第八章电动机的选择

第八章电动机的选择了解电动机容量的选择原则了解电动机的发热和冷却规律了解不同工作制下电动机的选择8.1电动机容量的选择原则在机电传动系统中选择一台合适的电动机是非常重要的：如果容量小了，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。如果容量大了，设备投资费用增加，而且由于电动机经常在轻载下运行，运行效率和功率因数都会下降。选择电动机容量根据以下三项原则进行：1）发热：电动机运行时，必须保证电动机的实际最高工作温度θmax等于或略小于电动机绝缘的允许最高工作温度θa，即θmaxθa。2）过载能力：电动机运行时，必须具有一定过载能力。特别在短期工作时，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发热，故此时，决定电动机容量的主要因数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NmLTTT'maxmax（对于异步电机）NiLIII'maxmax（对于直流电机）考虑到网压波动影响，系数一般取0.8Tmax/TN。3）启动能力：为了使电动机能可靠启动，必须保证启动转矩大于负载转矩NststNstLTTTT8.2电动机的发热和冷却电动机由多种金属（铜、铝、铁）和绝缘材料等组成。在运行时，不断将电能转换成机械能，其中有能量损耗，包括铜耗、铁耗和机械损耗，其中铜耗与电流平方成正比，而铁耗与机械损耗几乎不变。这些损耗都变成了热能而使电动机发热、温度升高。其发热过程如下：刚开始工作时，电动机温度与周围的温度差很小，而热量的发散是随温度差递增的，因此，这时只有少量的热量被发散出去，大部分热量都被电动机吸收，因而温升较快；随着电动机温度升高，它和周围介质的温差加大，发散出去的热量增加，吸收的热量较少，温升变缓，温升是按指数规律上升的，如右图曲线1所示，Th为发热时间常数。当温度升高到一定程度时，吸收和发散的热量相等，温度不再升高，此时为最高温升。冷却过程：当切断电源或负载变小时，电动机温度要下降而逐渐冷却，在冷却过程中，其温度也按指数规律变化，如图曲线2所示，T’h为散热时间常数。另外，电动机运行时，如温度超过一定值，首先损坏的是绕组的绝缘，因为电动机中的绝缘材料是耐热最弱部分，目前，常用的绝缘有E、B、F、H四级，各级绝缘所用材料的最高工作温度分别是120℃、130℃、155℃、180℃。如果电机工作温度θM超过了绝缘材料允许的最高工作温度θa，轻则加速绝缘老化，缩短电机寿命；重则损坏电机。因此θm小于θa是保证电机长期运行的必要条件，也是按发热选择电机功率的最基本的依据。电机温升和冷却都有一个过程，其温升不仅与负载有关，还和负载持续时间有关，即与电机的运行方式有关。我国分三类：连续工作制、短时工作制和重复短时工作制。并按照上述原则规定出电动机的额定功率和额定电流。8.3不同工作制下电动机容量的选择一、连续工作制电动机容量的选择（一）带恒定负载电动机容量的选择对于负载功率PL恒定不变（如通风机、泵、重型机床）等生产机械，拖动这类机械的电动机在连续工作时的负载图及温升曲线如图所示。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PL，再选一台额定功率为LNPP的电动机即可。因为连续工作制的启动转矩和最大转矩均大于额定转矩，故一般不必校验启动能力和过载能力。仅在重载启动时，才校验启动能力。例一台低压离心式水泵，它与电动机直接连接，流量Q＝50m3/h，总扬程H＝15m，转速n＝1450r/min，水泵效率η1＝0.4，试选择电动机。21102HQPL由设计手册可查到泵类机械的负载功率计算公式如下式中Q为泵的流量，γ为液体密度，H为总扬程，η1为泵的效率，η2为传动机构的效率。kWPL1.514.010236001510503查产品目录，按PNPL，应选Y132S－4型鼠笼式异步电动机（PN=5.5kW,nN=1440r/min）（二）带变动负载时电动机容量的选择多数生产机械中电机所带的负载大小是变动的，如小型车床、自动车床的主轴电动机一直在转动，加工时电动机带负载运行，而更换工件时电动机处于空载运行。其他如皮带运输机、扎钢机等也属于此类负载。如图所示。此时电动机容量按照“等值法”来计算电动机的功率，即把实际的变化负载化成一等效的恒定负载，而两者的温升相同，这样就可根据得到的等效恒定负载来确定电动机的功率。负载的大小可用电流、转矩或功率来代表。等值电流为：niinnDttItII12121对于直流电机（并励或他励），或工作在接近于同步转速的异步电机来说，等值转矩为：niinnDttTtTT12121当电机具有较硬的机械特性，可用等效功率法：niinnDttPtPP12121因用功率表示的负载图更易作出，故等效功率法应用更广。以上只考虑发热，在用等值法选出电机后，还必须校验其过载能力和启动转矩。例由一台电机直接拖动某生产机械，其转矩变化负载图如图所示，试选择电动机，要求转速n＝1450r/min左右。