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1、1第13章 电力拖动系统的方案与电动机选择2第13章 电力拖动系统的方案与电动机选择2第13章 电力拖动系统的方案与电动机选择2第13章 电力拖动系统的方案与电动机选择2电气工程教研室电气工程教研室213.4 电动机的工作制电动机的工作制电动机工作时，负载持续时间的长短对电动机的发热情况影响很大，因而也对决定电动机的功率大有影响。在电机制造过程中，一般将电动机分为三种工作制：连续工作制、短时工作制和断续周期工作制。电动机的工作制与电动机的额定功率密切相关。A、连续工作制、连续工作制连续工作制又称为连续工作制又称为长期工作制长期工作制，其特点是：电机的工作时间较长，一般大于（，其特点是：电机的工
2、作时间较长，一般大于（为发热时间常数发热时间常数），工作过程中温升可以达到稳态值。），工作过程中温升可以达到稳态值。T)43(T图13.4 连续工作制下电动机的输出功率与温升曲线ACT 属于这类的生产机械有水泵、通风机、造纸机、机床主轴等。3B、短时工作制、短时工作制短时工作制的特点是：电机的工作时间较短，一般小于，工作过程中温升达不到稳定值，而停歇时间又较长，停歇后温升降为零。短时工作制电动机铭牌上的额定功率是按30min、60min、90min三种标准时间规定的。短时工作制的特点是：电机的工作时间较短，一般小于，工作过程中温升达不到稳定值，而停歇时间又较长，停歇后温升降为零。短时工作制电动
3、机铭牌上的额定功率是按30min、60min、90min三种标准时间规定的。rtT)43(图13.5 短时工作制下电动机的输出功率与温升曲线吊车、闸门提升机构以及机床夹紧装置等。由图可见，如把tg结束时的温升设计为绝缘材料允许的最高温升，则该电动机带同样负载而连续工作时，稳定温升将大大超过上述允许温升而烧坏。4C、断续周期性工作制、断续周期性工作制断续周期性工作制又称为断续周期性工作制又称为重复短时工作制重复短时工作制，其特点是：电动机工作与停歇交替进行，两者持续的时间都比较短，其工作时间和停歇时间均小于。工作过程中温升达不到稳定值，停歇时温升降不到零。按国家标准规定，断续周期性工作制下，电动
4、机工作与停歇周期应小于，其特点是：电动机工作与停歇交替进行，两者持续的时间都比较短，其工作时间和停歇时间均小于。工作过程中温升达不到稳定值，停歇时温升降不到零。按国家标准规定，断续周期性工作制下，电动机工作与停歇周期应小于10min。gtotT)43(0tttgT负载持续率负载持续率：断续周期性工作制下，电动机每个周期内的工作时间与整个周期之比定义为：断续周期性工作制下，电动机每个周期内的工作时间与整个周期之比定义为负载持续率负载持续率ZC%，即：，即：5图13.6 断续周期性工作制下电动机的输出功率与温升曲线起重机、电梯、轧钢辅助机械等%100%oggtttZC(13-14)断续周期性工作制
5、电动机共有四种标准的负载持续率：15%、25%断续周期性工作制电动机共有四种标准的负载持续率：15%、25%、40%和60%。40%和60%。最后温度将在一定范围内波动与短时工作制相似，不可按电动机的断续周期定额做连续运行，否则电动机易过热烧坏。6我国把周期工作制分为两类，上述这类称为断续周期工作制，另外还有一类称为连续周期工作制连续周期工作制，此时电动机连续通电，负载作周期变化，每个周期由短时额定功率与短时空载功率组成，相应的功率负载图最小值不为零值。其负载持续率的定义与断续周期工作制相似，亦为：%100%oggtttZC7每个周期的总时间也小于10min。对于各种不同的生产机械，电动机的功
6、率负载图是不同的，但就发热而言，一般都可归于连续、短时及断续周期三类工作制中的一类，而连续周期工作制本质上应归于连续工作制（属负载变化时的连续工作制）。813.5 电动机的额定功率的选择电动机的额定功率的选择电动机额定功率选择的一般方法电动机额定功率选择的一般方法：首先应根据生产机械的运行特点以及静态负载功率的大小预先确定。然后，再进行如下校验：（1）发热校验（2）过载能力校验（3）起动能力校验（4）电动机飞轮矩校验：首先应根据生产机械的运行特点以及静态负载功率的大小预先确定。然后，再进行如下校验：（1）发热校验（2）过载能力校验（3）起动能力校验（4）电动机飞轮矩校验9（1）发热校验发热校验
