电气传动自动控制系统第4章02

-65-4.4电动机选择的一般概念电力拖动系统中电动机的选择主要包括以下内容：电动机的种类、电动机的型式、电动机的额定电压、额定转速以及额定功率的选择。4.4.1电动机种类的选择1．电动机的主要种类电力拖动系统中拖动生产机械运行的原动机即驱动电机。电动机包括直流电动机和交流电动机两大类，交流电动机又包括异步电动机和同步电动机两种。如表4-1。表4-1电动机主要种类及主要性能特点电动机种类最主要的性能特点直流电动机他励直流电动机机械特性硬，起动转矩大，调速性能好并励直流电动机机械特性硬，起动转矩大，调速性能好串励直流电动机机械特性软，起动转矩大，调速方便复励直流电动机机械特性软硬适中，起动转矩不太大，调速方便交流电动机异步电动机（三相）普通鼠笼机械特性硬，起动转矩不太大，可以调速高起动转矩起动转矩大多速电动机多速（2~4速）绕线式机械特性硬，起动转矩大，调速方法多，调速性能好同步电动机转速不随负载变化，功率因数可调2.电动机种类选择时考虑的主要内容(1)电动机的机械特性生产机械具有不同的转矩转速关系，要求电动机的机械特性与之相适应。例如：负载变化时要求转速恒定不变的选择同步电动机；要求起动转矩大以及特性软的如电车、电气机车等需选择串励或复励直流电动机。(2)电动机的调速性能包括调速范围、平滑性、经济性诸方面，都应满足生产机械的要求。例如：调速性能要求不高的各种机床、水泵、通风机等多选用普通三相鼠笼式异步电动机；功率不大、有级调速的电梯及某些机床可选用多速电动机。调速范围较大、调速要求平滑的龙门刨床、高精度车床、可逆轧钢机等多选用他励直流电动机和绕线式异步电动机。(3)电动机的起动性能一些起动转矩要求不高的，例如机床可以选用普通鼠笼式三相异步电动机；但起动、制动频繁，且起动、制动转矩要求比较大的生产机械就可选用绕线式三相异步电动机，例如矿井提升机、起重机、不可逆轧钢机、压缩机等。(4)电源交流电源比较方便，直流电源则一般需要有整流设备。(5)经济性一般说来，从经济性角度考虑，交流电动机优于直流电动机，鼠笼式异步电动机优于绕线式异步电动机。除电机本身外，还应考虑与电动机配套的起动设备、调速设备的经济性。3.几条基本选择原则：（1）优先选用交流鼠笼式异步电动机。由于其结构简单、价格便宜、维护方便。-66-高起动转矩的鼠笼式异步电动机适用于要求起动转矩较大的生产机械。多速异步电动机可用于要求有级调速的生产机械。（2）绕线转子异步电动机多用于起重机及矿井提升设备上。（3）当电动机功率较大又无调速要求时，一般采用同步电动机以提高电网的功率因数。（4）交流电动机在单机容量、电压等级、转速等方面都优于直流电动机，因而交流电动机可供有这些方面要求的生产机械选用。（5）直流电动机调速性能优异，调速范围很宽，可用于调速范围要求很大的生产机械上。4.4.2电动机型式的选择1.安装方式分为卧式和立式。卧式电动机的转轴安装后为水平位置，立式电动机的转轴安装后则为垂直地面的位置。两种类型的电动机使用的轴承不同，立式的价格稍高，一般用卧式的。2.轴伸个数伸出到端盖外面与负载联接的转轴部分称为轴伸。电动机有单轴伸与双轴伸两种，多数情况下用单轴伸，特殊情况下采用双轴伸。3.防护型式按防护型式分，电动机有开启式、防护式、封闭式和防爆式几种。开启式电动机的定子两侧和端盖上都有很大的通风口。它散热好，价格便宜，但容易进灰尘、水滴和铁屑等杂物，只能在清洁、干燥的环境中使用。防护式电动机的机座下面有通风口。它散热好，能防止水滴、沙粒和铁屑等杂物溅入或落入电机内，但不能防止潮气和灰尘侵入，适用于比较干燥、没有腐蚀性和爆炸性气体的环境。封闭式电动机的机座和端盖上均无通风口，完全是封闭的。封闭式又分为自扇冷式、他扇冷式及密封式等。前两种，电机外的潮气及灰尘也不易进入电机，适用于尘土多、特别潮湿，有腐蚀气体，易受风雨、易引起火灾等较恶劣的环境。