电机及拖动基础 第十二章.ppt

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1、第十二章第十二章 电动机的选择电动机的选择第一节第一节 电动机的发热与冷却电动机的发热与冷却第二节第二节 电动机的工作制与额定功率电动机的工作制与额定功率 第三节第三节 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择 第十二章第十二章 电动机的选择电动机的选择 电力拖动系统中电动机的选择，主要包括电动机的工作方电力拖动系统中电动机的选择，主要包括电动机的工作方式（制式）、种类、形式、额定功率、额定电压以及额定转速式（制式）、种类、形式、额定功率、额定电压以及额定转速等。等。选择电动机的原则，是在电动机能够拖动生产机械负载的选择电动机的原则，是在电动机能够拖动生产机械负载的前提下，经济合理地确定电动机

2、的功率。前提下，经济合理地确定电动机的功率。第一节第一节 电动机的发热与冷却电动机的发热与冷却一电动机的发热一电动机的发热 电动机运行时，会产生损耗，最终以热能的形式散发出电动机运行时，会产生损耗，最终以热能的形式散发出去，就会使电动机温度升高，超过周围的环境温度，超出的去，就会使电动机温度升高，超过周围的环境温度，超出的部分称为部分称为温升温升。电动机是由许多物理性质不同的部件组成的，内部的发电动机是由许多物理性质不同的部件组成的，内部的发热和传热过程本质上是一个温度场问题，很复杂。但实践表热和传热过程本质上是一个温度场问题，很复杂。但实践表明，将其作为一个均质等温体来进行分析，可以简化问题

3、，明，将其作为一个均质等温体来进行分析，可以简化问题，得到的分析结果能够满足工程精度要求。得到的分析结果能够满足工程精度要求。第一节第一节 电动机的发热与冷却电动机的发热与冷却所谓均质等温体，是指物体各点温度相同，表面散热能力所谓均质等温体，是指物体各点温度相同，表面散热能力也一致。设电动机在也一致。设电动机在 t 时刻的温升为时刻的温升为 ，而单位时间，而单位时间 Q 内产生内产生的热量为，的热量为，时间间隔内电动机的温升增量为时间间隔内电动机的温升增量为 ，则由能量守，则由能量守恒定律有恒定律有:式中，式中，m 为均质等温体的质量；为均质等温体的质量；c 为比热容量；为比热容量；为单位时间

4、内经电动机表面散发到周围空间的热量。为单位时间内经电动机表面散发到周围空间的热量。第一节第一节 电动机的发热与冷却电动机的发热与冷却根据传热学原理，有根据传热学原理，有:式中，式中，为散热系数；为散热系数；S 为均质等温体的表面积。为均质等温体的表面积。由以上两式得：由以上两式得：第一节第一节 电动机的发热与冷却电动机的发热与冷却解得电动机的温升为：解得电动机的温升为：式中，式中，为稳态温升；为稳态温升；为初始温升；为初始温升；为时间常数。为时间常数。时间常数一般约为十几分钟到几十分钟，电动机容量越时间常数一般约为十几分钟到几十分钟，电动机容量越大，时间常数也越大。热容量越大，热惯性越大，时间

5、常数大，时间常数也越大。热容量越大，热惯性越大，时间常数也越大，达到稳定温升的时间就越长；反之，时间常数则越也越大，达到稳定温升的时间就越长；反之，时间常数则越小，达到稳定温升的时间就越短。小，达到稳定温升的时间就越短。第一节第一节 电动机的发热与冷却电动机的发热与冷却若电动机发热过程从冷态开始，起始温度为环境温度，若电动机发热过程从冷态开始，起始温度为环境温度，初始温升初始温升 ，则温升为，则温升为图图 12.1电动机的发热曲线电动机的发热曲线 第一节第一节 电动机的发热与冷却电动机的发热与冷却用同样的方法，可以分析电动机的冷却过程，即用同样的方法，可以分析电动机的冷却过程，即 ，电，电动机

