电机及拖动基础 第5版课件 第八章电动机容量选择 5版

第八章电动机容量的选择选择包括

以上电动机选择五部分的介绍下面作进一步说明。型式额定电压电动机

容量（功率）额定转速种类

要使电力拖动系统经济而可靠地运行，必须正确选择拖动电动机。电动机容量选择电动机容量选择知识目标：熟悉常用电动机的容量和特点。能力目标：能够对常用电动机的容量进行选择。素养目标：培育对技术价值和行业发展的认同感。

对一般要求的生产机械，优先考虑选用三相笼型异步电动机。对于要求起动转矩大、并且有一定调速要求的生产机械，可选用绕线转子异步电动机。对拖动功率大，需要补偿电网功率因数以及稳定的工作速度时，优先考虑选用三相同步电动机。对调速性能要求高，在要求快速而平滑的起、制动时时，考虑优先选用直流电动机。

选择电动机的种类

电动机的结构型式的选择应包括安装方式(立式、卧式)和防护式、封闭式和防爆式等，是根据不同的工作环境而确定的。选择电动机的结构、电压等级

在选择电动机的电压等级时，应使电动机额定电压与供电电压等级一致。一般小型和部分中型交流电动机的额定电压为380V，大型和部分中型交流电动机的额定电压为3000、6000、10000

V三种。直流电动机的额定电压一般为110、220、440、660V等。

根据电机设计知识，当电动机功率一定时，则高速电动机较经济，但当生产机械的工作速度一定时，则电动机转速越高，传动机构的传速比越大，使传动机构复杂，整个系统装置的造价升高，所以选择电动机额定转速时，必须从电动机与机械装置两个方面综合考虑。

选择电动机的额定转速

必须从生产机械的工艺过程、负载转矩的性质、电动机的工作制及经济性等几个方面综合考虑，如果选择容量太小，电动机将长期过载而使其过早损坏。如果选择的容量过大，不仅电动机容量不能被充分利用，造成设备投资浪费，而且造成运行效率低及异步电动机的功率因数低。因此正确初步选择电动机的容量（功率）非常重要。选择电动机的容量（功率）

电动机的容量初定后，最主要的是分析和校验电动机在运行中的发热与温升，并校核过载能力及起动能力等。校验通过，电动机容量（功率）的选择就确定下来。电动机容量初定后的校验校验是本章着重阐述的问题。

第一节电动机容量选择的基本知识

绝缘耐热等级130（B)155(F)180(H）200（N）绝缘材料的允许温度/。C130155180200电机的允许温升/K（电阻法）80105125145

电动机在运行中，由于内部总损耗(∑ｐ=

Ｐ１－Ｐ２)产生热量，使电动机的温度升高，电动机所能容许达到的最高温度取决于电动机所用绝缘材料的耐热程度，称为绝缘等级。不同的绝缘材料，其最高容许温度是不同的。电机中常用的绝缘材料，是按其耐热能力来分级的。它们的最高容许工作温度如表1-1所示（教材P11）。表1-1电机允许温升与绝缘耐热等级的关系一、电动机的温升和绝缘

那么怎样才能使电动机的温升既不超过也不太小于其允许温升呢?这就要先了解电动机的发热和冷却问题。

理论上：电机的允许温升：最高允许温度-标准环境温度40℃的差值。如B级绝缘，应130-40=90k（K是温升的单位），但表1-1中并不是，而是80k，这是给了一个裕量。仔细看各级别都有裕量。一、电动机的温升和绝缘

但我们已习惯这样理解：因绝缘材料的允许温度，就是电动机的允许温度。绝缘材料的寿命，一般就是电动机的寿命。允许温升表示一台电动机能带负载的限度，而电动机的额定功率就代表了这一限度。电动机铭牌上所标注的额定功率，表示在环境温度为４０℃时，电动机按规定的工作制工作，而电动机所能达到的最高温度不超过绝缘材料最高允许温度时的输出功率。可见我们是按照绝缘材料的允许温升来选择电动机容量的。二、电动机的发热和冷却

电动机在运行过程中，由于∑ｐ转换的热量不断产生，电动机温度升高，就有了温升。电动机就要向周围散热，温升越高，散热越快，当单位时间发出的热量等于散出的热量时，电动机温度不再增加，而保持一个稳定不变的温升（τW）。即处于发热与散热平衡的状态，此过程是温度升高的热过渡过程，称之为发热。1.电动机的发热过程电动机发热过程的温升曲线电动机的负载增加，起始温升τ0≠０电动机长期停歇后起动，起始温升τ０=０温升曲线按指数规律变化，温升变化的快慢与发热时间常数T（电动机的热容量、散热状况等相关）大小有关。电动机发热初始阶段，散发的热量大多被电动机吸收，温升快，过一段时间后，温度高，散热也快，温升变慢，曲线趋于平缓，至发热与散热平衡，达稳定值τW。二、电动机的发热和冷却

