第8章電力拖動(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的選擇8.1電動(dòng)機(jī)種類(lèi)、電壓、轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)形式的選擇8.2電動(dòng)機(jī)容量選擇的基本知識(shí)8.3電動(dòng)機(jī)容量選擇的基本方法思考與練習(xí)題8.1電動(dòng)機(jī)種類(lèi)、電壓、轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)形式的選擇

8.1.1電動(dòng)機(jī)種類(lèi)的選擇

選擇電動(dòng)機(jī)種類(lèi)的原則是在滿足生產(chǎn)機(jī)械技術(shù)性能的前提下,優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、價(jià)格便宜、維修方便、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)的電動(dòng)機(jī)。從這個(gè)意義上看,交流電動(dòng)機(jī)優(yōu)于直流電動(dòng)機(jī),異步電動(dòng)機(jī)優(yōu)于同步電動(dòng)機(jī),籠型異步電動(dòng)機(jī)優(yōu)于繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。

當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載平穩(wěn),對(duì)啟動(dòng)、制動(dòng)及調(diào)速性能要求不高時(shí),應(yīng)優(yōu)先采用異步電動(dòng)機(jī)。例如普通機(jī)床、水泵、風(fēng)機(jī)等可選用普通籠型異步電動(dòng)機(jī)。像空壓機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)等要求電動(dòng)機(jī)有較好的啟動(dòng)性能,則可選用深槽式或雙籠型異步電動(dòng)機(jī)。而像電梯、橋式起重機(jī)一類(lèi)提升機(jī)械,啟、制動(dòng)頻繁,對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)速有一定要求時(shí),應(yīng)選用繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。

對(duì)于功率較大而又不需調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械,如大功率水泵、空壓機(jī)等,為了提高電網(wǎng)的功率因數(shù),可選用同步電動(dòng)機(jī)。調(diào)速范圍要求不大,并可由機(jī)械變速箱配合的生產(chǎn)機(jī)械,如普通機(jī)床、鍋爐引風(fēng)機(jī)等,可選用多速籠型異步電動(dòng)機(jī)。

調(diào)速范圍要求較大,且需要平滑調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械,如軋鋼機(jī)、龍門(mén)刨床、大型精密機(jī)床、造紙機(jī)等,應(yīng)選用他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)或采用變頻調(diào)速的籠型異步電動(dòng)機(jī)。要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、機(jī)械特性軟的生產(chǎn)機(jī)械,如電車(chē)、電機(jī)車(chē)、重型起重機(jī)、挖掘機(jī)、便攜工具等,一般應(yīng)選用串勵(lì)或復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。如有易燃、易爆氣體的礦井等特殊場(chǎng)所,不能使用直流電動(dòng)機(jī),而應(yīng)采用異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展,交流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛,正逐漸取代直流電動(dòng)機(jī)。8.1.2電動(dòng)機(jī)電壓等級(jí)的選擇交流電動(dòng)機(jī)額定電壓的選擇主要按使用場(chǎng)所的供電電壓等級(jí)選擇。一般低壓電網(wǎng)為380V，因此中小型三相異步電動(dòng)機(jī)的額定電壓大多為380V(Y或△形法),220/380V（△/Y形接法)和380/660V（△/Y形接法）。單相異步電動(dòng)機(jī)的額定電壓多采用220V,礦山及鋼鐵企業(yè)的大型設(shè)備用大功率電動(dòng)機(jī),可采用高壓電動(dòng)機(jī),這樣既減小了電動(dòng)機(jī)的體積,又節(jié)約了銅線的用量。

直流電動(dòng)機(jī)的額定電壓也要與電源電壓相配合。由直流發(fā)電機(jī)供電的直流電動(dòng)機(jī)額定電壓一般為110V或220V。大功率電動(dòng)機(jī)可提高到600～1000V,當(dāng)電網(wǎng)電壓為380V,直流電動(dòng)機(jī)由晶閘管整流電路供電時(shí),采用三相整流可選額定電壓為440V,單相整流可選額定電壓為160V或180V。8.1.3電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的選擇

電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的要求來(lái)選擇的。在一定功率時(shí),電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速越高,其體積越小,重量越輕,價(jià)格越低,運(yùn)行的效率越高,電動(dòng)機(jī)的飛輪矩越小,因此選用高速電動(dòng)機(jī)較經(jīng)濟(jì)。但是,若生產(chǎn)機(jī)械要求的轉(zhuǎn)速低,如果選擇高速電動(dòng)機(jī),則會(huì)使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜。