用等效转矩法：mNttTtTtTtTtTTdii8.334030304020404530273034402929242222251525424323222121其等效功率为：kWnTdP13.595501450*8.339550*若选交流机，可选Y132S－4，其Pn＝5.5kw，nN＝1440r/min，Tst/Tn=1.8，Tmax/Tn=2，Un=380V，△接法。校验其过载能力，从负载图可知最大的转矩为Tm＝45N*m所选电机的额定转矩为：mNnPTNNN5.3614405.595509550故电机的最大转矩为2Tn，为73N*m，大于45N*m，符合要求，且启动能力也是满足要求的。若选直流电机，则可选Z2－51型，其Pn=5.5kW,nN=1500r/min,Un=220V,并励或他励。二、短时工作制电动机容量的选择有些生产机械工作时间较短，而停车时间较长，如闸门开闭机、升降机等。拖动这类机械的电动机工作特点是：工作时温升达不到稳定值τa，而停车时足可完全冷却到周围环境温度。由于发热情况与长期连续工作方式的电机不同，所以，电机选择也不一样，可选择专用短时工作电机，也可选择连续工作制电机。（一）选用短时工作制的电机我国生产的专供短时工作制的电机，规定的标准短时运行时间是10min、30min、60min、90min四种。这类电机铭牌上的额定功率Pn与标准的工作时间ts对应，如超过ts，则超过允许温升。因此，要按实际工作实际选择与上述标准持续时间相接近的电动机。如实际工作时间tp与ts不同时，应先将tp下功率Pp（生产机械短时工作的实际功率）还算成ts下的功率Ps，这可根据等效功率法加以换算，即sppsppssttPPtPtP22然后选择短时工作制电动机，使其Pn大于Ps，再进行过载能力与启动能力的校验。（二）选择连续工作制的普通电动机如果选择普通电机，其额定功率Pn是按照连续工作来设计的，如果用作短时工作，而输出功率不变，则电机到不了允许温升，未充分利用电机。因此，短时工作时，可允许过载，其过载倍数K＝Ps/Pn与ts/Th有关。因此，选KPsPN/式中，Ps为短时负载功率，Pn为连续工作制电动机的额定功率，ts短时工作时间，Th为电动机的发热时间常数。因此，工作时间越短，电动机实际允许的输出功率越大。但当工作时间小于一定限度时，过载能力成了选择电动机功率的主要依据。一般说，只要实际工作时间tp（0.3~0.4)Th,则可直接根据过载能力和启动能力来选择电动机容量。而不必考虑发热。如果短时运行时，负载是变动的，同样可以采用“等值法”来算出其等效功率（转矩或电流），再选择电动机。三、重复短时工作制电动机容量的选择有些生产机械工作一段时间后即停歇一段时间，工作、停歇交替进行，且时间都比较短，如电梯、组合机床等。拖动这类生产机械的电动机工作特点：工作时间tp(3～4）Th’，停车时t0(3～4）Th’，工作时间内温升还没有下降到零时，下一个周期又已开始。如图所示。重复性和短时性是重复短时工作制的两个特点。通常用暂载率（或持续率）ε来表征重复短时工作制的工作情况。即%100t0pttp＝工作时间＋停车时间工作时间（一）选择重复短时工作制的电动机我国生产的专供重复短时工作制的电动机，规定的标准暂载率εs为15％、25％、40％和60％四种。并以25％为额定负载暂载率εsN，同时规定一个周期的总时间tp＋t0不超过10分钟。常用的型号有YZ(JZ)系列鼠笼式异步电动机，YZR(JZR)系列线绕式异步电动机，ZZ系列和ZZJ系列直流电动机。每一个电动机在不同的εs下，都有不同的额定功率PsN。其中电动机一周期内的工作时间越长，即εs越大，电动机所允许输出的功率越小。重复短时工作制电动机容量选择的步骤如下：1.根据生产机械的负载图算出电动机的实际暂载率ε，如果算出的ε值与电动机的额定负载暂载率εsN（25％）相等，即可从产品目录中查的额定功率PsN，所选电机的PsN应等于或略大于生产机械所需功率P。如果算出的ε值不等于εsN，则按下式换算。25.0PPPssN2.由εsN从产品目录中查得PsN，选电机的PsN应等于或略大于生产机械所需功率P。（二）选用连续工作制的电动机例有一起重机，其中P＝10kW，工作时间tp＝0.91min，空车时间t0＝2.34min，要求采用线绕式异步电动机，转速为1000r/min左右，试选用电动机。%28%100*34.291.091.0%100*0ttptp将其换算成额定负载暂载率的等效功率：kWPPssN58.10%25%2810可选取YZR31－6型线绕式异步电动机，其额定数据为PsN＝11kW，nN＝953r/min。此时额定暂载率为100％，再按照上述方法选择电动机。如上例，对应的等效负载功率为kWPPssN3.5%100%2810可选用YR61－6型，其PN＝7kW，nN＝940r/min.如果负载是变动的，可用“等值法”先算出等效功率P，再按照以上步骤选用电机。选好电机后，要进行过载能力校验。暂载率小于10％时，可按短时工作制选用电动机，当暂载率大于70％时，可按连续工作制选择电动机。重复周期很短（2min），启动、制动或正、反转十分频繁时，必需考虑启、制动电流的影响，因而在选择电动机时容量要适当大些。