对负载运行的电动机，在温升稳定以后，如果使其负载减少或使其停车。那么电动机内损耗∑ｐ及单位时间的发热量都将随之减少或不再继续产生，这样就使发热少于散热，破坏了热平衡状态，电动机的温度要下降，温升降低。在降温过程中，随着温升的降低，单位时间散热量也减少，当达到发热量等于散热量时，电动机不再继续降温，其温升又稳定在一个新的数值上。在停车时，温升将降为零，温升下降的过程称为冷却。2.电动机的冷却过程电动机冷却过程的温升曲线电动机的负载减少，稳定温升τW≠０冷却过程的曲线也是按指数规律变化电动机负载全部去掉，断开电源一定时间，稳定温升τW=０1-负载减小时2-电动机断开电源时

以上发热和冷却情况，适用于恒定负载连续工作。二、电动机的发热和冷却

连续工作制是指电动机工作时间

tg相当长，大于发热时间常数T的３~４倍。

即：tg>(３~４)Ｔ1.S1工作制-连续工作制

一般tg可达几小时、几昼夜、甚至更长时间。电动机的温升可以达到稳定温升τW。连续工作制时的电动机的负载图和温升曲线

电动机工作时，负载持续时间的长短对电机的发热与冷却影响较大，对正确选择电动机的容量也有影响。电动机的工作制就是对电动机承受负载情况的说明。按国家标准将电动机工作制分为10类。下面介绍三种常见的S1、S2、S3。三、电动机的工作制电动机所拖动的负载是恒定不变的，水泵、通风机、造纸机、大型机床的主轴拖动电动机等属于连续工作制。图中，P是负载的功率2.S2工作制-短期工作制

短时工作制时的电动机的负载图和温升、冷却过程曲线三、电动机的工作制图中，P是负载的功率τWtgt0τg

短时工作制是指电动机的工作时间较短，即tg<(３~４)Ｔ。

电动机在短时工作时，其容量往往只受过载能力的限制。因此这类电动机应设计成有较大的允许过载系数。国家规定的短时工作制的标准时间为15min、30min、60min和90min四种。在工作时间到tg时，电动机的温升τg<稳态值τW停歇时间t0相当长,即t0>(３~４)Ｔ。在停歇时间里足以使电动机各部分冷却后的温度和周围介质温度相同，温升降到零。

水闸闸门、车床的夹紧装置、转炉倾动机构的拖动电动机等属于短时工作制。3.S3工作制-断续周期工作制

断续周期工作制((tg+

t0)≤10min)时的电动机的负载与温升关系三、电动机的工作制

断续周期工作制是指电动机工作与停歇周期性交替进行，但时间都比较短。S3工作制中,负载工作时间与整个周期之比称为负载持续率,用FC%

表示。国家标准规定为15%、25%、40%和60%四种。工作时，tg<(３~４)Ｔ，温升达不到稳态值。电动机经过一个周期时间(tg+

t0)，温升有所上升，经过若干个周期后，温升在最高温升τmax和最低温升τmin之间波动,达到周期性变化的稳定状态,其最高温升仍低于拖动同样负载连续运行的稳态温升τW

起重机械、电梯、轧钢机辅助机械、某些自动机床的工作机构等的拖动电动机都属于断续周期工作制。停歇时，t0

<(３~４)Ｔ，电动机温升也降不到零。注意:许多生产机械周期性断续工作的周期并不相等，这时负载持续率只具有统计性质。由于断续周期工作制的电动机起制动频繁，要求过载能力强，对机械强度的要求也高。

第二节电动机容量选择的基本方法

选择电动机的容量较为繁杂，不仅需要一定的理论分析计算，还需要经过校验核准。其基本步骤是:（1）根据生产机械拖动负载的负载图P=f(t)及温升曲线τ=

f(t),并考虑电动机的过载能力,预选一台电动机。

（2）然后根据负载图进行发热校验，将校验结果与预选电动机的参数进行比较，若发现预选电动机的容量太大或太小，再重新选择，直到其容量得到充分利用。

(3)最后再校验其过载能力与起动转矩是否满足要求。

选择的原则是使电动机稳定温升τｗ在电动机绝缘允许的最高温升限度之内，选择的方法是使电动机的额定功率（容量）略大于生产机械的负载功率PL。一、连续工作制电动机容量的选择PL的获得：（1）有生产机械提供的负载图，即已知。（2）无法提供，用理论计算或经验公式,典型的有：由于一般电动机是按常值负载连续工作设计的，电动机设计及出厂试验保证在额定容量下工作时，温升不会超出允许值，而电动机所带的负载功率小于或等于其额定功率，发热自然没有问题，不需进行发热校验。以上公式的相关符号含义详见教材P195

一、连续工作制电动机容量的选择

扩展：S1、S2、S3工作制电动机过载能力校验

选择电动机容量时，除考虑发热外，还要考虑电动机的过载能力。对有冲击性负载的生产机械，如球磨机等，要在产品目录中选择过载能力较大的电动机，并进行过载校验。因为各种电动机的过载能力都是有限的。表8-