對(duì)于經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械,若過(guò)渡過(guò)程時(shí)間對(duì)生產(chǎn)效率有較大影響,則應(yīng)以GD2·nN為最小來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速,如龍門(mén)刨床工作臺(tái)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)等。若過(guò)渡過(guò)程時(shí)間對(duì)生產(chǎn)效率影響不大,則應(yīng)以過(guò)渡過(guò)程中能量損耗最小來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。8.1.4電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式的選擇電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式有開(kāi)啟式、防護(hù)式、封閉式和防爆式四種。為使電動(dòng)機(jī)能正常工作于不同環(huán)境下,必須根據(jù)工作環(huán)境條件來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)的防護(hù)形式,以保護(hù)電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期工作而不被損壞。1.開(kāi)啟式開(kāi)啟式電動(dòng)機(jī)的價(jià)格便宜,散熱條件最好,但由于轉(zhuǎn)子和繞組暴露在空氣中,容易被水汽、灰塵、鐵屑、油污等侵蝕,影響電動(dòng)機(jī)的正常工作及使用壽命。因此,它只能用于干燥、灰塵很少又無(wú)腐蝕性和爆炸性氣體的環(huán)境。2.防護(hù)式防護(hù)式電動(dòng)機(jī)一般可防止水滴、鐵屑等外界雜物落入電動(dòng)機(jī)內(nèi)部,但不能防止潮氣及灰塵的侵入。它只適用于較干燥且灰塵不多又無(wú)腐蝕性和爆炸性氣體的工作環(huán)境。這種電動(dòng)機(jī)的通風(fēng)散熱條件也較好。3.封閉式

封閉式電動(dòng)機(jī)有自冷式、強(qiáng)迫通風(fēng)式和密閉式三種。自冷式電動(dòng)機(jī)一般自帶風(fēng)扇,自冷式和強(qiáng)迫通風(fēng)式電動(dòng)機(jī)能防止任何方向的水滴或雜物侵入電動(dòng)機(jī),潮濕空氣和灰塵也不易侵入,因此適用于潮濕、多塵、易受風(fēng)雨侵蝕,有腐蝕性氣體等較惡劣的工作環(huán)境,應(yīng)用最普遍。而密閉式電動(dòng)機(jī),則適用于浸入液體中的生產(chǎn)機(jī)械,如潛水泵等。4.防爆式防爆式電動(dòng)機(jī)是在密封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上制成隔爆型、增安型和正壓型等,適用于有爆炸危險(xiǎn)的工作環(huán)境,如礦井、油庫(kù)、煤氣站等場(chǎng)所。此外,對(duì)于濕熱地帶、高海拔地帶及船舶等用電動(dòng)機(jī),還應(yīng)選具有特殊防護(hù)要求的電動(dòng)機(jī)。8.2電動(dòng)機(jī)容量選擇的基本知識(shí)

8.2.1電動(dòng)機(jī)的溫升和絕緣

電動(dòng)機(jī)在負(fù)載運(yùn)行時(shí),其內(nèi)部總損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苁闺妱?dòng)機(jī)溫度升高。而電動(dòng)機(jī)中耐熱最差的是絕緣材料,若電動(dòng)機(jī)的負(fù)載太大,損耗太大而使溫度超過(guò)絕緣材料允許的限度時(shí),絕緣材料的壽命就急劇縮短,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使絕緣遭到破壞,電動(dòng)機(jī)冒煙而燒毀。這個(gè)溫度限度稱(chēng)為絕緣材料的允許溫度。由此可見(jiàn),絕緣材料的允許溫度就是電動(dòng)機(jī)的允許溫度；絕緣材料的壽命就是電動(dòng)機(jī)的壽命。

不同的絕緣材料有不同的允許溫度,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,把電動(dòng)機(jī)常用絕緣材料分成若干等級(jí),如表8-1所列。表8-1電動(dòng)機(jī)絕緣材料的等級(jí)和允許溫度、允許溫升

表8-1中的絕緣材料的最高允許溫升(也稱(chēng)允許溫升)就是最高允許溫度與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度40℃的差值,它表示一臺(tái)電動(dòng)機(jī)能帶負(fù)載的限度,而電動(dòng)機(jī)的額定功率就代表了這一限度。電動(dòng)機(jī)銘牌上所標(biāo)注的額定功率,表示在環(huán)境溫度為40℃時(shí),電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)工作,而電動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的最高溫度不超過(guò)絕緣材料最高允許溫度時(shí)的輸出功率。當(dāng)環(huán)境溫度低于40℃時(shí),電動(dòng)機(jī)的輸出功率可以大于額定功率；反之,電動(dòng)機(jī)的輸出功率將低于額定功率,以保證電動(dòng)機(jī)最終都能達(dá)到或不超過(guò)絕緣材料的最高允許溫度。

