系数KS=1.15~1.25；Ku――电压波动系数Ku=0.85。
允许的最大飞轮矩:
电动机在起动时,允许传动机械的最大飞轮矩为GD2xm,GD2xm值可由电机样本资料中查得,如传动机械的实际飞轮矩GD2m小于电动机允许的最大飞轮矩时,则电动机按起动条件校验可以通过。
3.2周期波动负载连续工作制电动机（S6）
（1）等效电流法（如图4所示）
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22
:
II1t1I2tM.rms=
2
t
1t2
如负载电流为梯形时的等效电流（如图5所示）:
2
2
II1I1I2I2
M.rms
3
如负载电流为三角形时的等效电流（如图6所示）:
I2
2
M.rms
I3
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任意一个周期波动的负载,可以等效为梯形波或三角波,进行等效电流计算（如图7所示）:
IM.rms
I1t1I2t2I3t3I4t4
t1t2t3t4
2222
（2）等效转矩法:
与等效电流法相同。
MM.rms
M1t1M2t2...Mntn
t1t2...tn
222
上述方法适用于磁通恒定的直流电动机、稳速工作的笼型机和绕线型电机以及同步机,但不适用于串激直流电动机及弱磁调速的直流电动机。
对弱磁调速的直流电动机应按下式进行修正:
MM.rms=M1.
nmaxnN
（3）校验过载转矩
不带飞轮的异步机或同步机,除按发热选择电动机额定功率外,尚应根据最大负荷M1.max校验电动机的过载能力。
M1..maxk1ku2MN
式中λ―电机的过载倍数;k1―可靠系数,取0.9;
ku―电压降低系数,异步机ku=0.85,同步机ku=0.85。
3.3短时工作制电动机（S2）
额定功率应按机械的轴功率选择短时定额的电动机。
当无合适规格的短时定额电动机时,可按允许过载转矩选用周期工作定额的电动机。
若短时工作制电动机按过载能力选择容量时,还应按短时发热校验电动机。
（1）按过载能力选择
0.75λPNP1..max即PN
P1.max0.75
式中PN―电动机额定功率（kw）;λ―电动机过载能力;0.75―可靠系数;
P1.max―短时最大负载功率（kw）。
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（2）按短时发热校验电动机
接电时间短且容量较大的电动机,可以只按过载能力选择。
接电时间长（如30min以上）且容量较小时,还应校验短时发热,以保证在接电时间内不超过额定温升。
按上式,预选电动机的额定损耗为:
PN=PN（
1N
N
）
电动机短时负荷为PX时的损耗为:
PX=PX（
1X
X
）
μX―短时负荷时的效率。
求温度过载系数:
p=
PX
PN
按图8曲线或按下式求
txu
p
ln
Tp1
T为电动机的温升时间常数,可由表2查得。
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则txu=Tln
pp1
若满足下式,则电机按短时发热可以通过:
txutx
式中tx―短时负载PX的实际接电时间（min）。
若txutx,则表明电机过热。
3.4反复短时工作制电动机（S3、S4、S5―S7、S8、S9）
对于S3~S5、S9断续周期工作制,应尽量选用断续定额电动机（如YZ,YZR,ZZJ系列）,所选用的负载暂载率额定值FCN应尽量接近实际工作条件下的FC值。
在各种反复短时工作制中,当实际工作的暂载率FC大于60%时,应采用强迫通风或选用连续定额电动机。
S7,S8应选用连续定额电动机,否则采用断续周期定额电动机,强迫通风。
容量计算均可采用等效电流法（或等效力矩法）,亦可采用平均损耗法等其它方法进行计算.但等效电流法（或等效力矩法）计算简便,较多采用。
（1）等效电流法或等效转矩法：
选用断续定额电动机时（如图9所示）：
电动机选择和容量计算
Irms
I1t1I2t2I3t3
a（T1T3）t2
2
2
2
222
Mrms
M1t1M2t2M3t3
a（t1t3）t2
2
2
2
选用连续定额电动机时（如图10所示）：
Irms
ItI2t2I3t3
11
a（t1t3）t2t4
2
2
2
Mrmsa
M1t1M2t2M3t3
a（t1t3）t2t4
1
――、起动、制动时的通风恶化系数；2
――电动机停止工作时的通风恶化系数，见表3。
电动机的计算容量为：
Px
MrmsnN
（KW）975
值表3
当电动机选用断续周期定额电动机时，暂载率计算如下：
电动机选择和容量计算
实际暂载率FCx
t1t2t3
t1t2t3t4
所选电动机的额定暂载率应为FCNFCx，越接近越好，否则应将实际容量折算至电动机额定暂载率时的等值容量：
PNPX
FCX
FCN
2
电动机初选容量确定后，应按下式校验电机的最大转矩：
M1.maxK1Ku
MN
2
式中――过载倍数；