6、的最终温度为环境温度，稳态温升动机的最终温度为环境温度，稳态温升 ，则冷却曲线为，则冷却曲线为图图 12.2电动机的冷却曲线电动机的冷却曲线第二节第二节 电动机的工作制与额定功率电动机的工作制与额定功率一电动机的工作制一电动机的工作制1连续工作制连续工作制 电动机的工作时间很长，其电动机的工作时间很长，其温升可达稳定值温升可达稳定值。显然，。显然，工作时间工作时间 。电动机铭牌上对工作方式没有特。电动机铭牌上对工作方式没有特别标注的电动机都属于连续工作方式。属于这一类工作方别标注的电动机都属于连续工作方式。属于这一类工作方式的生产机械包括，水泵、鼓风机、纺织机、造纸机、机式的生产机械包括，水泵

7、、鼓风机、纺织机、造纸机、机床主轴等。床主轴等。第二节第二节 电动机的工作制与额定功率电动机的工作制与额定功率2短时工作制短时工作制电动机的工作时间较短，电动机的工作时间较短，在此时间内其温，在此时间内其温升达不到稳定值，而停歇时间又较长，升达不到稳定值，而停歇时间又较长，电动，电动机的温度又降到周围介质的温度。属于这一类工作方式的生机的温度又降到周围介质的温度。属于这一类工作方式的生产机械包括机床的辅助运动机械、某些冶金辅助机械、水闸产机械包括机床的辅助运动机械、某些冶金辅助机械、水闸闸门等。我国规定的短时工作的标准时间有闸门等。我国规定的短时工作的标准时间有 15min，30min，60m

8、in 和和 90min 四种。四种。第二节第二节 电动机的工作制与额定功率电动机的工作制与额定功率3断续周期工作制断续周期工作制电动机的工作时间和停歇时间轮流交替，两段时间都较短，电动机的工作时间和停歇时间轮流交替，两段时间都较短，即即 ，。在工作时间内温升达不到稳定。在工作时间内温升达不到稳定值，而在停歇时间内电动机的温度也来不及降到周围介质的温值，而在停歇时间内电动机的温度也来不及降到周围介质的温度。这样，经过每一周期度。这样，经过每一周期 ，温升有所上升，最后温升，温升有所上升，最后温升将在某一范围内波动。将在某一范围内波动。第二节第二节 电动机的工作制与额定功率电动机的工作制与额定功率

9、 在断续周期工作制中，负载工作时间与整个周期之比在断续周期工作制中，负载工作时间与整个周期之比称为负载持续率，又称为称为负载持续率，又称为暂载率暂载率，即：，即：我国规定的标准负载持续率有我国规定的标准负载持续率有15%，25%，40%和和 60%四种。四种。第二节第二节 电动机的工作制与额定功率电动机的工作制与额定功率图图 12.3连续工作制电动机的功率与温升曲线连续工作制电动机的功率与温升曲线 要充分发挥电动机的效能，就要使它在长期负载运行时达要充分发挥电动机的效能，就要使它在长期负载运行时达到的稳态温升到的稳态温升 等于允许温升等于允许温升 。因此，我们就取使稳态温。因此，我们就取使稳态

10、温升等于升等于(或接近或接近)允许温升时输出功率允许温升时输出功率P 作为电动机的额定功率。作为电动机的额定功率。二连续工作制下电动机的额定功率二连续工作制下电动机的额定功率第二节第二节 电动机的工作制与额定功率电动机的工作制与额定功率其温升与输出功率之间的关系如图其温升与输出功率之间的关系如图12.412.4所示。可以看出，所示。可以看出，在工作时间在工作时间 内，电动机实际达到的最高温升内，电动机实际达到的最高温升 低于稳态温升低于稳态温升 。图图 12.4 短时工作制电动机的功率与温升曲线短时工作制电动机的功率与温升曲线三短时工作制下电动机的额定功率三短时工作制下电动机的额定功率第二节第