可見(jiàn)我們是按照絕緣材料的允許溫升來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)容量的,那么怎樣才能使電動(dòng)機(jī)的溫升既不超過(guò)也不太小于其允許溫升呢?這就要研究電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和冷卻問(wèn)題。8.2.2電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和冷卻

1．電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱過(guò)程電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中,由于總損耗轉(zhuǎn)換的熱量不斷產(chǎn)生,電動(dòng)機(jī)溫度升高,就有了溫升,電動(dòng)機(jī)就要向周?chē)?。溫升越?散熱越快。當(dāng)單位時(shí)間發(fā)出的熱量等于散出的熱量時(shí),電動(dòng)機(jī)溫度不再升高,而保持一個(gè)穩(wěn)定不變的溫升,即處于發(fā)熱與散熱平衡的狀態(tài)。此過(guò)程是升高的熱過(guò)渡過(guò)程,稱(chēng)為發(fā)熱。

由于電動(dòng)機(jī)發(fā)熱的具體情況比較復(fù)雜,為了研究分析方便,假設(shè)電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行,負(fù)載不變,總損耗不變,電動(dòng)機(jī)本身各部分溫度均勻,周?chē)h(huán)境溫度不變。

根據(jù)能量守恒定律：在任何時(shí)間內(nèi),電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量應(yīng)該與電動(dòng)機(jī)本身溫度升高需要的熱量和散發(fā)到周?chē)橘|(zhì)中去的熱量之和相等。如果用Qdt表示dt時(shí)間內(nèi)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的總熱量,用Cdt表示dt時(shí)間內(nèi)電動(dòng)機(jī)溫升所需的熱量,用表示在同一時(shí)間內(nèi),電動(dòng)機(jī)散到周?chē)橘|(zhì)中的熱量,則發(fā)熱的過(guò)渡過(guò)程有（8-1）即(8–2)式中：Q——電動(dòng)機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量(J／s)；

C——電動(dòng)機(jī)的熱容量,即電動(dòng)機(jī)溫度升高時(shí)所需要的熱量(J／℃)；

A——電動(dòng)機(jī)的表面散熱系數(shù),它表示溫升為1℃時(shí),單位時(shí)間內(nèi)散到周?chē)橘|(zhì)中的熱量J／(℃·s)；

τ——電動(dòng)機(jī)的溫升,即電動(dòng)機(jī)溫度與周?chē)橘|(zhì)溫度之差(℃)。式(8–2)即為電動(dòng)機(jī)的熱平衡方程式。它是研究電動(dòng)機(jī)發(fā)熱和冷卻的基礎(chǔ)。令=Q／A,發(fā)熱時(shí)間常數(shù)T=C／A,則熱平衡方程式(8–2)變?yōu)椋?–3）上式是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的一階微分方程,其解為(8–4)式中:——電動(dòng)機(jī)的起始溫升,即t=0時(shí)的溫升(℃)。如果電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停歇后,再負(fù)載運(yùn)行,則=0,式(8–4)變?yōu)?8–5)圖8-1電動(dòng)機(jī)發(fā)熱過(guò)程的溫升曲線

由式(8–4)和式(8–5)可分別繪出電動(dòng)機(jī)的溫升曲線1和2,如圖8–1所示。由溫升曲線可以看出電動(dòng)機(jī)的溫升是按指數(shù)規(guī)律變化的曲線。溫升變化的快慢,與發(fā)熱時(shí)間常數(shù)T

有關(guān),電動(dòng)機(jī)溫升

最終趨于穩(wěn)態(tài)溫升。

電動(dòng)機(jī)發(fā)熱的初始階段,由于溫升小,散發(fā)出的熱量較少,大部分熱量被電機(jī)吸收,因此溫升增加較快；過(guò)一段時(shí)間以后,電動(dòng)機(jī)的溫升增加,散發(fā)的熱量也增加,而電動(dòng)機(jī)的損耗產(chǎn)生的熱量因負(fù)載恒定而保持不變,則電機(jī)吸收的熱量不斷減少,溫升變慢,溫升曲線趨于平緩；當(dāng)發(fā)出熱量與散發(fā)熱量相等,即Qdt=Adt時(shí),d=0,電動(dòng)機(jī)的溫升不再增長(zhǎng),溫度最后達(dá)到穩(wěn)定值。發(fā)熱時(shí)間常數(shù)T=C／A是一個(gè)很重要的參數(shù)。當(dāng)熱容量越大時(shí),溫升越緩慢,所以T