Ku――电压降低系数0.85；K1――可靠系数0.9。
最后还需要根据小时工作次数来选定电动机的规格，即选用电动机时，各种起动及制动状态均需按等效发热折算成每小时等效全起动次数，并以该等效全起动次数确定电动机的定额。
电机每小时等效全起动次数有150、300及600次/时三种，折算的方法为：
a、点动（最终速度不超过额定速度的25％）相当于0.25次全起动；b、电制动（制动到额定转速的1/3）一次相当于0.8次全起动；c、电制动至全速反转相当于1.8次全起动。
折算示例见表4。
2
（平均损耗法是以每个工作周期中的平均总损耗来表征电动机的温升来进行发热校验的。
即以每个工作周期的平均总损耗与某一电动机在某一额定暂载率FCN下的额定损耗相比较来校验电动机的容量。
这种方法计算准确，但十分繁琐，特别是难以收集到电动机在各种FCN的额定损耗资料，所以不常使用。
其方法可详见76年手册下册P174页。
（3）允许小时接电次数法
适用于经常起动、制动反复短时工作的笼型电动机。
考虑电动机在一个工作周期中的发热量和散热量相等（即相互平衡）的原则，确定允许的小时接电次数，其表达式为：
电动机选择和容量计算
Zxu
B
Zs（次/h）
CD
式中：
Zxu――允许小时接电次数；Zs――实际小时接电次数。
有关上式的详细计算见76年手册下册P180页。
由于计算比较繁琐，实际工作中很少采用。
（4）按电动机允许的动态时间常数选择电动机
经常工作在起动、制动状态的辊道用的笼型电动机适合采用此法（如500mm开坯机剪后单独传动辊道）。
电动机的实际动态常数Ds为：
222
Dsm11GD1m22GD2m33GD3
式中m1、m2、m3――为起动、能耗制动、反接制动次数/时；1、2、3――为起动、能耗制动、反接制动工作制系数；
GD1、GD2、GD3――起动、能耗制动、反接制动时的的总飞轮矩（N-m）。
2
2
2
2
电机厂提供电动机标准暂载率的动态时间常数，实际暂载率FCS不同于标准暂载率FC1或FC2时，应进行换算，允许的动态常数Dxu可由两个标准暂载率FC1、FC2的允许动态常数D1和D2求得：
DxuabFCs
式中FCS――实际暂载率；a
D1FC2D2FC1
；
FC2FC1D1D2
；
FC2FC1
b
D1、D2、FC1及FC2可由电机厂提供的资料中查得，若DxuDs时，电动机按发热校验通过。
3.5.电动机容量修正
（1）当环境温度ts和额定环境温度tN（如40℃）不同时，电动机的功率PN应修正为：
P=XPN
式中PN―额定环境温度时的额定功率（KW）；X―修正系数X
N
N
（r1）；
电动机选择和容量计算
式中―环境温度改变值℃；
N―额定环境温度tN时的电机额定温升℃；
―电动机的固定损耗和额定可变损耗之比，可查表；
“+”―环境低于额定环境温度；“―”―环境高于额定环境温度。
由设备资料可知，当环境温度低于tN时，电机容量不做修正，当环境温度高于额定温度时，按上式修改。
当环境温度高于额定值10℃时，电机容量降低值由电机厂确定。
（2）海拔高度和冷却介度温度与规定的工作条件不同时，其额定功率按制造厂规定修改。
经验数据是海拔超过1000M，每升高100M,容量降低1%。
4.电动机的电压选择
规程GB__-93第2.2.4条规定：
电动机的额定电压应根据其额定功率和所在系统的配电电压选定，必要时应根据技术经济比较确定。
设计中，电动机的容量大于200KW或250KW时，通常采用高压电动机，电网电压为10KV时，选用10KV电动机；电网电压为6KV时,选用6KV的电动机。
5.电动机防护等级、结构及安装型式选择
规程GB__-93第2.2.5条规定：
电动机的防护型式应符合安装场所的环境条件。
规程GB__-93第2.2.6条规定：
电动机的结构及安装型式应与机械相适应。
6.电动机的绝缘等级及允许温度选择
（1）环境温度在40℃以下且在正常环境工作时，可选用A级、E级的电动机，热带环境宜选
用E级。
（2）环境温度在40℃以上，如冶金车间生产线上的电动机宜选用F级或B级。
（3）只有在环境温度高、环境恶劣、才选用H级。
绝缘等级与40℃时的允许温升见表6。
7.电动机的转速选择
（1）对于不需要调速的高转速或中转速的机械,如风机、水泵等，一般应选用相应转速的异步
电动机或同步电动机。
（2）不需要调速的低转速机械如球磨机、轧机辅传动等，一般选用适当转速的电动机并通过
减速机来传动。
对于大功率电动机的转速不宜过高，因为制造速比大的减速机比较困难。
（3）对于需要调速的机械，如轧钢机等，电动机的最高转速宜留有10%~15%的裕量。
对于恒功率负载且需大幅度调速的机械、如卷取机等，应适当选择减速机的传动比和电动机的基速，尽可能使电动机工作在基速附近或基速以上运行。
（4）对转速低，反复短时工作的机械，如轧机主传动，在可能条件下，宜采用无减速机直接传动，以提高效率，减少能耗，并提高传动系统的动态性能。
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