11、二节 电动机的工作制与额定功率电动机的工作制与额定功率 由于由于 ，其额定功率要依据实际达到的最高温升，其额定功率要依据实际达到的最高温升 来确定，即在规定的工作时间内，电动机负载运行达到的实际来确定，即在规定的工作时间内，电动机负载运行达到的实际最高温升恰好等于最高温升恰好等于(或接近于或接近于)允许温升，即允许温升，即 时，电动机时，电动机的输出功率的输出功率 则定为额定功率。短时工作制的电动机额定功率则定为额定功率。短时工作制的电动机额定功率是与规定的工作时间是与规定的工作时间 相对应的。相对应的。第二节第二节 电动机的工作制与额定功率电动机的工作制与额定功率如图如图 12.6 所示，电

12、动机实际达到的最高温升为所示，电动机实际达到的最高温升为 。当。当 等于等于(或接近或接近于于)电动机允许温升电动机允许温升 时，相应的输出功率则规时，相应的输出功率则规定为电动机的额定功率。定为电动机的额定功率。图图 12.6 周期性周期性断续工作制电动断续工作制电动机的功率与温升机的功率与温升曲线曲线四断续周期工作制下电动机的额定功率四断续周期工作制下电动机的额定功率第二节第二节 电动机的工作制与额定功率电动机的工作制与额定功率 同一台电动机，负载持续率同一台电动机，负载持续率 FS%不同时，其额定功率也不同时，其额定功率也不同。只是在各自的负载持续率上，输出各自不同的额定功不同。只是在各

13、自的负载持续率上，输出各自不同的额定功率，其最后达到的温升都等于电动机的允许温升。率，其最后达到的温升都等于电动机的允许温升。FS%值大值大的，额定功率小；的，额定功率小；FS%值小的，额定功率大。值小的，额定功率大。第三节第三节 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择一电动机额定功率选择的步骤一电动机额定功率选择的步骤电动机额定功率选择一般分成以下电动机额定功率选择一般分成以下三步三步:第一步，根据负载性质，计算负载功率；第一步，根据负载性质，计算负载功率；第第二二步步，根根据据负负载载功功率率，预预选选电电动动机机的的额额定定功功率率及及其其他他参参 数数 第第三三步步，校校核核所所选选

14、的的电电动动机机的的性性能能，包包括括发发热热温温升升、过过载载 能力和起动能力。能力和起动能力。在满足生产机械要求的前提下，电动机额定功率越小越经济。在满足生产机械要求的前提下，电动机额定功率越小越经济。第三节第三节 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择1旋转运动负载旋转运动负载式中，式中，T 为负载转矩，单位为为负载转矩，单位为 Nm；n 为负载旋转速度，单位为为负载旋转速度，单位为 ；为传动机构的效率。为传动机构的效率。二负载功率计算二负载功率计算第三节第三节 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择2直线运动负载直线运动负载式中，式中，F 为负载阻力，单位为为负载阻力，单位为 N

15、；v 为负载运动速度，单位为为负载运动速度，单位为 ；为传动机构的效率。为传动机构的效率。第三节第三节 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择3泵类负载泵类负载式中，式中，Q 为泵的流量，单位为为泵的流量，单位为 ；H 为液体的扬程，单位为为液体的扬程，单位为 m；为液体的密度，单位为为液体的密度，单位为 ；g 为重力加速度，单位为为重力加速度，单位为 ；为泵的效率；为泵的效率；为传动机构的效率。为传动机构的效率。第三节第三节 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择4风机类负载风机类负载式中式中,Q 为风机的流量，单位为为风机的流量，单位为 ；P 为风机的压力，单位为为风机的压力，单位为