較大；當(dāng)散熱系數(shù)A

越大時(shí),散熱越快,所以T較小。2．電動(dòng)機(jī)的冷卻過(guò)程

對(duì)負(fù)載運(yùn)行的電動(dòng)機(jī),在溫升穩(wěn)定以后,如果使其負(fù)載減小或使其停車(chē),那么電動(dòng)機(jī)內(nèi)的總損耗及單位時(shí)間的發(fā)熱量Q都將隨之減小或不再繼續(xù)產(chǎn)生。這樣就使發(fā)熱少于散熱,破壞了熱平衡狀態(tài),電動(dòng)機(jī)的溫度下降,溫升降低。在降溫過(guò)程中,隨著溫升的降低,單位時(shí)間散熱量也減小。當(dāng)達(dá)到Q=,即發(fā)熱量等于散熱量時(shí),電動(dòng)機(jī)不再繼續(xù)降溫,其溫升又穩(wěn)定在一個(gè)新的數(shù)值上。在停車(chē)時(shí),溫升將降為零。溫升下降的過(guò)程稱(chēng)為冷卻。

熱平衡方程式在電機(jī)冷卻過(guò)程中同樣適用。只是其中的起始值、穩(wěn)態(tài)值不同,而時(shí)間常數(shù)相同。若減小負(fù)載之前的穩(wěn)定溫升為,而重新負(fù)載后的穩(wěn)定溫升,由于Q

已減小,因此。＞圖8-2電動(dòng)機(jī)冷卻過(guò)程的溫升曲線

電動(dòng)機(jī)冷卻過(guò)程的溫升曲線如圖8–2所示,冷卻過(guò)程曲線也是一條按指數(shù)規(guī)律變化的曲線。當(dāng)負(fù)載減小到某一數(shù)值時(shí),,如曲線1；如果把負(fù)載全部去掉,且斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)電源后,則,如曲線2。上面研究的電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和冷卻情況,只適用于電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)恒定負(fù)載連續(xù)工作的情況。3.電動(dòng)機(jī)的工作制電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和冷卻情況不但與其所拖動(dòng)的負(fù)載有關(guān),而且與負(fù)載持續(xù)的時(shí)間有關(guān),所以,還要對(duì)電動(dòng)機(jī)的工作方式進(jìn)行分析。為了便于電動(dòng)機(jī)的系列生產(chǎn)和供用戶(hù)選擇使用，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將電動(dòng)機(jī)工作方式分為三類(lèi)。1)連續(xù)工作制連續(xù)工作制是指電動(dòng)機(jī)工作時(shí)間tg

相當(dāng)長(zhǎng),即tg＞(3～4)T,電動(dòng)機(jī)的溫升可以達(dá)到穩(wěn)定溫升。連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)的負(fù)載功率PL

和溫升τ隨時(shí)間變化的曲線如圖8–3所示。電動(dòng)機(jī)銘牌上對(duì)工作方式?jīng)]有特殊標(biāo)注的都屬于連續(xù)工作制,如水泵、通風(fēng)機(jī)、造紙機(jī)、大型機(jī)床的主軸拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)等。

圖8-3連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)的負(fù)載圖和溫升曲線圖8-4短時(shí)工作制電動(dòng)機(jī)的負(fù)載圖和溫升曲線2)短時(shí)工作制短時(shí)工作制是指電動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間較短,即tg<(3～４）Ｔ

,在工作時(shí)間內(nèi)電動(dòng)機(jī)的溫升達(dá)不到穩(wěn)態(tài)值；而停歇時(shí)間t0相當(dāng)長(zhǎng),即t0>(3～4)T,在停歇時(shí)間里足以使電動(dòng)機(jī)的溫升降到零。短時(shí)工作制電動(dòng)機(jī)的負(fù)載圖和溫升曲線如圖8–4所示。國(guó)家規(guī)定短時(shí)工作制的標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)間為15min、30min、60min和90min四種。屬于這種工作制的電動(dòng)機(jī)有水閘閘門(mén)、車(chē)床的夾緊裝置的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)等。電動(dòng)機(jī)在短時(shí)工作時(shí),其容量往往只受過(guò)載能力的限制,因此這類(lèi)電動(dòng)機(jī)應(yīng)設(shè)計(jì)成有較大的過(guò)載能力。3)斷續(xù)周期工作制斷續(xù)周期工作制是指電動(dòng)機(jī)工作與停歇周期性交替進(jìn)行,但時(shí)間都比較短。工作時(shí)，tg<(3～4)T,溫升達(dá)不到穩(wěn)態(tài)值；停歇時(shí),t0<(3～4)T,溫升也降不到零。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定每個(gè)工作與停歇的周期(tg+t0)≤10min。電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)一個(gè)周期時(shí)間,溫升有所上升。經(jīng)過(guò)若干個(gè)周期后,溫升在最高溫升