7、是确保电动机内部温升不超过绝缘材料所允许的最高温度（温升）。具体方法如下：首先根据生产机械的工作制和生产工艺过程绘出电动机的典型负载图，即功率，或转矩、电流特性曲线；然后，利用等效方法（电流、转矩、功率等效法）或平均损耗法进行计算。对于负载图难确定的生产机械，可通过实验、实测或类比法来校验。校验过程中，应考虑电网电压的波动、负载的性质以及未来增产的需要等因素，需对电动机的功率留有适当的裕度。10（2）过载能力过载能力校验是检验各种工作制下电动机的最大转矩是否大于负载的峰值转矩。对于直流电动机，因受换向的限制，过载能力就是所允许的最大电枢电流倍数。对于异步电动机，其过载能力即最大转矩倍数。校核时
8、要适当考虑交流电网电压的下降，一般按（10-15%）UN的电压压降进行计算。即，检验（0.81-0.72）mTNTLmax是否满足。11（3）起动能力起动能力是考查电网电压下降（10-15%）UN后电动机的起动转矩能否大于负载转矩，以确保电力拖动系统顺利起动。因此，起动能力的校验变为检验（0.81-0.72）stTNTL|n=0是否满足。（4）飞轮矩飞轮矩校验是检验飞轮矩是否满足生产机械对动态性能的特殊要求。12A、几种常用生产机械负载功率的计算、几种常用生产机械负载功率的计算a、离心式水泵a、离心式水泵对于离心式水泵，其折合到电动机转子轴上的负载功率可按下式计算：bLgQHP（kW)(13-
9、15)式中，Q 为泵的流量（单位：）；H 为水的扬程（单位：m）；为水的密度（单位：）；为水泵的效率；为传动机构的效率。3/mkgbsm/3b、离心式风机b、离心式风机与离心式水泵相似，离心式风机折合到电动机转子轴上的负载功率为：bLQHP（kW)(13-16)式中，Q 为泵的送风量（单位：）；H 为空气压力（单位：Pa）；为水泵的效率；为传动机构的效率。bsm/311232233)(smNsmsmkgsmkgsmmkgmsm13c、起重机c、起重机对于起重机负载，其折合到电动机转子轴上的负载功率可按下式计算：310GvPL（kW)式中，为所提升重物的重量（单位：）；v为提升速度（单位：）；G
10、Nsm/d、机床d、机床对于主轴电机，其负载功率可按下式计算：9550NLLnTP（13-17）（13-18）对于进给电动机，其负载功率为：3max10vFPL（13-19）式中，为进给运动的总阻力（单位：）；为最大进给速度（单位：）；FmaxvNsm/602100010001nTTPee14对于辅助传动电动机，其负载功率和负载起动转矩分别为：310vGPL（13-20）30109550NLsnvGT（13-21）其中，G 为移动件的重量；v 为移动速度；、分别为动、静摩擦系数；015B、电动机发热的校验、电动机发热的校验a、连续工作制负载下电动机发热的校验a、连续工作制负载下电动机发热的校验
11、分如下两种情况进行讨论：1.对于连续恒定性负载对于连续恒定性负载首先利用负载转矩和转速计算出所需负载功率，然后再按下式选择电动机的额定功率：9550NLLNnTPP（13-22）式中，为折算至电机轴上的负载转矩。LT只要式（13-22）满足，则电动机工作时的温升就不会超过最大容许温升，而发热则不需再进行校核。（13-22）162.对于连续周期性负载对于连续周期性负载可先按下式计算一个周期内的平均负载功率：cniiLinnLnLLLTtPttttPtPtPP 1212211（13-23）式中，为第i段的负载功率；为各段持续的时间；负载的周期。然后按下式预选电动机的额定功率：LiPitniictT