16、；为传动机构的效率；为传动机构的效率；为泵的效率。为泵的效率。第三节第三节 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择 5周期性变化负载周期性变化负载式中，式中，为一个周期的时间；为一个周期的时间；为第为第 i 段负载功率；段负载功率；为第为第 i 段的时间，一周期共有段的时间，一周期共有 n 段。段。第三节第三节 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择1.标准工作时间标准工作时间 所谓标准工作时间就是指电动机三种工作方式中所规定的所谓标准工作时间就是指电动机三种工作方式中所规定的时间。时间。在环境温度为在环境温度为 40 、电动机不调速的前提下，按照工作、电动机不调速的前提下，按照工作方式及

17、工作时间选择电动机，电动机的额定功率应满足方式及工作时间选择电动机，电动机的额定功率应满足三常值负载时电动机额定功率的选择三常值负载时电动机额定功率的选择第三节第三节 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择2.非标准工作时间非标准工作时间 所谓非标准工作时间是指电动机的工作时间与标准工作时所谓非标准工作时间是指电动机的工作时间与标准工作时间不同。预选电动机额定功率时，按发热和温升等效的原则先间不同。预选电动机额定功率时，按发热和温升等效的原则先把负载功率由非标准工作时间折算成标准工作时间，然后按标把负载功率由非标准工作时间折算成标准工作时间，然后按标准工作时间预选额定功率。准工作时间预选额定

18、功率。短时工作方式负载工作时间为短时工作方式负载工作时间为 ，最接近的标准工作时间，最接近的标准工作时间为为 ，预选电动机额定功率应满足：，预选电动机额定功率应满足：第三节第三节 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择3.短时工作负载选连续工作电动机短时工作负载选连续工作电动机 根据发热与温升等效的原则，电动机在短时工作方式下根据发热与温升等效的原则，电动机在短时工作方式下应该输出比连续工作方式时要大的功率，才能充分发挥电动应该输出比连续工作方式时要大的功率，才能充分发挥电动机的能力。机的能力。设电动机中不变损耗设电动机中不变损耗(空载损耗空载损耗)为为 ，额定负载运行，额定负载运行时可变损

19、耗时可变损耗(即定转子绕组铜损耗即定转子绕组铜损耗)为为 ，前者与后者比值，前者与后者比值为为 ，预选电动机额定功率应满足：，预选电动机额定功率应满足：第三节第三节 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择数值因电动机而异。一般普通直流电动机数值因电动机而异。一般普通直流电动机 ,冶金专用直流电动机冶金专用直流电动机 ，冶金专用中小型三相绕线，冶金专用中小型三相绕线式异步电动机式异步电动机 ，冶金专用大型三相绕线式异步电，冶金专用大型三相绕线式异步电动机动机 ，普通鼠笼式三相异步电动机，普通鼠笼式三相异步电动机 。对于具体电动机，对于具体电动机，和和 T 可以从技术数据中找出或估算。可以从技术

20、数据中找出或估算。第三节第三节 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择4.过载能力校核过载能力校核 过载能力指电动机负载运行时，可以在短时间内出现的电过载能力指电动机负载运行时，可以在短时间内出现的电流或转矩过载的允许倍数，不同类型电动机不完全一样。流或转矩过载的允许倍数，不同类型电动机不完全一样。对直流电动机而言，制约其过载能力的是换向，因此它的对直流电动机而言，制约其过载能力的是换向，因此它的过载能力就是电枢允许电流的倍数过载能力就是电枢允许电流的倍数 。为允许电流，应比为允许电流，应比可能出现的最大电流大。可能出现的最大电流大。异步电动机和同步电动机的过载能力即最大转矩倍数异步电动机和

21、同步电动机的过载能力即最大转矩倍数 ，最大转矩按最大转矩按 来校核，它应比负载可能出现的最来校核，它应比负载可能出现的最大转矩大。大转矩大。第三节第三节 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择5.起动能力校核起动能力校核 若电动机为鼠笼式三相异步电动机，最后还要校核起动能若电动机为鼠笼式三相异步电动机，最后还要校核起动能力是否满足。发热、过载能力及起动能力都通过了，则电动机力是否满足。发热、过载能力及起动能力都通过了，则电动机额定功率就确定了。额定功率就确定了。第三节第三节 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择6.温度修正温度修正 如果常年温度偏低（如果常年温度偏低（），电动机实际额定功