和最低溫升之間波動(dòng),達(dá)到了周期性變化的穩(wěn)定狀態(tài)。但其最高溫升仍低于拖動(dòng)同樣負(fù)載連續(xù)運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)溫升。斷續(xù)周期工作制電動(dòng)機(jī)的負(fù)載圖和溫升曲線如圖8–5所示。圖8-5斷續(xù)周期工作制電動(dòng)機(jī)的負(fù)載圖和溫升曲線

在斷續(xù)周期工作制中,負(fù)載工作時(shí)間與整個(gè)周期之比稱(chēng)為負(fù)載持續(xù)率（或暫載率）,用FC%表示。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定負(fù)載持續(xù)率為15％、25％、40％和60％四種。起重機(jī)械、電梯、軋鋼機(jī)輔助機(jī)械、某些自動(dòng)機(jī)床的工作機(jī)構(gòu)等的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)都屬于斷續(xù)周期工作制。但許多生產(chǎn)機(jī)械周期性斷續(xù)工作的周期并不相等,這時(shí)負(fù)載持續(xù)率只具有統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。由于斷續(xù)周期工作制的電動(dòng)機(jī)啟、制動(dòng)頻繁,要求過(guò)載能力強(qiáng),對(duì)機(jī)械強(qiáng)度的要求也高,因此應(yīng)用時(shí)要特別注意。8.3電動(dòng)機(jī)容量選擇的基本方法

選擇電動(dòng)機(jī)的容量較為繁瑣,不僅需要一定的理論分析計(jì)算,還需要經(jīng)過(guò)校驗(yàn)。其基本步驟是：根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載提供的負(fù)載圖PL=f(t)及溫升曲線τ=f(t),并考慮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力,預(yù)選一臺(tái)電動(dòng)機(jī),然后根據(jù)負(fù)載圖進(jìn)行發(fā)熱校驗(yàn),將校驗(yàn)結(jié)果與預(yù)選電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行比較,若發(fā)現(xiàn)預(yù)選電動(dòng)機(jī)的容量太大或太小,再重新選擇,直到其容量得到充分利用,最后再校驗(yàn)其過(guò)載能力與啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是否滿足要求。8.3.1連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)容量的選擇

1．恒定負(fù)載下電動(dòng)機(jī)容量的選擇

恒定負(fù)載是指在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,電動(dòng)機(jī)處于連續(xù)工作狀態(tài),負(fù)載大小恒定或基本恒定不變,工作時(shí)能達(dá)到穩(wěn)定溫升。這種生產(chǎn)機(jī)械所用的電動(dòng)機(jī)容量選擇比較簡(jiǎn)單。選擇的原則是使穩(wěn)定溫升在電動(dòng)機(jī)絕緣允許的最高溫升限度之內(nèi)。選擇的方法是使電動(dòng)機(jī)的額定功率等于生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載功率加上拖動(dòng)系統(tǒng)的能量損耗。通常情況下,負(fù)載功率PL

是已知的,拖動(dòng)系統(tǒng)的能量損耗可由傳動(dòng)效率η求得。實(shí)際上PL和η

已知時(shí),可按PN=PL/η計(jì)算電動(dòng)機(jī)的額定功率PN,然后根據(jù)產(chǎn)品目錄選一臺(tái)電動(dòng)機(jī),使電動(dòng)機(jī)的額定功率等于或略大于生產(chǎn)機(jī)械需要的功率,即(8–6)

由于一般電動(dòng)機(jī)是按恒定負(fù)載且連續(xù)工作設(shè)計(jì)的,電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及出廠試驗(yàn)保證在額定容量下工作時(shí),溫升不會(huì)超出允許值,而電動(dòng)機(jī)所帶的負(fù)載功率小于或等于其額定功率,發(fā)熱自然沒(méi)有問(wèn)題,不需進(jìn)行發(fā)熱校驗(yàn)。

當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械無(wú)法提供負(fù)載功率PL

時(shí),可以用理論方法或經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定所用電動(dòng)機(jī)的功率一般旋轉(zhuǎn)機(jī)械的負(fù)載功率表達(dá)式為(8–7)式中：TL——生產(chǎn)機(jī)械的靜態(tài)阻轉(zhuǎn)矩(N·m)；

n——生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速(r／min),負(fù)載功率PL

的單位為kW。水泵在電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載功率表達(dá)式為(8–8)式中：Q——泵的流量(m3／s)；

ρ——液體密度(kg/m3);

H——揚(yáng)程,即排水高度(m)；

——泵的效率,高壓離心泵為0.5～0.8,低壓離心泵為0.3～0.6,活塞式泵為0.8～0.9;——電動(dòng)機(jī)與泵之間的傳動(dòng)裝置的效率,直接連接為0.95~1,皮帶傳動(dòng)為0.9。

