第11章電動機的選擇

第11章電動機的選擇1第11章電力拖動系統(tǒng)中

電動機的選擇11.2電動機的發(fā)熱與冷卻11.1電動機選擇的基本內(nèi)容11.3電動機的工作制11.4電動機額定功率的選擇

211.1電動機選擇的基本內(nèi)容選擇電動機種類時考慮的主要問題生產(chǎn)機械對電動機的要求機械特性、起動性能、調(diào)速性能、制動方法、過載能力等。經(jīng)濟效益各類電動機的性能特點、價格高低以及維護成本等。按節(jié)能的原則來選擇，使電動機的運行效率符合國家標準的要求。一、種類的選擇

3電動機的主要種類和特點種類機械特性Tst調(diào)速性能可靠性價格維護成本他/并勵串勵復勵直流電動機三相異步電動機單相異步電動機三相同步電動機單相同步電動機籠型線繞型多速高Tst硬大好較低高高軟大好較低高高硬大好較低高高硬小差異大低低硬大差異大低低

2~4種速度

大機械特性硬、功率小、cos和

較低轉(zhuǎn)速恒定、cos可調(diào)、只能采用變頻調(diào)速轉(zhuǎn)速恒定、功率小除特殊負載需要外，一般不宜選用直流電動機。

4二、功率的選擇既不能過載，也不能長期輕載。常用方法：計算法、統(tǒng)計法、類比法。0.6~3200.37~3203~320200~500200~5000250~100001000~10900電壓/V380600010000交流電動機直流電動機籠型繞線型同步

額定功率/kW電壓/V額定功率/kW110220440600~8700.25~1100.25~3201.0~500500~4600三、電壓的選擇

5

PN≤200kW時，選擇UN=380V。

PN＞200kW時，選擇高壓電機。四、轉(zhuǎn)速的選擇綜合考慮：轉(zhuǎn)速、傳動方式、調(diào)速要求等。五、類型的選擇1、防護方式：開啟式、防護式、封閉式、防爆式開啟式電動機防護式電動機

6離心制冷機用封閉式電機螺桿制冷機用封閉式電機封閉式電動機全封閉自扇冷式籠型三相異步電動機

7密封式電動機防爆式電動機(YB系列)

YB2-B35

82、安裝型式的選擇1）.臥式IMB3

臥式：IMB3~IMB35，共十四種。2）.臥式IMB5

立式：IMV1~IMV36，共十七種。B5

93）臥式IMB354）.立式IMV15）.立式IMV2IMV1

10六、工作制的選擇七、型號的選擇符號意義符號意義符號意義Y籠型異步電動機YB隔爆型異步電動機T同步電動機YR繞線轉(zhuǎn)子異步電動機YBR隔爆型繞線轉(zhuǎn)子異步電動機TF同步發(fā)電機*YQ高起動轉(zhuǎn)矩異步電動機YD多速異步電動機Z直流電動機YH高轉(zhuǎn)差率異步電動機Y-F化工防腐用異步電動機ZF直流發(fā)電機主要有連續(xù)工作制、短時工作制、斷續(xù)周期工作制等三種。

1111.2電動機的發(fā)熱與冷卻一、電機的發(fā)熱過程與溫升損耗→發(fā)熱→溫度升高。溫升=

電機的溫度－周圍環(huán)境溫度。熱平衡狀態(tài)

當發(fā)熱量=散熱量時，=穩(wěn)定值。分析熱過渡過程有以下假設：（1）電動機長期運行，負載不變，總損耗不變；（2）電動機本身各部分溫度均勻；（3）周圍溫度不變

12

電機的熱平衡方程式

Qdt

=Cd

＋Adt

Q——單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量；C——熱容量(溫度每升高1oC所需的熱量)；A——散熱系數(shù)(為1oC時每秒所散出的熱量)。

