电气工程基础第四章.docx
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电气工程基础第四章
4电力拖动系统中电动机的选择
电力拖动系统电动机的选择，主要是确定电动机的功率和工作方式，同时还要确定电动机的电流种类、型式、额定电压和额定转速。
选择电动机的原则，除了应满足生产机械负载特性之外，从经济上看也应是最合理的，为此必须正确决定电动机的功率。
在决定电动机功率时，要考虑电动机的发热、过载能力和启动能力三方面的因素，其中一般以发热问题最为重要。
本章要求在了解电动机的发热与冷却规律的基础上，重点掌握电动机容量的选择，并熟悉电动机种类、电压、转速和结构形式的选择原则。
4.1选择电动机的一般原则
电动机是生产机械最基本、最常用的动力源之一。
电动机的性能直接关系到电力拖动系统乃至整个生产机械的可靠性、经济性和生产效率。
因此电动机的选择一直是电力拖动系统设计的重要内容。
电动机的选择包括：
（1）根据生产机械的工作情况确定电动机的技术经济要求，选择电动机的种类；
（2）根据电动机的安装位置和环境条件，选择电动机的结构型式和防护型式；
（3）根据电源条件及控制装置要求，选择电动机额定电压；
（4）根据与生产机械的配合及其它技术经济要求，选择电动机的额定转速；
（5）根据生产机械的性质、功率，选择电动机的容量。
下面从两大方面阐述选择电动机的基本原则。
4．1．1电动机的种类、电压、转速和结构型式的选择
1．电动机种类的选择
电动机种类选择的基本依据是在满足生产机械对拖动系统静态和动态特性要求的前提下，力求结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。
（1）对于不要求调速、对启动性能亦无过高要求的电力拖动系统，应首先考虑使用价格便宜、结构简单、维护方便的鼠笼式异步电动机（如YL型、JS型、Y系列等），如机床、水泵、通风机等生产机械；若要求启动转矩较大，则可选用高启动转矩的鼠笼式异步电动机（如JS2-1XX型，JQ2和JQO2系列等），如某些纺织机械、压缩机及皮带运输机等；对长期工作、容量较大又不需调速的电力拖动系统，如空压机、球磨机等，可选用同步电动机，以改善电源功率因素。
（2）对于要求经常启、制动，且超负载转矩较大、又有一定调速要求的生产机械，应考虑选用线绕式异步电动机（如YR（JRZ），JR，JR2型等）；对于周期性波动负载的生产机械，为了削平尖峰负载，一般都采用电动机带飞轮工作，这种情况下也应选用线绕式异步电动机。
（3）对只需要几种速度，而不要求无级调速的生产机械，为了简化变速机构，可选用多速异步电动机（如JD2，JDQ2，JDO3系列小型多速异步电动机），如电梯及某些机床等。
（4）对要求恒速稳定运行的生产机械，且需要补偿电网功率因数，应优先考虑选用同步电动机（如TD型等）。
（5）对需要大的启动转矩，又要求恒功率调速的生产机械，常选用直流串励或复励电动机。
（6）对要求大范围无级调速，且要求经常启动、制动、正反转的生产机械，则可选用带调速装置的直流电动机或鼠笼式异步电动机。
随着晶闸管变频调速及晶闸管调压调速等新技术的不断发展，笼式电动机将大量应用在要求无级调速的生产机械上。
线绕式异步电动机能限制启动电流并提高启动转矩，目前多用于起重机及矿井提升机等生产机械上，用转子电路串联电阻启动与调速，调速范围很有限。
晶闸管串级调速的发展，大大扩展了线绕式异步电动机的应用范围。
随着交流调速系统的不断改进，滑差电动机和交流换向器电动机将逐步被淘汰；交流无换向器电动机的发展，使交流同步电动机的应用范围大为扩大；国外交流电动机单机功率已达到几kW以上，并能做成高压电动机，实现高速拖动，而直流电动机则达不到这些要求。
随着计算机技术、电力电子器件和变流技术的发展，目前交流电动机在调速性能方面已可与直流电动机媲美，并有取代后者之势。