12、1LNPP)6.11.1(（13-24）最后再按照平均损耗法平均损耗法和等效法等效法校验电动机的发热。其中，等效法又包括等效电流法等效电流法、等效转矩法等效转矩法和等效功率法等效功率法。170.直接方法：温升曲线法*0.直接方法：温升曲线法*基本思想基本思想：最大温升max接近并小于电动机的容许温升m，则发热校验通过。18每一周期包括t1t4四段时间，其对应的不同负载时的损耗功率为P1P4。如预选电动机的发热时间常数T及散热系数A为已知，温升曲线可绘出。温升在t1段内由零开始，指数曲线先以P1/A为稳定值，到t1段结束时，曲线在t2段改以P2/A为稳定值，t2段温升的开始值即为t1段温升的结束
13、值。用同样的方法可以连续绘制t3及t4段曲线，得到第一周期温升的结束值x1。第二周期温升的开始值Q2=x1，再连续绘制到x2，这样重复绘制，只到第n周期的Qn=xn，即温升变化进入稳态循环，以后各周期均按第n周期的规律变化。19如果稳态循环周期中的最大温升max接近并小于电动机的容许温升m，电动机的发热校验即算圆满通过。这种发热校验的方法称为温升曲线法温升曲线法，它是以最大温升maxm为依据的。由于直接绘制温升曲线较难（参数T及A难预知），所以一般校验发热用一些间接的方法（如平均损耗法、等效法），但这些方法都是由温升曲线引来的。20间接方法：1.平均损耗法间接方法：1.平均损耗法基本思想基本思
14、想：把对发热（或温升）的校验转变为对单个循环周期内电动机平均损耗的校验。可行性分析可行性分析：由于负载变化周期较短（一般tz10min），而发热时间常数较大，即Ttz时，稳态循环中温升曲线上下波动不大，因而在校验发热时，可以用温升平缓变化的稳态循环中的平均温升av代替温升曲线中的最大温升，只要平均温升av绝缘材料所允许的温升max，则发热校验通过。为了满足上述要求，需要变化负载下的平均损耗小于电动机的额定损耗，也就是说，选取的电动机的额定损耗值要大于负载的平均损耗值。21具体方法具体方法：首先将功率变化曲线（又称功率负载图）变为损耗曲线。损耗曲线中各段的损耗功率与负载功率之间的关系可由下式给出
15、：)(tfPL)(tfpLLipLiP1(1)LiiLiLiiiPpPP(13-25)式中，各段负载功率对应的效率可由电动机的效率曲线查得。然后，通过损耗曲线按下式计算负载变化下的平均损耗：)(tfpLcniiLinnLnLLLavTtpttttptptpp 1212211(13-26)LiPi22最后，检验平均损耗是否满足下列条件：。其中，额定负载时的损耗的计算公式由式（13-12）给出。若上述条件满足，则发热校验通过。否则，需重新预选功率较大的电动机，再进行发热校验。NavppavpNp图13.7 典型连续周期性变化负载的损耗曲线和温升曲线NNNNNNNNNPPPPPp)1(1(3-12)
16、23在一个完整的稳态循环周期Tz内，对式（13-8）进行积分：dtACdQdt（13-8）00000.24TzTzTzTzQdtpdtCdA dt（13-27）考虑到稳态循环周期内温升开始值等于终止值，故d=0，则上式变为：000.240.24TzTzavavzzdtpdtpTT AA（13-28）上式表明，平均温升与平均损耗成正比，故可以用平均损耗功率来校验电动机的发热。为什么可以用平均损耗取代平均温升为什么可以用平均损耗取代平均温升avav进行发热校验？进行发热校验？242.等效法2.等效法等效法等效电流法等效转矩法等效功率法a.等效电流法等效电流法由上述平均损耗法可引出等效电流法。变化负
17、载下第i级负载的损耗pi=p0+pCui，其中p0为不变损耗(空载损耗)，不随负载变化而变化；pCui为可变损耗，随负载电流而变化，pCui=KIi2，当电动机主电路电阻不变时，K为常数，于是，pi=p0+KIi2，将此式代入(13-26)cniiLinnLnLLLavTtpttttptptpp 1212211(13-26)20210niiieqcpKItpKIT(13-30)25由（13-30）可知，根据负载电流的变化曲线，按下式求出单个循环周期内的等效电流（有效值）：)(tfILcTeqIniiiceqtITI121(13-29)然后，检验等效电流是否满足条件：eqINeqII若条件满足，
