第7章电动机容量的选择

普通高等教育“十二五”电气信息类规划教材北方工业大学电机与拖动基础及MATLAB仿真陈亚爱周京华编著李正熙主审电机与拖动基础及MATLAB仿真Page2本课程的章节和内容绪论第1章变压器第2章三相交流电动机第3章三相交流电动机的电力拖动第4章直流电机第5章直流电动机的电力拖动第6章驱动和控制微电机第7章电动机容量的选择电机与拖动基础及MATLAB仿真Page3第7章电动机容量的选择电机与拖动基础及MATLAB仿真本章内容7.1电动机选择的主要内容7.2电动机的发热、冷却与工作制7.3电动机容量的选择Page4电机与拖动基础及MATLAB仿真本章教学基本要求1．了解电动机容量选择的基本理论。2．掌握电力拖动系统中电动机容量选择的工程方法。Page5电机与拖动基础及MATLAB仿真电动机选择的主要内容包括：电动机种类、型式、额定电压、额定转速、额定功率（容量）等的确定。Page67.1电动机选择的主要内容容量的选择是最重要的，因为容量选得偏小，会使电动机拖动不了负载或使电动机长期工作在过载情况，电动机过热，绝缘过早老化，缩短电动机的使用寿命，造成浪费；而容量选得偏大，电动机虽不会因过热而损坏，但电动机的容量不能得到充分利用，功率因数低，造成“大马拉小车”的现象，也将造成不必要的浪费，经济性不高。正确选择类型、额定电压、额定转速、结构形式等对节省一次投资、节约运行费用等综合经济效益十分重要，与当前国家大力倡导的节能减排政策相符。正确选择电动机的原则：在电动机满足生产机械负载要求的前提下，尽量选择容量小一些的电动机，使电动机在运行中既能够被充分利用，又使其温升不超过但接近国家标准规定的温升。电机与拖动基础及MATLAB仿真电动机在运行过程中必然会产生损耗并导致机体温度升高，运行中电动机最热部位是绕组，而耐热最差的部位是绕组的绝缘。Page77.1电动机选择的主要内容当温度升高超过绝缘材料允许的限度时，则会使绝缘过早老化，缩短电动机的使用寿命。通常电动机容量是按周围环境温度为40℃时设计的，所以各级绝缘材料的最高允许温升比其最高允许温度低40℃。表7-1电动机使用的各级绝缘材料的最高允许温度和温升绝缘材料等级AEBFHC最高允许温度/℃105120130155180180以上最高允许温升/℃658090115140140以上电机与拖动基础及MATLAB仿真实际运行的电动机温升取决于发热和散热情况，若不超过绝缘材料允许的最高温度，电动机可长期运行。Page87.1电动机选择的主要内容由于电动机的负载多数情况下是变化的，有时甚至是冲击性的，所以在决定电动机容量时，需校验过载能力，即应使所选的电动机承受短时最大负载转矩小于电动机的最大转矩。反之，若超过最高允许温度，则会加速绝缘材料的老化，缩短电动机寿命，甚至造成绝缘材料的碳化，损坏电动机。可见，电动机的带载能力取决于绝缘材料的最高允许温度。电动机的过载能力可在产品样本中查到。由于异步电动机的电磁转矩与电压二次方成正比，选择时，还需考虑电网波动的影响，并留有一定的裕量。电机与拖动基础及MATLAB仿真对于直流电动机，其短时过载能力主要受换向器过流程度的限制，应使所选电动机承受的最大负载电流小于电动机的最大电流。Page97.1电动机选择的主要内容总之，电动机容量主要由允许温升、过载能力以及起动能力三因素决定。对于笼型异步电动机，由于起动转矩较小，同时又要考虑受电网波动的影响，还需进行起动能力校验。可见，电动机的带载能力取决于绝缘材料的最高允许温度。电机与拖动基础及MATLAB仿真电动机运行过程产生的各种损耗均会生成热能使电动机温度高于工作环境温度。Page107.2电动机的发热、冷却与工作制可证明电动机的温升过程曲线是按指数规律上升的，如图7-1曲线1所示。电动机从空载到负载或在运行中突加负载时，损耗随负载增加而增加，电动机的温度也随之升高，稳定后的温度比起始温度高，该过程称为电动机的发热过程。