例8.1

一臺(tái)直接與電動(dòng)機(jī)連接的離心式水泵,其流量為50m3/h,揚(yáng)程為15m,轉(zhuǎn)速為1440r/min,水泵的效率為0.4,水的密度為1000kg/m3,試選擇電動(dòng)機(jī)的容量。解水泵在電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載功率為

若工作環(huán)境無(wú)特殊要求,可選用額定轉(zhuǎn)速為1440r/min,額定功率為5.5kW的封閉式異步電動(dòng)機(jī)。選擇電動(dòng)機(jī)容量時(shí),除考慮發(fā)熱外,還要考慮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力。對(duì)有沖擊性負(fù)載的生產(chǎn)機(jī)械,如球磨機(jī)等,要在產(chǎn)品目錄中選擇過(guò)載能力較大的電動(dòng)機(jī),并進(jìn)行過(guò)載校驗(yàn),因?yàn)楦鞣N電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力都是有限的。

若選擇直流電動(dòng)機(jī),只要生產(chǎn)機(jī)械的最大轉(zhuǎn)矩不超過(guò)電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩,過(guò)載校驗(yàn)就可以通過(guò)。校驗(yàn)直流電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力可按下式計(jì)算：

(8–9)

如果選擇交流電動(dòng)機(jī),要考慮電網(wǎng)電壓向下波動(dòng)時(shí),對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響。其校驗(yàn)的條件為(8–10)

當(dāng)過(guò)載能力不滿足時(shí),應(yīng)該另選電動(dòng)機(jī),重新校驗(yàn),直到滿足條件為止。對(duì)于籠型異步電動(dòng)機(jī),還要校驗(yàn)其啟動(dòng)能力。其校驗(yàn)的條件為

≥(1.1～1.2)

TL(8–11)

電動(dòng)機(jī)銘牌上所標(biāo)注的額定功率是指環(huán)境溫度為40℃時(shí),連續(xù)工作情況下的功率。當(dāng)環(huán)境溫度不標(biāo)準(zhǔn)時(shí),其功率可按表8–2進(jìn)行修正。環(huán)境溫度低于30℃,一般電動(dòng)機(jī)功率也只增加8％。但必須注意,當(dāng)高原地區(qū)(海拔高度大于1000m)空氣稀薄,散熱條件惡化,選擇的電動(dòng)機(jī)的使用功率必須降低。2．周期性變化負(fù)載下電動(dòng)機(jī)容量的選擇電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)周期性變化負(fù)載連續(xù)工作時(shí),它的輸出功率也按一定規(guī)律變化,變化周期為tz,一般tz=t1+t2+…+tn,共n

段。周期性變化負(fù)載圖PL=f(t)如圖8–6所示。當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)這類(lèi)生產(chǎn)機(jī)械工作時(shí),因?yàn)樨?fù)載作周期性變化,所以溫升也必然隨負(fù)載周期性變化而波動(dòng),溫升波動(dòng)的最大值必然低于對(duì)應(yīng)于最大負(fù)載時(shí)的穩(wěn)定溫升,而高于對(duì)應(yīng)于最小負(fù)載時(shí)的穩(wěn)定溫升。這樣,若按最大負(fù)載選擇電動(dòng)機(jī),顯然是不經(jīng)濟(jì)的；而按最小負(fù)載選擇電動(dòng)機(jī),其溫升將超過(guò)允許溫升。因此,電動(dòng)機(jī)容量應(yīng)在最大負(fù)載與最小負(fù)載之間,如果選擇得合適,既可使電動(dòng)機(jī)得到充分利用,又可使電動(dòng)機(jī)的溫升不超過(guò)允許溫升。在工程實(shí)踐中,通常采用下列方法進(jìn)行選擇。圖8-6周期性變化負(fù)載圖1)等效電流法等效電流法的基本原理是：用等效不變的電流Idx來(lái)代替實(shí)際變動(dòng)的負(fù)載電流，要求在同一周期內(nèi),等效電流Idx與實(shí)際上變動(dòng)的負(fù)載電流所產(chǎn)生的熱量相等。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的鐵損耗與電阻不變時(shí),則可變損耗只與電流的平方成正比,由此求得(8–12)式中：tn——對(duì)應(yīng)于負(fù)載電流為In時(shí)的工作時(shí)間。求出等效電流Idx

后,選擇的電動(dòng)機(jī)的額定電流應(yīng)大于或等于等效電流,即IN≥Idx

。2)等效轉(zhuǎn)矩法在選擇電動(dòng)機(jī)容量時(shí),如果其轉(zhuǎn)矩與電流成比例,且鐵損耗及電阻為常數(shù),他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁通不變或異步電動(dòng)機(jī)的及氣隙磁通也不變時(shí),則可以用等效轉(zhuǎn)矩法求出。(8–13)求出等效轉(zhuǎn)矩Ｔdx后,選擇的電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于或等于等效轉(zhuǎn)矩,即TN≥Tdx