18、则发热校验通过。式（13-29）仅适用于负载电流在各时间段内按矩形规律变化（亦即电流是常值）按矩形规律变化（亦即电流是常值）的情况，如图13.8a所示。26图13.8 周期性变化负载下电动机的负载电流或转矩曲线若负载电流是按三角形或梯形变化三角形或梯形变化（图13.8b），则应将各时间间隔内的电流换算为有效值后，再利用式（13-29）计算等效电流eqI例如对图13.8b，其对应时间段内三角形电流的有效值为：1t3)(110211111IdtttItIteq27同样，可求得对应时间段内梯形电流的有效值为：2t31222121022211222IIIIdtttIIItIteq其它各段电流的有效值均
19、可按上述方法求得。28等效电流法由平均损耗法引出，在推导过程中，假定不变损耗及电动机主电路电阻不变假定不变损耗及电动机主电路电阻不变。在某些个别情况下，比如，对深槽式或双笼式鼠笼型异步电动机，在经常起动与反转时，其电阻与铁耗均在变化，便不能用等效电流法校验发热，此时必须改用平均损耗法。29b.等效转矩法等效转矩法在电动机运行过程中，若电磁转矩与电流成正比（如直流电机的励磁磁通不变、异步机的磁通与近似不变），若电磁转矩与电流成正比（如直流电机的励磁磁通不变、异步机的磁通与近似不变），则等效电流的计算公式（13-29）可直接转变为等效负载转矩的计算公式：2cosniiiceqtTTT121(13-
20、31)若满足：，则发热校验通过。NeqTT等效转矩法仅适用于恒定磁通场合恒定磁通场合，若希望在弱磁升速范围内也能够使用等效转矩法，则需按下式修正：iNiTnnT(13-32)Nnn 这里，。30c.等效功率法等效功率法在电动机运行过程中，若转速基本不变若转速基本不变，则式（13-31）可以转变为等效负载功率的计算公式：niiiceqtPTP121(13-33)若满足：，则发热校验通过。NeqPP上述推导过程表明，只有平均损耗法才能直接反映电动机的发热情况，而等效电流法、等效转矩法和等效功率法的有效性是有条件的，使用时需特别注意！313.考虑起、制动及停歇过程时发热校验公式的修正3.考虑起、制动
21、及停歇过程时发热校验公式的修正对电力拖动系统，若选用他扇冷却式电动机他扇冷却式电动机，则其冷却风扇的转速不会受起、制动和停歇过程的影响。但若选用自扇冷却式电动机自扇冷却式电动机，则冷却风扇的转速会受到起、制动和停歇过程的影响，最终可能导致散热条件恶化，稳态温升提高。为此，在采用平均损耗法、等效电流法、等效转矩法以及等效功率法进行计算时，应在对应于起动、制动时间上乘以一散热恶化系数，在停歇时间上乘以散热恶化系数。具体方法如下：对于直流电动机，一般取，；对于异步电动机，一般取，。75.05.05.025.032如对于图13.9所示的负载电流，其修正后的等效电流可按下式计算：032132322212
22、1tttttItItIIeq图13.9 包括起、制动和停歇时间的负载电流图（13-34）33b、短时工作制负载下电动机发热的校验b、短时工作制负载下电动机发热的校验短时工作制的负载可以选用连续工作制的电动机，也可以选用短时工作制的电动机。现介绍如下：1.选择连续工作制电动机选择连续工作制电动机短时工作制负载选择连续工作制电动机时，首先需将短时工作制下的负载功率折算到连续工作制短时工作制下的负载功率折算到连续工作制，然后再预选电动机的额定功率。折算可按下式进行：TtTtLLNNggkeePPP11（13-35）式中，为短时工作制下的负载功率，为电动机的发热时间常数；为短时工作时间；为折算到连续工
23、作制下的负载功率。TgtLNP短时工作制时的功率变化曲线与温升曲线如图13.10所示。LP34图13.10 短时工作制时的功率变化曲线与温升曲线式（13-35）的推导过程：曲线1是短时工作制下温升曲线，曲线2是折算到连续工作制下温升曲线。折算原则折算原则：确保折算前后的温升（或发热）保持不变。为此，要求曲线2的稳态温升与短时工作制下电动机的实际温升相等。根据式（13-10）和（13-11）得：35TtLLe)(0(13-10)ApAQNNL24.0(13-11)稳态值：(0)(1)ggttTTgLLLee0.240.24(1)gtLLNTgsppeAA(13-36)pL、pLN分别为负载功率为