将电动机温度比环境温度高出部分的值称为温升，记作t。7.2.1电动机的发热与冷却ttst0021tT图7-1电机的温升曲线图中，T为发热时间常数，可理解为电动机发出的热量全部用作提高电动机的温度，使电动机温升从零上升到稳定温升所需要的时间。如果电动机是从冷却状态开始运行，则起始温升t0≠0，如图7-1曲线2所示。电机与拖动基础及MATLAB仿真电动机的冷却是指负载减小或切断电源停止运行，电动机内部损耗减小或降为零，导致电动机温升降低的过程。Page117.2电动机的发热、冷却与工作制同样可证明，电动机的冷却过程曲线是按指数规律下降的曲线，如图7-2曲线1所示，图中T′为冷却时间常数。如果停电后，电动机产生的热量为零，则冷却过程如图7-2曲线2所示。7.2.1电动机的发热与冷却12tts'0T'tst图7-2电机的冷却曲线电机与拖动基础及MATLAB仿真实际运行的电动机所带负载是多种多样的，运行状态也不尽相同，而电动机的温升不仅取决于负载的大小，且与负载持续时间有关。Page127.2电动机的发热、冷却与工作制7.2.2电动机的工作制电动机的工作制即电动机的工作方式，是对电动机运行情况的具体说明，根据不同的运行情况，GB755-2008《旋转电机定额和性能》将电动机的工作制分为S1~S10共10类。下面介绍常用的S1~S3三种，即：连续工作制、短时工作制和周期性断续工作制。电机与拖动基础及MATLAB仿真连续工作制是指电动机在恒定负载或周期性变化负载下连续运行，工作时间内使电动机的温升达到稳定温升。Page137.2电动机的发热、冷却与工作制7.2.2电动机的工作制1．连续工作制（S1）显然连续工作制的工作时间tw(3~4)T，其典型负载图和温升曲线如图7-3a所示。实际生产中的水泵、风机、轧钢机主传动拖动电机等属连续工作制电动机。适用于连续工作制的电动机有Y2、Y3系列三相笼型异步电动机。P、tPts0tP=f(t)=f(t)ta）连续工作制电机与拖动基础及MATLAB仿真短时工作制是指电动机工作时间短，在工作时间内，电动机的温升达不到稳定温升，而停歇时间ts长，一般ts(3~4)T′，在此时间内，电动机的温度可以降至周围介质温度。Page147.2电动机的发热、冷却与工作制7.2.2电动机的工作制2．短时工作制（S2）短时工作制的负载图和温升曲线如图7-3b所示。我国规定短时工作制的标准时间有10min、30min、60min、90min四种。实际生产中的车床夹紧装置、水闸的闸门电动机等属于短时工作制的电动机。P、tts0ttwtstPb）短时工作制电机与拖动基础及MATLAB仿真周期断续工作制是指电动机的工作时间tw和停歇时间ts相互交替，在工作时间内电动机温升达不到稳定值，停歇时间内电动机温升也降不到零。Page157.2电动机的发热、冷却与工作制7.2.2电动机的工作制3．周期断续工作制（S3）周期断续工作制的负载图和温升曲线如图7-3c所示。P、ttstmaxtmin0tPc）周期断续工作制由图可见，工作时间和停歇时间均不长，tw(3~4)T，ts(3~4)T′，工作时间与停歇时间周期性地交替。电机与拖动基础及MATLAB仿真按国家标准规定，每个周期T=(tw+ts)≤10min。在刚开始工作的几个周期内，电动机温升提高较快，经若干周期后，电动机温升就在一稳定的小范围内波动。Page167.2电动机的发热、冷却与工作制7.2.2电动机的工作制3．周期断续工作制（S3）实际生产中的起重机械、电梯、轧钢机的辅助机械等电动机属于周期断续工作制电动机。P、ttstmaxtmin0tPc）周期断续工作制电机与拖动基础及MATLAB仿真定义周期断续工作制下，每个工作周期内负载运行时间tw与工作周期（tw+ts）之比为负载持续率（或称暂载率），用百分数表示，即Page177.2电动机的发热、冷却与工作制7.2.2电动机的工作制3．