。3)等效功率法等效功率法是在功率與轉(zhuǎn)矩成線性關(guān)系,且當(dāng)轉(zhuǎn)速不變或變化很小的條件下,由等效轉(zhuǎn)矩法引導(dǎo)出來(lái)的,此時(shí)等效功率Pdx

應(yīng)為(8–14)求出等效功率Pdx

后,選擇的電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)大于或等于等效功率，即PN≥Pdx

。由于電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)和制動(dòng)階段的轉(zhuǎn)速n

低于額定轉(zhuǎn)速nN,因此選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)可以采用等效轉(zhuǎn)矩法,但不能采用等效功率法。若要采用等效功率法,須將該段的功率向nN

折算,進(jìn)行修正。當(dāng)Φ=ΦN

時(shí),若轉(zhuǎn)速為n時(shí)的功率為Pi,折算后的功率則為(n＜nN)(8–15)

注意：用等效法選擇電動(dòng)機(jī)容量時(shí),還必須根據(jù)最大負(fù)載來(lái)校驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力是否符合要求。8.3.2短時(shí)工作制電動(dòng)機(jī)容量的選擇

1．選用短時(shí)工作制的電動(dòng)機(jī)

我國(guó)設(shè)計(jì)制造的短時(shí)工作制電動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)間tg

為15min、30min、60min和90min四種。同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)不同的工作時(shí)間,有不同的功率,其關(guān)系為P15＞P30＞P60＞P90,顯然其過(guò)載能力的關(guān)系應(yīng)該是 。一般這種電動(dòng)機(jī)銘牌上標(biāo)注的額定功率為P60

。當(dāng)實(shí)際工作時(shí)間tgx

接近上述標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)間tg

時(shí),可按對(duì)應(yīng)的工作時(shí)間和功率,在產(chǎn)品目錄中直接選用。當(dāng)實(shí)際工作時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)間不完全相同時(shí),應(yīng)該把實(shí)際工作時(shí)間內(nèi)需要的功率Px

換算成標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)間內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)功率Pg,然后再按換算后的標(biāo)準(zhǔn)功率Pg,在產(chǎn)品目錄中選用。換算的原則是標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)間下電動(dòng)機(jī)的損耗與實(shí)際工作時(shí)間下電動(dòng)機(jī)的損耗完全相等。換算關(guān)系如下：(8–16)

對(duì)短時(shí)工作制電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō),因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)間很短,所以過(guò)載能力是考慮的主要因素。按計(jì)算出的等效功率選擇電動(dòng)機(jī)時(shí),要對(duì)其進(jìn)行過(guò)載能力的校驗(yàn)。如果是籠型電動(dòng)機(jī),還要對(duì)啟動(dòng)能力進(jìn)行校驗(yàn)。

2．選用斷續(xù)周期工作制的電動(dòng)機(jī)

如果沒(méi)有合適的短時(shí)工作制電動(dòng)機(jī),可采用斷續(xù)周期工作制的電動(dòng)機(jī)代替。短時(shí)工作時(shí)間與負(fù)載持續(xù)率FC%的換算關(guān)系可近似地認(rèn)為30min相當(dāng)于FC％＝15％,60min相當(dāng)于FC%＝25％,90min相當(dāng)于FC%＝40％。3．選用連續(xù)工作制的電動(dòng)機(jī)選擇連續(xù)工作制的電動(dòng)機(jī)代替短時(shí)工作制的電動(dòng)機(jī)時(shí),若從發(fā)熱溫升來(lái)考慮,電動(dòng)機(jī)的額定功率為(8–17)式中：α——電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)不變損耗與可變損耗的比值。

顯然,按式（8-17）求得的額定功率選擇電動(dòng)機(jī),發(fā)熱是不成問(wèn)題的,但過(guò)載能力和啟動(dòng)能力卻成了主要矛盾。一般情況下,當(dāng)tgx<(0.3～0.4)T

時(shí),只要過(guò)載能力和啟動(dòng)能力足夠大,就不必再考慮發(fā)熱問(wèn)題了。因此,在這種情況下,須按過(guò)載能力選擇電動(dòng)機(jī)的額定功率,然后校驗(yàn)其啟動(dòng)能力。按過(guò)載能力來(lái)選擇連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)的額定功率為(8–18)