1列出了各种电动机的过载能力λｍ=Ｔmax/ＴＮ的数据。若选择直流电动机,则只要生产机械所需的最大转矩Ｔ‘max不超过电动机的最大转矩Ｔmax

,过载校验可通过。即：Ｔ‘max≤λｍＴＮ如果选择交流电动机，要考虑电网电压向下波动时，对电动机的影响。即：Ｔ‘max≤（0.80-0.85）λｍＴＮ对笼型异步电动机还需校验其起动能力

扩展：不同环境温度下电动机功率的修正

电动机铭牌上所标注的额定功率是指环境温度为40℃时，

正常工作情况下的功率，当环境温度不标准时，其功率可按表８-２进行修正，环境温度低于30℃，一般电动机功率也只可增加８％。另环境温度超过40℃，温度越高，减的功率越厉害。另外还需注意:高原地区(海拔高度大于1000ｍ)空气稀薄，散热条件恶化，选择的电动机的使用功率必须降低。

1.直接选用短时工作制的电动机二、短时工作制电动机容量的选择短时运转电动机的选择一般有三种情况短时工作制电动机的额定功率是与铭牌上给出的标准工作时间tg：10min、30min、60min、90min相对应。2）若实际工作时间tgx与标准工作时间tg不完全相同，应把tgx内需要的功率Px，换算成tg内的标准电动机功率Pg。1）如果短时工作制的负载功率恒定，并且实际工作时间tgx与标准工作时间tg一致或相近，这时只需选择具有相同标准工作时间的短时工作制电动机，并使电动机的额定功率稍大于负载功率即可。

对S2制来说；因工作时间短，所以过载能力是要考虑的主要因素。若按换算的功率选择电动机时，要对其进行过载能力的校验。如果是笼型电动机，还要对起动能力进行校验。

2.选择断续周期工作制的电动机二、短时工作制电动机容量的选择

在没有合适的短时工作制电动机时，可选用断续周期工作制电动机代替。负载持续率FS%与短时负载的工作时间tgX之间的对应关系为：

tgX=30min，相当于FS=15％；

tgX=60min，相当于FS＝25％；

tgX=90min，相当于FS=40％。

3.选用连续工作制的电动机二、短时工作制电动机容量的选择选择S1工作制电动机代替S2工作制的，若以发热温升考虑，PN为

式中α-电动机额定运行时不变损耗与可变损耗的比值。

按上式的额定功率选择电动机，发热通过的话，过载能力和起动能力成为主要矛盾。一般情况下，当

tgx

<(0.

3~0.4)T时,只要过载能力和起动能力足够大，就不必再考虑发热问题。因此，在这种情况下，须按过载能力选择连续工作方式电动机的额定功率。最后校核其起动能力。

3.选用连续工作制的电动机二、短时工作制电动机容量的选择

例8-2一台直流电动机的额定功率PN

＝20ｋＷ,过载能力λｍ=2,发热时间常数Ｔ=30min,额定负载时铁损耗与铜损耗之比α=1,请校核下列两种情况下是否能用此台电动机:１)短期负载,

ＰＬ=40ｋＷ,

ｔgx

=20min。２)短期负载,

ＰＬ=44ｋＷ,

ｔgx=

10min。解１)折算成连续工作方式下负载功率为ＰN<P‘L

发热通不过，不能用此电动机。

3.选用连续工作制的电动机二、短时工作制电动机容量的选择解

2)折算成连续工作方式下负载功率为ＰN>P‘L

发热通过。

再校验过载能力：过载能力不够，不能用此电动机。

三、断续周期工作制电动机容量的选择

前面介绍S3工作制时：当电动机拖动断续周期性负载时，其温升也必然作周期性的波动。S3的标准负载持续率为15%、25%、40%、60%四种。同一台电动机在不同的FC%下工作时，额定功率和额定转矩均不一样，FC%越小时，额定功率和额定转矩越大，过载能力越低。

所以选择电动机容量时，先进行发热校验，再进行过载校验。（1）电动机实际负载持续率FCX%与标准负载持续率FC%相同，则可直接按照产品目录选择合适电动机。（2）当FCX%≠FC%，应该把实际功率Ｐx换算成邻近的标准FC%的功率Ｐg。

同时还应注意:当

FCX%<10%时,应选用短期工作制电动机;当FCX%>10%时,应选用长期工作制电动机。以此选择电动机，温升校验

三、断续周期工作制电动机容量的选择例8-3一台断续周期工作制电动机的负载图如图所示。预选他冷式绕线转子异步电动机，ＰＮ

=16kW，nＮ=

720min，λｍ=3，FC%

=25%。问此预选电动机适用否。例8-3电动机的负载图、转速图解：由例图可知:由于第一阶段负载随转速线性变化，因此使用等效功率法时，必须先对这段5秒内的功率进行修正。

实际的S3工作制电动机的功率按：功率等效法、电流等效法、转矩等效法等计算。下面看一个功率等效法的例子。；

续：例8-5，等效功率法的一般公式为