对要求调速范围很宽的生产机械，最好从机械变速和电气调速二者结合起来考虑，易于收到技术和经济指标较高的效果。
典型生产机械选用电动机的实例，可参见表4．1
表4．1典型生产机械选用电动机的实例
电动机种类
机械特性
优点
缺点
典型机械的例子
交
流
电
动
机
鼠笼式异步
硬
结构简单、体积小、廉价、运行可、维护使用方便
调速装置较复杂、较贵
泵、通风及、运输机、机床的辅助运行机构、小型机床的主转动等
线绕式异步
硬
启动性能好、可在小的范围内调速
机构较复杂、较贵
起重机、电梯、大中型卷扬机、锻压机等
同步
绝对硬
恒速、能改善电网功率因数
机构复杂、价贵，调速较复杂，操作较烦
大中型鼓风机、泵、压缩机、连续式轧钢机、球磨机等
直
流
电
动
机
他励
并励
硬
（电枢串电阻后变软）
调速平滑、范围宽、启动转矩大
需要直流电源，结构复、价贵，可靠性较差
大型机床（如车、铣、刨、磨、镗），可逆轧钢机、造纸机印刷机等
串励
复励
软
较软
启动转矩大、负载变化时能自动调节转速
同上
电车、电动机车、起重机、卷扬机、剪床冲床等
2．电动机电压等级的选择
交流电动机额定电压的选择主要根据电动机运行场所供电电网的电压等级而定。
我国工厂内的交流供电电压，低压一般为380V，高压一般为3kV或6kV。
中等功率以下的交流电动机，额定电压一般为380V，100kW以上大功率交流电动机额定电压一般为3kV或6kV。
鼠笼式异步电动机的额定电压有两种：
220/380V，/Y接法；380V，接法。
若采用Y——降压启动，就必须选用380V，接法的电动机。
直流电动机一般由单独电源供电，选择电动机额定电压时只需考虑供电电源电压配合恰当即可。
直流电动机额定电压一般为110V，220V和440V，最常用的电压等级为220V。
当交流电源为380V时，若采用无整流变压器的三相桥式可控整流电路供电，则直流电动机的额定电压为440V；若采用无整流变压器的三相半波可控整流电路供电，则直流电动机的额定电压应选220V；若采用无整流变压器的单相整流电路供电，则可选用改型的Z3型、额定电压为160V的直流电动机，此外，改型的Z3型电动机，还增设了配合三相桥式整流电路的440V电压等级。
Z2型电动机也增加了180V、340V、440V等几种电压等级。
国外还专门为大功率晶闸管整流装置设计了1200V的直流电动机。
３．电动机额定转速的选择
型式、功率和电压相同的电动机，额定转速有几种。
应该选择哪一种为好呢？
在同样的功率下，转速较高的电动机转矩较小，而转矩取决于电流和磁通，电流和磁通又大体上决定了电动机所用导线和导磁材料的重量，所以转速高的电动机体积小，价格便宜，而且效率也高，转速较高的异步电动机还具有较好的功率因数，因此，选用高速电动机比较合适；但是，如果生产机械的运行速度很低，而电动机转速很高，就要增加一套庞大而昂贵的减速传动装置，机械效率也会降低。
所以，选择电动机额定转速时要全面进行考虑。
一般来说：
（1）对不需要调速的高转速与中转速运转的机械，一般是选用相应额定转速的异步电动机或同步电动机，直接与机械相连接。
（2）对不需要调速的低速运转的机械，一般是选用适当转速的电动机通过减速机构来传动，但电动机额定转速也不宜太高，否则减速机构会很庞大。
（3）对需要调速的机械，电动机的最高转速应与生产机械的最高转速相适应，采用直接传动或减速机构来传动。
（4）对经常启动、制动和反转的生产机械，要着重考虑缩短过渡过程，减少启、制动时间，提高生产率。
而决定启、制动时间的主要因素是电动机的飞轮转矩和额定转速，即
，所以欲使生产机械的生产率最高，则应根据最小
的数值来选择电动机的额定转速。
4．电动机结构型式的选择
生产机械安装的位置和场所各不相同，电动机的工作环境就不一样。
在多数情况下电动机工作的周围大气中含有不同份量的灰尘和水分，有的还含有腐蚀性气体甚至含有易爆炸的混合物，有的电动机还处在水下工作。