13※0——初始溫升；

=Q/A——穩(wěn)態(tài)溫升；

=C/A——發(fā)熱時間常數(shù)。d

dtCA＋=QA=＋(0－

)

e－

td

dt＋=整理得：電機發(fā)熱過程的溫升曲線

Ot00=0設初始條件為t=0，

=0，則

※小型電動機的

值約為

十幾分鐘到幾十分鐘。

14(1)停機的冷卻情況

=0，

(2)減輕負載的冷卻情況≠0，＜0二、電機的冷卻過程與冷卻方式1.電動機的冷卻過程d

dt＋=0

=0

e－

t設初始條件為t=0，

=0，則

=＋(0－

)

e－

t0Ot

=0電機冷卻過程的溫升曲線

152.電動機的冷卻方式冷卻：采取措施使電動機產(chǎn)生的熱量盡可能多地散發(fā)出去，以達到充分利用材料、增加相同體積電動機的額定功率的目的。

冷卻方式：自冷式、自扇冷式和他扇冷式。結論：電動機的溫升曲線取決于起始值、穩(wěn)態(tài)值和時間常數(shù)。分析熱過渡過程的目的不在于定量計算，只需定性了解，為進一步正確理解和選擇電動機額定功率打下基礎。

1611.3電動機的額定功率

11.3.1電機的工作制分為三種工作制或工作方式一、連續(xù)工作制（S1

工作制）

工作時間：

tr

＞(3~5)

溫升在運行期間已經(jīng)達到穩(wěn)態(tài)值。

OtPL

PL

應用：通風機、水泵、紡織機、造紙機、機床主軸驅(qū)動等。

17二、短時工作制（S2

工作制）

OtPL

mPLtr

標準運行時間：

15min、30min、60min、90min。

應用水閘啟閉機冶金用的電動機起重機中的電動機

工作時間：

tr

<(3~5)

,

停歇時間：tT>(3~5),

18三、斷續(xù)周期工作制（S3

工作制）負載持續(xù)率FS

=×100%trtr＋t0

19

標準負載持續(xù)率：

15%、25%、40%、60%。

周期：tr＋t0≤10min。應用：起重機、電梯、軋鋼輔助機械中的電動機。斷續(xù)周期工作制的電動機具有起動能力強、過載倍數(shù)大、轉(zhuǎn)動慣量較小，機械強度高等特點。

11.3.2電動機的允許溫升電動機的耐溫最薄弱的是絕緣材料。按照絕緣材料的允許溫度不一樣，電動機常用的絕緣材料分為A、E、H、B、F五種。

20常用絕緣材料分為5種：等級絕緣材料允許溫度允許溫升A經(jīng)過浸漬處理的棉、絲、紙板、木材等，普通絕緣漆10565E環(huán)氧樹脂、聚酯薄膜、青殼紙、三醋酸纖維薄膜、高強度絕緣漆12080B用提高了耐熱性能的有機漆作黏合劑的云母、石棉和玻璃纖維組合物13090F用耐熱優(yōu)良的環(huán)氧樹脂黏合或浸漬的云母、石棉和玻璃纖維組合物155115H用有機硅樹脂黏合或浸漬的云母、石棉和玻璃纖維組合物180140

2111.3.3電動機的額定功率一、連續(xù)工作方式下電動機的額定功率：

OtP

LP當電動機的輸出功率是一個長期恒定不變的P時，電動機的溫升必然達到一個有P決定的穩(wěn)態(tài)值。P不同，溫升不同。從出力和壽命綜合考慮，電機得到充分利用，就是使其長期負載運行時達到的穩(wěn)態(tài)溫升等于其允許溫升。

22因此，取長期負載運行時達到的穩(wěn)態(tài)溫升等于其允許溫升時的功率為電動機的額定功率。下面推導連續(xù)工作方式下，電動機額定負載運行時。額定功率與溫升的關系。

23額定負載運行時，應為允許溫升表明：當A與為常數(shù)時，電動機的額定功率與允許溫升成正比，絕緣材料的等級越高，電動機的額定功率越大。另外，一臺電動機的允許溫升不變時，若設法提高效率、提高散熱能力，都可以增大它的額定功率。