周期断续工作制（S3）我国规定的标准负载持续率有15%、25%、40%和60%四种。P、ttstmaxtmin0tPc）周期断续工作制%ttt%FS100sww（7-1）电机与拖动基础及MATLAB仿真连续工作制电动机的负载分恒定负载和变化负载。Page187.3电动机容量的选择7.3.1连续工作制电动机容量的选择P、tPts0tP=f(t)=f(t)ta）连续工作制恒定负载是指长时间不变或变化不大的负载，如：空气压缩机、风机、泵类等。变化负载是指长期施加的但大小变化的负载，如输送量变化的连续运输机、恒速轧钢机等，这类负载的变化一般是具有周期性或在统计的规律下具有周期性。电机与拖动基础及MATLAB仿真连续恒定工作制的电动机由于带额定负载工作时，其稳定温升在电动机绝缘允许的最高温升内，只要使电动机的额定容量略大于负载所需的容量，即可满足发热条件。Page197.3电动机容量的选择7.3.1连续工作制电动机容量的选择根据负载转矩和转速，可计算所需的负载功率，使选择的电动机功率略大于负载功率，即式中，TL为折算到电动机轴上的负载转矩（N·m）；nN为电动机的转速（r/min）。1．连续恒定负载的电动机容量选择9550NLLNnTPP（7-2）电机与拖动基础及MATLAB仿真转速的确定应根据电动机和传动机构两方面的因素综合考虑，因为相同功率条件下，额定转速越高则电动机尺寸、重量和成本越小。Page207.3电动机容量的选择7.3.1连续工作制电动机容量的选择如果负载恒定，但运行过程中需在基速以上调速时，选择额定功率应按最高转速计算，即式中，nmax为电动机的最高工作转速（r/min）。1．连续恒定负载的电动机容量选择（7-3）但如果生产机械要求的转速一定时，选用的电动机转速越高，传动机构的传动比越大、机构越复杂、价格也越高。通常电动机转速不低于500r/min。9550maxLLNnTPP电机与拖动基础及MATLAB仿真对于选用笼型异步电动机、同步电动机传动或带载起动的情况，还需校验电动机的起动能力，电动机的最小起动转矩为Page217.3电动机容量的选择7.3.1连续工作制电动机容量的选择对于有冲击性的生产机械，还应校验电动机的过载能力，即应满足式中，lm为电动机的过载倍数。1．连续恒定负载的电动机容量选择（7-5）式中，TLmax为起动过程中负载的最大转矩（N·m）；ks为保证可靠起动的可靠系数，一般取1.15~1.25；kU2为电压波动系数，一般取0.85。2sLmaxsminUkkTT（7-4）NmLmaxTTl电机与拖动基础及MATLAB仿真工程上对于连续周期变化负载的电动机容量的选择一般可按平均损耗法或等效法进行发热校验，其中等效法又包括等效电流法、等效转矩法、等效功率法。Page227.3电动机容量的选择7.3.1连续工作制电动机容量的选择该方法的基本思想是将对发热的校验转为对单个循环周期内电动机平均损耗的校验。2．连续周期变化负载的电动机容量选择图7-4所示为连续周期变化负载，特点是变化周期比较短，发热时间常数T比较大，当变化周期T10min，而TT时，在稳态循环过程中温升曲线上下波动不大，可近似用平均损耗代替平均温升。（1）平均损耗法t1t2t3t4t5tPL0t图7-4连续周期变化负载图电机与拖动基础及MATLAB仿真Page237.3电动机容量的选择7.3.1连续工作制电动机容量的选择2．连续周期变化负载的电动机容量选择具体方法：先计算出生产机械所需功率，并画出生产机械负载图；然后预选电动机额定功率并画出电动机的功率图；再进行发热、过载、起动能力的校验，直至校验通过，否则重复上述过程，直到通过为止。（1）平均损耗法t1t2t3t4t5tPL0t图7-4连续周期变化负载图电机与拖动基础及MATLAB仿真Page247.3电动机容量的选择7.3.1连续工作制电动机容量的选择第二步计算平均损耗。2．连续周期变化负载的电动机容量选择第一步预选电动机。（1）平均损耗法t1t2t3t4t5tP