灰尘会使电动机绕组很快玷污，散热条件恶化；水分、瓦斯、酸性、水蒸气等会使电动机的绝缘材料性能变差甚至完全失去绝缘能力；易爆炸的混合物与电动机内产生的火花接触时将有发生爆炸的危险。
为了保证电动机能在这样或那样环境中安全运行，外壳的结构就有多种型式，要根据实际环境条件加以选择：
（1）开启式：
开启式电动机定子两侧和端盖上有很大的通风口，具有良好的散热条件，价格便宜，但灰尘，水滴或铁屑容易侵入电动机内部而影响电动机的正常工作寿命，如
型电梯用直流电动机。
仅适用于干燥和清洁的工作环境。
（2）防护式：
防护式电动机的通风孔在机壳下部，通风冷却条件较好，可防止水滴、铁屑等杂物从垂直方向或小于
角的方向落入电动机内部，但不能防止灰尘和潮气侵入，是目前工业上广泛应用的一种型式，如Y，YR，YQ，Z，Z2等系列。
适用于比较干燥、灰尘不多、无腐蚀性和爆炸性气体的场所。
（3）封闭式：
封闭式电动机又分自冷式、强迫通风式与密闭式三种。
前两种型式的电动机，潮气和灰尘等不易进入电动机内部，能防止从任何方向飞溅来的水滴和其它物体侵入，如
型。
适用于尘土多、潮湿、易引起火灾和有腐蚀性气体的地方，如纺织厂、碾米厂、水泥厂等；密闭式电动机可以防止一定压力水柱的冲击，如ZO2C型船用直流电动机与JQS，JQB型潜水异步电泵。
适用于在液体中工作的生产机械，如电动潜水泵。
（4）防爆式：
防爆式电动机是在封闭式结构基础上制成的隔爆型，如JB3，JBR系列。
适用于有易燃、易爆气体的场所，如油库、煤气站及矿井等。
4．1．2电动机容量选择的原则
在电力拖动系统中选择一台合适的电动机是极为重要的。
电动机的选择主要是容量的选择，如果电动机的容量选小了，一方面不能充分发挥机械设备的能力，使生产效率降低；另一方面电动机经常在过载下运行，会使它过早损坏，同时还可能出现启动困难、经受不起冲击负载等故障。
如果电动机的容量选大了，则不仅使设备投资费用增加，而且由于电动机经常在轻载下运行，使运行效率和功率因数（对异步电动机而言）都会下降。
选择电动机容量应根据以下三项基本原则进行：
发热：
电动机的发热是在实现能量转过程中，电机内部损耗引起的。
发热使电动机内部各元件承受较高的温度。
电动机主要是由铁、铜、绝缘材料三种材料构成的，这其中以绝缘材料耐热性能最差，因此绝缘材料的耐热程度就成了确定电动机容量决定因素。
各种不同的绝缘材料有不同的绝缘材料允许工作温度。
我国按最高允许工作温度不同将绝缘材料分成5个等级。
常用的绝缘材料列于表4-2。
电动机在运行时，如不超过绝缘材料允许的最高温度，其寿命较高，一般在20年以上；如果超过绝缘材料允许的最高温度，绝缘材料将老化、变脆，损害电机寿命。
以A级材料为例，当实际工作温度超过最高允许温度8℃时，绝缘材料的寿命将缩短一半。
如果实际工作温度比最高允许温度高许多，绝缘材料会碳化、冒烟，甚至烧毁电机。
因此，电动机在运行时，必须保证电动机的实际最高工作温度max等于或略小于电动机绝缘材料允许的最高工作温度a，即：
maxa4-1
绝缘材料的最高允许温度是在铭牌中通过允许温度给出的。
温升是电机实际温度W与环境温度0的差值，即：
=W-04-2
绝缘材料的最高允许温度a与标准环境温度ON的差值为电动机的最高允许温升m：
m=a-ON4-3
我国标准规定，ON=40℃。
这样，式4-1可表示为从上面的分析可见，绝缘材料的最高允许温度（温升）是一台电动机带负载能力的限度，电动机的额定功率就代表了这种限度。
国标规定，电动机铭牌所标的额定功率是指在环境温度为40℃，电动机带额定负载，长期连续工作，稳定温度达到绝缘材料的最高允许温度时的输出功率。
目前，电机广泛采用最高允许温度较高的F、H级绝缘，显然，在同样的输出功率下，可减小电动机的体积与重量。
表4-2常用绝缘材料
等级
绝缘材料
最高允许温度（℃）