密封式的可以浸在液体中使用，如潜水泵。防爆式电动机在封闭式基础上制成隔爆形式，机壳有足够的强度，适用于有易燃易爆气体的场所，如矿井、油库、煤气站等。4.4.3电动机额定电压的选择交流电动机的额定电压应与供电电网的电压一致。如交流220V，380V，6000V及10000V等。（电压等级、相数、频率）直流电动机的额定电压也要与电源电压相匹配。如直流110V，220V，440V等。4.4.4电动机额定转速的选择额定功率相同的电动机额定转速愈高，体积越小，造价越低。一般来说，电动机的转子越细长，转动惯量越小，起、制动时间短。在生产机械所需额定转速一定的前提下，一般还需要传动机构减速，则电动机额定转速越高，传动机构减速比越大，机构越复杂，而且传动损耗也越大。额定转速的选择是一个综合技术经济问题。4.4.5电动机额定功率(容量)的选择选择电动机额定功率的原则：在电动机能胜任生产机械负载要求的前提下，最经济最合理地确定电动机的额定功率。正确确定电动机的额定功率有很重要的意义：若功率选得过大，电动机本身体积大，占地面积大，价格贵，设备投资大，造成不必要的浪费；而且电动机欠载运行，其欠载运行力-67-能指标—效率，功率因数等较差，给电网运行造成附加困难，同时，由于效率，功率因数低，使得运行费用较高。若功率选得过小，电动机将过载运行，不可避免地使电动机过热，以致损坏电动机；或者在保持电动机不过热的情况下，只能降低负载使用，从而也降低了生产机械的效率。在确定电动机的额定功率时，要考虑电动机的发热、过载能力与起动能力等三方面因素。一般，以发热问题最为重要。1.电动机的发热电机的发热是由于在能量转换过程中在电机内部产生损耗并变成热能使电机的温度升高。为保证电动机正常工作，电动机的各部分温度都不能超过一定限度。一般最主要考虑的是绕组的绝缘材料。因为电机中耐热最差的就是绕组的绝缘材料。电机中常用的绝缘材料有五个级别，不同等级的绝缘材料，其最高允许温度是不同的。如表4-2。表4-2绝缘材料等级绝缘材料允许温度/℃允许温升/℃A经过浸渍处理的棉、丝、纸板、木材等，普通绝缘漆10565E环氧树脂，聚酯薄膜，青壳纸，三醋酸纤维薄膜，高强度绝缘漆12080B用提高了耐热性能的有机漆作粘合剂的云母、石棉和玻璃纤维组合物13090F用耐热优良的环氧树脂粘合或浸渍的云母、石棉和玻璃纤维组合物155115H用硅有机树脂粘合或浸渍的云母、石棉和玻璃纤维组合物，硅有机橡胶1801402.过载能力一般情况下，电动机带动的负载是变化的，而且有时具有较大的冲击。这种冲击负载对电机的发热可能影响不大，但是电动机瞬时过载能力是有限的，所以在确定电动机功率的同时，要考虑电动机所能承受的瞬时过载能力。异步电动机的瞬时过载能力，受最大转矩Tmax的限制，一般用转矩的过载系数m=Tmax/TN表示。一般，异步电动机的m(1.6~2.0)。直流电动机的瞬时过载能力，受整流条件的限制，可以使用转矩的过载系数m=Tmax/TN或电流的过载系数I=Imax/IN表示。一般，直流电动机I=(1.5~2.0)；同步电动机的转矩过载能力一般为m=(2.0~3.0)。3.起动能力对鼠笼式异步电动机还要查看起动转矩够不够，而短时工作的电动机常常按起动转矩选择。4.4.6确定电动机额定功率的方法在电动机的选择中，最主要的也是首先要确定的是它的额定功率。对长时恒定负载（即连续工作制）的拖动系统，电动机的额定功率可以容易地计算出来。但是，大多数拖动系统在工作时速度和负载经常变化，因而，额定功率的计算选择就复杂多了。计算所需电动机功率的基本方法：根据负载图按发热计算功率。首先，我们要在了解和分析生产机械加工工艺的基础上，确定生产机械速度和转矩的工作循环图=f(t)和TL=(t)。有了速度图就可以决定动态转矩图Tdyn=g(t)=Jd/dt。而电动机的转矩是静负载转矩与动态转矩的合成，即T=Tdyn+TL。