例8.2

一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)的額定功率為PN=20kW,過(guò)載能力=2,發(fā)熱時(shí)間常數(shù)T=30min，額定負(fù)載時(shí)鐵損耗與銅損耗之比α=1。請(qǐng)校驗(yàn)下列兩種情況下是否能用此臺(tái)電動(dòng)機(jī)：（1）短期負(fù)載,PL=40kW,tgx=20min;

（2）短期負(fù)載,PL=44kW,tgx=10min。解（1）折算成連續(xù)工作方式下的負(fù)載功率為因?yàn)镻N<

,所以發(fā)熱通不過(guò),不能運(yùn)行。（2）折算成連續(xù)工作方式下的負(fù)載功率為

因?yàn)椋蠳>,所以發(fā)熱通過(guò)。實(shí)際過(guò)載能力為因?yàn)?lt;,所以過(guò)載能力不夠,不能應(yīng)用。8.3.3斷續(xù)周期工作制電動(dòng)機(jī)容量的選擇

在生產(chǎn)實(shí)際中,有不少電動(dòng)機(jī)是在斷續(xù)周期工作制下工作的。此時(shí)的電動(dòng)機(jī)啟、制動(dòng)頻繁,因此要求慣性小,機(jī)械強(qiáng)度高。同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)在不同的FC%下工作時(shí),額定功率和額定轉(zhuǎn)矩均不一樣,

%越小,額定功率和額定轉(zhuǎn)矩越大,過(guò)載能力越低。選擇電動(dòng)機(jī)容量時(shí),同樣要進(jìn)行發(fā)熱和過(guò)載校驗(yàn)。電動(dòng)機(jī)的負(fù)載圖與溫升曲線如圖8–5所示。如果電動(dòng)機(jī)實(shí)際暫載率與標(biāo)準(zhǔn)暫載率相同,則可直接按照產(chǎn)品目錄選擇合適的電動(dòng)機(jī)。

如果實(shí)際暫載率與標(biāo)準(zhǔn)暫載率不同,應(yīng)該把實(shí)際功率Px

換算成相近的標(biāo)準(zhǔn)暫載率下的功率Pg,再選擇電動(dòng)機(jī)和校驗(yàn)溫升。其簡(jiǎn)化的換算公式為

(8–19)式中：FCx%——實(shí)際暫載率。同時(shí)注意：當(dāng)FCx%＜10％時(shí),應(yīng)選用短期工作制電動(dòng)機(jī)；當(dāng)FCx%＞60％時(shí),應(yīng)選用長(zhǎng)期工作制電動(dòng)機(jī)。例8.3

一臺(tái)斷續(xù)周期工作制電動(dòng)機(jī)的功率負(fù)載圖如圖8-7所示,若選用YZR180L—6型繞線式異步電動(dòng)機(jī),在負(fù)載持續(xù)率FC%=25％時(shí),額定功率PN=17kW,額定轉(zhuǎn)速nN=955r/min,過(guò)載倍數(shù)=3,若電動(dòng)機(jī)為他扇冷式,采用機(jī)械制動(dòng),在不同輸出功率時(shí),其功率因數(shù)和氣隙磁通不變,試校驗(yàn)該電動(dòng)機(jī)是否適用。圖8-7斷續(xù)周期工作制電動(dòng)機(jī)的功率負(fù)載圖解由于第一階段負(fù)載功率和轉(zhuǎn)速隨時(shí)間線性變化,因此用等效功率法進(jìn)行發(fā)熱校驗(yàn)時(shí),需進(jìn)行修正。由圖8-7可知,第一階段的負(fù)載功率和轉(zhuǎn)速為則折算后的負(fù)載功率為

因?yàn)槭撬壤涫?在啟、制動(dòng)過(guò)程中散熱能力不變,又因采用機(jī)械制動(dòng),制動(dòng)過(guò)程中電動(dòng)機(jī)斷電,則工作期間電動(dòng)機(jī)的等效功率為實(shí)際負(fù)載持續(xù)率為換算到標(biāo)準(zhǔn)FC%=25％時(shí)的等效功率為

由于此功率小于電動(dòng)機(jī)的額定功率17kW,因此發(fā)熱校驗(yàn)通過(guò)。再校驗(yàn)過(guò)載能力,電動(dòng)機(jī)短時(shí)允許輸出的最大功率為

由于Pmax

大于啟動(dòng)過(guò)程的最大負(fù)載功率25kW,因此過(guò)載能力校驗(yàn)也通過(guò),所選電動(dòng)機(jī)合適。8.3.4選擇電動(dòng)機(jī)容量的統(tǒng)計(jì)法和類(lèi)比法前面討論的選擇電動(dòng)機(jī)的方法是以電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和冷卻理論為基礎(chǔ)的,這很重要。但實(shí)際上,由于電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況總是有些差