最高允许温升（℃）
A
经过浸渍处理的棉、丝、纸及沥青、酚醛、清漆、油溶性漆包线等
105
65
E
环氧树脂、聚酯薄膜、青壳纸及高强度漆包线
120
80
B
含有胶合物的石棉、云母、玻璃纤维制成材料
130
90
F
用耐热优良的环氧树脂粘合或浸渍的石棉、云母、玻璃纤维组合物
155
115
H
硅有机漆、硅橡胶及硅有机树脂浸渍的石棉、云母、玻璃纤维组合物
180
140
过载能力：
电动机的过载能力是指电动机承受短时大负载的能力，这种短时大负载一般不会对电机发热造成大的影响，但却危及电机的稳定运行。
由于电动机的热惯性很大，电动机在短期内承受高于额定功率若干倍的负载功率时仍可保证
，故此时，决定电动机容量的主要因素不是发热而是电动机的过载能力。
即所选电动机的最大转矩Tmax（对于异步电动机）或最大允许电流Imax（对于直流电动机）必须大于运行过程中可能出现的最大负载转矩TLmax和最大负载电流ILmax，即：
4-5
考虑到电网电压波动的影响，式中
一般取为
为产品目录上规定的
），
一般取1.5~2.0，对于专用起重、轧钢电动机
=2.5~3.0。
启动能力：
对直流电动机和线绕式异步电动机不存在启动能力校验问题。
由于鼠笼式异步电动机的启动转矩一般较小，所以为使电动机能可靠启动，必须：
，式中
4-6
选择电动机容量的方法一般有计算法，统计分析法和类比法。
4.2电动机的发热与冷却及工作制分类
电动机是由多种金属（铜、铝、铁、硅钢片）和绝缘材料等组成，它在运行时，不断地把电能转变成机械能，在能量的变换过程中必然有能量损耗。
这些损耗大多以热能的形式释放出来，除了一部分热量散发到周围环境中去之外，余下的部分使电动机本身的温度升高。
而当电动机停止工作时，没有热量散发，电动机本身的温度要降低。
由于电动机绝缘材料的最高允许温度是电动机负载能力的限度，因此，研究电动机发热与冷却过程的基本规律是非常重要的。
4．2．1电动机的发热过程
电动机是由多种金属（铜、铝、铁、硅钢片）和绝缘材料等组成，它们的热力学特性各不相同，因此要仔细分析电动机的发热过程是很困难的，为使分析简化，特作如下假设：
（1）任何时刻，电动机均视为内部各点温度相同的均匀体，其热量可用一个系数表示；
（2）电动机散发到周围介质中的热量与温升成正比；
（3）电动机长时连续工作，负载不变；
电动机发热是由于工作时，在其内部损耗P造成的，其值为：
=P=P1-P2=P2（1/-1）4-7
（1）
=P=P1-P2=P1（1-）4-7
（2）
=P=p0+pcu4-7（3）
式中：
——热流量（电动机单位时间内发出的热量，J/SorW）;
P1、P2——电动机的输入功率及轴上的输出功率（W）；
——电动机效率；
p0——不变损耗（空载损耗），包括铁耗与机械损耗，它们仅与转速有关而与负载大小无关；
pcu——可变损耗（铜耗），它随负载变化而变化，与负载电流的平方成正比；
在时间dt内，电动机所发出的热量dt有两个去向，一部分Cd被电动机吸收，使电动机的温度升高d（C为电动机的热容，即为使电动机温升1C所需的热量，单位为J/K），另一部分是向周围介质散发的热量Sdt或Adt，A=S为电动机的散热系数，即电动机与周围介质温差1C，单位时间内电动机向周围介质散发的热量，单位为W/K；S为散热表面积，单位为m2；为传热系数，即温升1C时，每秒中从每平方米的面积上散发的热量，单位为W/（m2K）。
这样可以列出热平衡方程式：
dt=Cd+Adt4-8
整理得到：
4-9
其中：
T=C/A，/A=W；
其解为：
4-10
Q——发热过程的起始温升。
显然，如果发热过程从Q=0开始，则式4-10变为：
4-11
由此绘出两条曲线如图4-1所示，可见温升安指数规律变化，最终趋向于稳定温升W。
由温升曲线可知，发热过程开始时，电动机与四周介质的温度
（规定取