24二、短時工作制下電動機的額定功率

OtPL

mPLtr實際達到的最高溫升小于負載穩(wěn)態(tài)溫升，其額定功率依據(jù)實際達到的最高溫升來確定。

即：在規(guī)定時間內(nèi)，電動機負載運行達到的實際最高溫升等于允許溫升時，電動機的輸出功率則定為額定功率。

短時工作方式電動機的額定功率是與規(guī)定的工作時間tr相對應的。

25三、周期工作制下電動機的額定功率即：在某一負載持續(xù)率下，電動機負載運行達到的實際最高溫升等于允許溫升時，電動機的輸出功率則定為額定功率。

周期性斷續(xù)工作方式電動機的額定功率是與某一負載持續(xù)率FS%相對應的。

2611.4電動機額定功率的選擇一、電動機的允許輸出功率1.工作制的影響2.環(huán)境溫度的影響改變工作方式，達到N時允許的P2將不再是原設計的PN。

S1改為S2或S3運行，則

P2＞PN。

S2或S3改為S1運行，則

P2＜PN。

GB規(guī)定：額定環(huán)境溫度為40℃。電動機允許的最高溫度主要取決于所使用的絕緣材料。

27

工程上也可以按下表對P2估算：0.4~1.1P2

=PN1＋(1＋)40－N※

N——電動機的額定溫升，N=max－40℃；

——電動機的實際環(huán)境溫度；

——電動機滿載時的PFe與PCu之比。絕緣材料允許的實際環(huán)境溫度/℃允許輸出功率增減的百分數(shù)303540455055＋8%

＋5%

0

－5%

－12.5%－25%

表不同環(huán)境溫度下電動機功率的修正系數(shù)

28【例11-1】一臺130kW連續(xù)工作制的三相異步電動機，如果長期在70℃環(huán)境溫度下運行，已知電機的絕緣材料等級為B級，額定負載時鐵損耗與銅損耗之比為0.9。試求該電動機在高溫環(huán)境下的實際允許輸出功率。解：B級絕緣材料的最高溫度為130℃，則N=90℃，故電動機的實際允許輸出功率應為P2

=PN1＋(1＋)40－N=130×1＋(1＋0.9)=78.72kW40－70

90

293.海拔高度的影響海拔高度越高，空氣越稀薄，散熱越困難，使得允許的

P2＜PN

。海拔1000m≤h≤4000m

h=

100m，N降低1%，P2降低0.5%。

30二、連續(xù)運行電動機額定功率的選擇

1.恒定負載電動機額定功率的選擇

(1)計算負載功率PL

(2)根據(jù)PL預選電動機的PN

選擇PN=PL或略大于PL的電動機。(3)校驗所選電動機

①發(fā)熱校驗②過載能力校驗

S1工作制的電動機都是按恒定負載設計的，故不需做發(fā)熱校驗。

電動機的過載能力用過載倍數(shù)km來表示。

31不同類型電動機的km

是不同的。直流電動機：km=1.5~2.0。

異步電動機：km=2.0~2.2。同步電動機：km=2.0~2.5。

考慮到交流電網(wǎng)電壓波動±10%所引起的

Tem下降，故按Tem=0.81kmTeN＞TL

來校驗。③起動能力校驗

選用籠型異步電動機時需校驗其起動能力。

32【例11-2】一臺直接由電動機拖動的離心式水泵，流量Q=0.144m3/s，揚程H=37.7m，轉(zhuǎn)速n=1460r/min，泵的效率b=79.8%。試選擇電動機的額定功率。PL

=×10－3kWQ

Hgbc

※為水的密度，=1000kg/m3；

c為傳動機構的效率，直接拖動取c=1。則PL

=kW=66.74kW0.144×37.7×1000×9.810798×1解：(1)泵類機械作用在電動機軸上的等效負載為(2)選取PN=75kW，nN=1480r/min的Y280S-4型三相籠型異步電動機。(3)水泵屬于通風機負載特性類的生產(chǎn)機械，故不必校驗電動機的起動能力和過載能力。

33(1)計算各時間段的負載功率(2)計算平均負載功率2.變化負載電動機額定功率的選擇PL1t1＋PL2t2＋···t1＋t2＋···PL

=(3)預選電動機的額定功率PN

=(1.1~1.6)PL(4)發(fā)熱校驗

根據(jù)=f(P2)

34①電動機的額定功率損耗②電動機每段時間的功率損耗

PL1t1＋PL2t2＋···t1＋t2＋···PL

=PLi

=－PLiPLii如果PL≤PN，則發(fā)熱校驗通過，否則重新選擇并校驗。

PN

=－PNPNN③電動機的平均功率損耗為

35若選用交流電動機，則需保證Tem＞TLm；若選用直流電動機，則需保證ILm＜Iam

。如果選用三相籠型異步電動機，則需要進行起動能力校驗。(5)過載能力和起動能力校驗

36【例11-3】某生產(chǎn)機械的負載曲線如圖所示，已知PL1=7.2kW，t1=1.5min，PL2=5.5kW，t2=2min，PL3=14.5kW，t3=1.1min，PL4=4.8kW，t4=1.8min。n=1440r/min，起動時的負載轉(zhuǎn)矩為100N·m。擬選用一臺現(xiàn)有的Y132M-4籠型異步電動機拖動，已知該電機的額定值為PN=7.5kW，nN=1440r/min，cosN=0.85，kst=2.2，km=2.2，kI=7，效率如下表。試校驗是否能使用該電動機。P2/kW3.74.04.34.95.56.2