22、率应比），电动机实际额定功率应比标准规定的高。反之，常年温度偏高的，应降低额定功率使用。标准规定的高。反之，常年温度偏高的，应降低额定功率使用。为了充分利用电动机的容量，应对电动机的额定功率进行修正。为了充分利用电动机的容量，应对电动机的额定功率进行修正。电机允许输出功率为电机允许输出功率为:式中式中 为电动机环境温度为为电动机环境温度为 时的允许温升。时的允许温升。第三节第三节 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择例题例题 12.1 一台鼠笼式三相异步电动机，额定功率为一台鼠笼式三相异步电动机，额定功率为 15kW，过，过载能力载能力 ，发热时间常数，发热时间常数，额定负载时铁损耗，额定

23、负载时铁损耗与铜损耗之比与铜损耗之比 。试校核下列两种情况下能否使用该电。试校核下列两种情况下能否使用该电动机：动机：(1)短时负载，短时负载，=20kW。(2)短时负载，短时负载，=32kW。第三节第三节 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择解解:(1)折算成连续工作方式下负载功率为折算成连续工作方式下负载功率为 实际过载倍数为实际过载倍数为 过载能力足够，可以使用。过载能力足够，可以使用。第三节第三节 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择(2)折算成连续工作方式下负载功率为折算成连续工作方式下负载功率为，不能使用。，不能使用。第三节第三节 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择例

24、题例题 12.2 12.2 一台与电动机直接连接的离心式水泵，流量为一台与电动机直接连接的离心式水泵，流量为 85扬程为扬程为 2020m，吸程为，吸程为 5 5m，转速为，转速为 2900 r/min，泵的效率为，泵的效率为 70%试选择电动机。试选择电动机。,解解:负载功率为：负载功率为：式中，式中，为直接连接，传动机构的效率取为直接连接，传动机构的效率取 1.0。电动机参数选择：功率电动机参数选择：功率 1010KW，转速，转速 2920 r/min，电压，电压 380V。第三节第三节 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择1.周期性变化负载连续工作方式周期性变化负载连续工作方式 负载

25、变化时，电动机的电流也随之变化，考虑到电动机负载变化时，电动机的电流也随之变化，考虑到电动机使用的可靠性，把计算出来的一个周期内负载平均功率再乘使用的可靠性，把计算出来的一个周期内负载平均功率再乘以以 1.11.6 的系数来预选电动机的额定功率，即：的系数来预选电动机的额定功率，即：四负载变化时电动机额定功率的选择四负载变化时电动机额定功率的选择第三节第三节 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择用负载转矩表示如下：用负载转矩表示如下：式中，式中，为电动机的额定转速；为电动机的额定转速；为一周期内第段的负载转矩。为一周期内第段的负载转矩。第三节第三节 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择

26、 周期断续工作方式电动机需要每个周期都起动和制动，在周期断续工作方式电动机需要每个周期都起动和制动，在工作时间内是变化负载，因此预选电动机额定功率时要按一个工作时间内是变化负载，因此预选电动机额定功率时要按一个周期的平均功率周期的平均功率 1.11.6 倍进行。倍进行。若为标准负载持续率，预选电动机额定功率应满足：若为标准负载持续率，预选电动机额定功率应满足：或或 2.周期断续工作方式周期断续工作方式第三节第三节 电动机额定功率的选择电动机额定功率的选择 若为非标准负载持续率，应向最接近的标准负载持续率若为非标准负载持续率，应向最接近的标准负载持续率 进行折算，再预选额定功率。进行折算，再预选额定功率。应尽量接近负载实际的应尽量接近负载实际的 。