=40C）之差很小，而热量的发散是随温度差递增的，所以这时只有少量的热量被散发出去，大部分热量都被电动机吸收，因而温升增长较快；随着电动机温度的逐渐升高，它和周围介质的温差也相应地加大，发散出去的热量逐渐增加，而电动机发出的热量由于负载不变而维持不变，被电动机吸收的热量则逐渐减少，温升曲线趋于平缓；当温度升高到一定数值时，电动机在一秒内发散出去的热量正好等于电动机在一秒内由于损耗所产生的热量，这时电动机不再吸收热量，因此温度不再升高，温升趋于稳定，达到最高温升，即稳定温升W。
我们把式4-9中的T称为发热时间常数，表示电动机温升变化快慢程度，是一个表征热惯性的时间常数，单位为s，与反映机械惯性及电磁惯性的时间常数相比，发热时间常数是很大的，它以几十分钟甚至几小时计。
T的大小与电动机构造尺寸以及散热条件有关，电动机的体积愈大，一般发热时间常数也愈大，这是因为，热容C与电动机体积（重量）成正比，而散热系数则与电动机的外表面积成正比。
由式4-10可见，当t=时，=W=/A，即温升过程终了时，温升不再升高，趋于稳定温升W。
此时d=0，由式4-8可见：
dt=AWdt，显然，此时电动机在时间dt内发出的热量全部向周围的介质散发掉，电动机不再吸收热量，其温升自然也不再升高了。
因此只要稳定温升W控制在绝缘材料允许的最高温升m以内，电动机连续工作也不会发热。
电动机的最高允许温升m可表示为：
4-12
式中PN及N——电动机在额定功率下运行时的损耗功率及热流量。
电动机在运行中只要电动机发出的热量N或PPN，电动机温升就不会超过允许值。
在式4-12中，如果用PN=PN（1/N-1）代入，并稍加整理得到：
4-13
由式4-13可见，同样尺寸的电动机，欲使其额定功率PN提高，可由下列三方面入手：
（1）提高额定效率N，即相当于采取措施降低电动机损耗；
（2）提高散热系数A，用加大空气流通速度与散热表面积可使散热加快，因此电动机中广泛采用风扇（自带风扇的自扇冷式及另外配备通风机的他扇冷式）和带散热筋的机壳，在结构形式上，同样尺寸的开启式电动机，其额定功率比封闭式的大，因前者的散热条件较好，其散热系数比后者的好；
（3）提高绝缘材料的允许温升m，这可从采用等级较高的绝缘材料来达到要求。
4．2．2电动机的冷却过程
当电动机负载减小，使损耗减小或电动机断电停止工作时，电动机发热减少或停止，其温升开始下降，或电动机自电网断开，不再工作，电动机的损耗功率P或热流量变为零时，即发生电动机冷却过程。
电动机冷却过程的温升曲线变化规律方程式的形式与式4-8相同，其中Q为冷却开始时的温升，而w为降低负载后的P或所决定的稳定温升，显然，w当电动机自电网断开时，P==0，则w=0，式4-10变为：
4-14
在图4-2中，用曲线2表示电动机脱离电源的冷却过程=f（t）曲线。
必须注意，电动机脱离电网时的冷却时间常数T’与电动机通电时的时间常数T不同。
这是因为，电动机由电网断开后，电动机停转，在采用自扇冷式的电动机上，风扇不转，扇热系数下降为A’，使时间常数增大为T’=C/A’,T’可达2~3T。
在采用他扇冷式时，则T’=T。
由图4-2可见，在电动机冷却时，发热减少或没有了，原来储存在电动机中的热量逐渐散出，使电动机温升下降。
冷却开始时，电动机的温升大，散热量大，温升下降快；随着温升的不断下降，散热量愈来愈小，温升下降变得平缓，最后趋于w或w=0。
4．2．3电动机工作制的分类
由于电动机的温升和冷却都有一个过程，其温升不仅取决于负载的大小，而且也和负载的持续时间有关，也就是与电动机的运行方式有关，或者说电动机额定功率的大小与电动机的运行方式有关。
为了使用上的方便，我国将电动机的运行方式（亦称工作制）按发热的情况分为三类。
1．连续工作制
电动机连续工作时间很长，其温升可达稳定值。
显然工作时间tg>（3~4）T，可达几小时甚至几昼夜。
属于这类的生产机械有水泵、鼓风机、造纸机、机床主轴等。