0.8520.8550.8570.8610.8630.862P2/kW6.77.27.58.21015

0.8590.8560.8550.8500.8430.837

37=7.248kW由此可見，PN＞PL，即現(xiàn)有電動機的功率合格。

(2)發(fā)熱校驗①電動機的額定損耗為

=kW7.2×1.5＋5.5×2＋14.5×1.1＋4.8×1.81.5＋2＋1.1＋1.8解：(1)計算平均負載功率

PL1t1＋PL2t2＋

PL3t3＋PL4t4

t1＋t2＋t3＋t4

PL

=②電動機在各個時間段的功率損耗為

PL1

=－PL1

PL11PN

=－PNPNN=－7.5kW=1.272kW7.50.855=－7.2kW=1.211kW7.20.856

38③電動機的平均損耗為

PL2

=－PL2

PL22=－5.5kW=0.873kW5.50.863PL3

=－PL3

PL33=－14.5kW=2.824kW14.50.837PL4

=－PL4

PL44=－4.8kW=0.775kW4.80.861=kW1.211×1.5＋0.873×2＋2.824×1.1＋0.775×1.81.5＋2＋1.1＋1.8PL1t1＋PL2t2＋PL3t3＋PL4t4

t1＋t2＋t3＋t4

PL

==1.26kW由于PL＜PN，故發(fā)熱校驗通過。

39(3)過載能力和起動能力校驗

由于P2m＞PLm=14.5kW，故過載能力校驗通過。電動機的額定輸出轉(zhuǎn)矩為：直接用功率校驗過載能力：

P2m

=kmPN=2.2×7.5kW=16.5kWPNnN

TN

=9550=9550×N·m=49.74N·m7.5

1440起動轉(zhuǎn)矩為：Tst

=kstTN=2.2×49.74N·m=109.43N·m由于Tst＞TLst=100N·m，故起動能力校驗通過。結論：現(xiàn)有的電動機能夠用于拖動該生產(chǎn)機械。

403.有起動、制動和停機過程時平均損耗功率公式的修正

假設一個工作周期包括n個時間段，其中t1是起動時間，tn-1是制動時間，tn

是停機時間，則PL1t1＋PL2t2＋···＋PL(n－1)tnt1＋t2＋···＋tn－1＋tnPL

=異步電動機：=0.5，=0.25直流電動機：=0.75，=0.5修正系數(shù)

41滿載時的PFe/PCu實際運行時間標準運行時間三、短時運行電動機額定功率的選擇

1.選用短時工作制的電動機(1)計算電動機的負載功率PL(2)負載功率的折算按發(fā)熱和溫升等效的原則把PL折算成標準工作時間下的等效負載功率PLN。PLPLN

=－1trNtr－trNtr

42當tr≈trN時，則上式可簡化為(3)預選電動機的額定功率PN選擇電動機的額定功率PN≥PLN。(4)校驗所選電動機對于恒定負載不必進行發(fā)熱和過載能力校驗。對籠型異步電動機，應進行起動能力的校驗。PLN

=PLtrtrN

43【例11-4】某生產(chǎn)機械為短時運行方式，輸出功率Po=22kW，效率L=78%，每次工作17min后停機，而停機時間足夠長。試選擇拖動電動機的額定功率。選擇標準運行時間為15min的短時工作制電動機，則折算成17min的等效負載功率為

PL

=PoL=kW=28.21kW220.78PLN

=PLtrtrN=28.21×kW=30.03kW1715解：電動機的負載功率為故應選擇額定功率大于30.03kW的短時工作制電動機。

442.選用連續(xù)工作制的電動機(1)計算電動機的負載功率PL(2)負載功率的折算將短時運行的PL折算成連續(xù)運行的等效PLN。滿載時的PFe/PCu短時運行時間電機的發(fā)熱時間常數(shù)PLN

=PL1－e－1＋

e－trtr(3)預選電動機的額定功率PN選擇電動機的額定功率PN≥PLN。不必進行發(fā)熱校驗。

45①由于電動機的PN小于PL，電動機的Tem可能會小于TL，故必須進行過載能力校驗。