电动机的速度图=f(t)和转矩图T=(t)，即负载图，有了负载图就可以按发热来计算确定电动机的容量了。但是，在决定动态转矩Tdyn时必须要知道拖动系统的转动惯量，其中也包括了起决定性-68-作用的电动机自身的转动惯量。而在没有确定具体电动机之前，转动惯量是不知道的，所以必须先预选电动机。因而，从这一点我们可以知道，电动机额定功率的计算实质上是校验计算。另外，速度图=f(t)一般也不能事先得到，需要在电动机预选之后，在计算拖动系统过渡过程的基础上，获得=f(t)。有了=f(t)与J，才可得到T=(t)。根据负载图计算和选择电动机容量的方法是比较精确的。但是在许多情况下，绘制出可靠的负载图是很困难的，这是由于原始数据的不足和加工过程的多样性造成的。因此，在各类生产机械的设计中采用了一些独特的实用的计算方法。例如：在起重机中使用四级负载法计算电动机容量。即把起重机的工作状态分为轻型、中型、重型和即极重型四级，然后根据最大起重功率乘以相应系数即得所需电动机的额定功率。在机床设计中采用统计分析法。即根据同类型机床选用的电动机容量进行统计分析，找出电动机容量与机床主要参数之间的关系，绘出曲线或列成经验公式，以资利用。在轧钢机设计中采用了能量消耗法。即根据同类型轧钢机的工作，预先测出每轧制单位钢材所需能量A(kWh/t)，然后在根据新设计的轧钢机的生产率N(t/h)，求得所需功率P=AN(kW)。因此，电动机容量选择的实用方法是很多的。而且牵涉到生产机械的特点，不同的生产机械的方法又不同，有各自的特点。所以，这门课很难一一介绍这些方法。下面我们只利用负载图计算电动机容量的方法。因为，在很多情况下，我们都要校验电机的发热。在讲用负载图确定电动机容量的方法之前，首先要讲电动机的发热。4.5电动机的发热4.5.1电动机的发热过程分析电动机在工作的同时有铜损、铁损和机械损耗产生，这些损耗变成热能，由于电动机是由各种材料(铜、铁、绝缘材料等)组成的形状复杂的不均匀体，所以它的发热过程是十分复杂的。为了简化分析，把电机当作一个理想均匀体来研究它的发热过程，即所谓的“单级发热理论”。理想均匀体，就是由单一材料组成的物体，它具有无限大的传导系数，物体内部各点温度时刻保持相等，在各表面的散热能力相同。单位时间内电动机产生的热量，决定于电动机工作产生的损耗，即1PP式中，P为电动机轴上输出功率(W);为电动机的效率。这些热量一部分通过机体散发到周围空气中去，一部分积存在机体内使电机温度升高。机体散热有三种途径，即对流、辐射和传导。电机散热的主要途径是对流和辐射，而且在通风散热中以对流起的作用更大，散热能力与风速有直接关系。在电机工作温度范围内，可以足够准确地认为热量的散发与电机和周围空气温度差成正比。电动机单位时间内产生的热量为P(J/s)，dt时间内产生的热量为Pdt。电动机单位时间散发出的热量为A，其中A为电机的散热系数(J/sC)，表示温升为1C时，每秒钟散发的热量；为温升(C)，电机与周围空气温度的差。则dt时间内散发的热量为Adt。电动机吸收一定的热量，使其本身的温度升高。设电动机的热容量为C(J/C)，dt时间内的温升为d，则dt时间内电动机本身吸收的热量为Cd。dt时间内，电动机发出的热量等于其本身生吸收的热量与散发出的热量之和，则可列出电动机的热平衡方程式为-69-P=C+Adt整理后有APdtdACssHdtdT式中，ACTH，为发热时间常数；APss，为稳定温升。这是关于温升的一阶微分方程式。其解即为温升变化的方程式HHTtTtssee01(4-7)式中，0为初始温升。当0=0时，有HTtsse1由以上两式可知，电机发热时，温升是按照指数规律变化的。理论上讲，达到稳定温升的时间为无限大，但实际上，当温升达到(0.95~0.98)ss时，也就是经过(3~4)TH的时间，即可以认为电机达到稳定温升。由稳定温升的表达式APss可知，稳定温升仅决定于损耗和散热系数，而与