其简化的负载图及温升曲线如图4-3所示。
2．短时工作制
电动机的工作时间tg较短，在此时间内温升达不到稳定值，而停车时间t0却很长，电动机的温度可以降到周围介质的温度（即w=0）,属于此类的生产机械有：
机床的辅助运动机械如刀架的快移、立车与龙门刨床上的夹紧装置等，闸门开闭机，升降机，某些冶金辅助机械等，简化的功率负载图及温升曲线如图4-4所示。
图中虚线表示带同样大小功率的负载而且连续工作时的温升曲线。
由图可见，如果已把tg结束时的温升设计为绝缘材料的最高允许温升，则该电动机带同样负载而连续工作时，稳定温升将大大超过上述允许温升而烧坏。
我国规定的短时工作的标准时间有15、30、60及90min四种。
3．断续周期工作制
在这种工作制中，工作时间tg和间歇时间t0轮流交替，两端时间都较短。
在tg期间，电动机的温升来不及达到稳定值，而t0期间，电动机的温升也来不及降到w=0。
这样经过每一周期（tg+t0），温升有所上升，最后温升将在某一范围内上下波动。
属于这类工作制的生产机械有起重机、电梯、轧钢辅助机械（如辊道、压下装置）等。
其负载图和温升曲线如图4-5所示。
图中也用虚线表示同样大小的负载而连续工作时的温升曲线。
与短时工作制相似，不可按电动机断续周期定额做连续运行，否则电动机也会过热而烧坏。
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ZC%，即：
4-15
我国规定的标准持续率有15%、25%、40%、60%四种，一个周期的总时间规定为：
tg+t010min。
电机厂专门设计和制造了适应不同工作制的电动机，并规定了连续、短时、断续等三种定额，供不同的负载性质选配。
我国一般把周期工作制分为两类，另外一类称为连续周期工作制，其负载图和温升曲线如图4-6所示。
此时电动机连续通电，负载做周期变化，每个周期由短时额定功率与短时空载功率组成。
其负载持续率的定义与断续周期工作制时相似，亦为：
每个周期的总时间也小于10min。
对于不同的生产机械，电动机负载图使不同的，但就发热而言，一般可归结于连续、短时及断续周期三类工作制中的一类，而连续周期工作制本质上应归于连续工作制（属负载变化时的连续工作制）。
不同工作制下，电动机功率选择方法是不同的，下面将分别进行研究。
4.3不同工作制电动机的选择
4.3.1连续工作制电动机的选择
连续工作制电动机的负载可分为两类，即常值负载与变化负载（大多数情况属周期性变化负载），现分别介绍选择电动机功率的方法。
一、常值负载下电动机容量的选择
若电动机连续运行，负载功率PL恒定不变，如通风机，泵，重型车床，立车、齿轮铣床的主传动等，拖动这类工作机械的电动机负载图及温升曲线如图4-3所示。
为这类工作机械选择电动机时，只需按设计手册中的计算公式算出负载所需功率PZ，再选一台额定功率PN满足:
PNPZ的电动机即可。
因一般电动机是按照常值负载连续工作设计的，电动机设计及出厂试验保证电动机在额定功率下工作时，温升不会超过允许值，今电动机带的负载功率PNPZ，发热自然没问题，不需要进行发热校验。
电动机启动电流较大，但由于启动时间较短，对电动机发热影响不大，可不予考虑。
如果选用笼型异步电动机，一般还需校验其启动能力。
如果电动机周围环境温度θ0与标准值40℃相差较大时，则为了充分利用电动机，其输出功率可与PN不同，两者关系的一定的算法确定①。
电动机功率可粗略的用表4-3相应增减。
环境温度低于30℃时，一般电动机功率也只增加8%。
表4-3不同环境温度下，电动机功率的修正
环境温度
30℃
35℃
40℃
45℃
50℃
55℃
电动机功率
增减的百分数
+8%
+5%
0
-5%
-12.5%
-25%
必须指出，工作环境的海拔高度对电动机的
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