24、PL和PLN时的功率损耗。36220022()()LLLCuCuNCuNCuNLNLNpppppkpIPpIP00(1)(1)LNCuNCuNCuNCuNpppppkpp(13-37)将式（13-37）代入（13-36），整理后即得到式（13-35）。式中，k为空载损耗与额定负载下可变损耗之比，对普通直流电动机k=11.5，对普通鼠笼异步电动机k=0.50.7，对绕线式异步电动机k=0.450.46。将短时工作制的负载功率折算至连续工作制，然后预选电动机的额定功率，其后也不需要进行温升校核。但考虑到电动机的额定功率要比实际（折算前的）负载功率低，因此一定要对电动机的过载能力和起动能力进行校核。
25、372.选择短时工作制电动机选择短时工作制电动机短时工作制电动机有三种：30min、60min、90min。若短时工作方式负载的工作时间与标准时间相同，则选择电动机额定功率时只需确保即可，不必再校核发热。若负载的实际工作时间tg与标准时间tgN不同，则应先将负载的功率折算至最接近的标准时间，然后再选择电动机。其折算可按式（13-39）进行，发热也不必再校核。gNgLLNNttPPP（13-39）gtLNPP gNt38式（13-39）的推导过程：设实际工作时间tg内的负载功率为PL，折算到最接近的标准工作时间tgN下的负载功率为PLN。折算原则折算原则：确保折算前后的损耗（或发热）保持不变，因
26、此：LLNggNpptt221LLNggNkkPPtt通过对上式求解，并取tgtgN，则整理得到式（13-39）220022()()LLLCuCuNCuNCuNLNLNpppppkpIPpIP00(1)(1)LNCuNCuNCuNCuNpppppkpp(13-37)39c、断续周期性工作制负载下电动机发热的校验c、断续周期性工作制负载下电动机发热的校验断续周期性工作制下电动机的标准负载持续率共有四种：15%、25%、40%和60%。如果负载的持续率与标准负载持续率相同，则可按下式预选电动机的额定功率：iniLigLNtPtPP11)6.11.1()6.11.1(若负载持续率ZC%与标准负载持续
27、率不同，则应先将负载的功率折算至最接近的标准负载持续率上，然后再选择电动机。其具体计算公式为：（13-41）NZCNiniLigNLLNNZCZCtPtZCZCPPP11)6.11.1()6.11.1()6.11.1(（13-42）预选电动机后，若在工作时间内负载是变化的，则需采用前面介绍的平均损耗法和等效法（等效电流法、等效转矩法或等效功率法）进行发热校验，且校核过程中的等效电流、等效转矩以及等效功率均需考虑负载持续率的影响，亦即将相关物理量折算至标准负载持续率。折算方法与式（13-43）完全相同，即：40NeqeqNZCZCII（13-44）当负载转矩与负载电流成正比时，上式变为：Neqe
28、qNZCZCTT在不需调速场合下，上式可进一步转变为：NeqeqNZCZCPP（13-45）（13-46）式中，、和分别表示实际负载持续率下的等效负载电流、转矩和功率；、和分别表示折算至标准负载持续率下的等效负载电流、转矩和功率。eqIeqTeqPeqNIeqNTeqNP需要指出的是：如果实际负载持续率，一般选择短时工作制电动机；若，则应选择连续工作制电动机。%10ZC%70ZC41原则上，只要按照发热等效的观点使当地选择电动机的功率，每一类电动机均可在三种工作制下运行。但从全部性能角度看，生产机械的实际工作制最好与电动机规定的工作制一致但从全部性能角度看，生产机械的实际工作制最好与电动机规定
29、的工作制一致。原因如下：为连续工作制设计的电动机，全面考虑了连续工作方式下的起动、过载、机械强度等特点，因而不适宜于长期频繁起、制动的周期性短时工作方式；为周期性短时工作制设计的电动机，若在长期工作制下，其起动、过载、机械强度等必然得不到充分利用，而且从价格上以及实际运行效率上均造成不必要的浪费。42d、非标准环境温度下电动机额定功率的修正d、非标准环境温度下电动机额定功率的修正国际电工技术委员会（IEC）标准规定：电动机的标准使用环境温度为。电动机的额定功率即是在这一温度下给出的。若实际的环境温度偏离了标准温度，则额定功率应按下式作必要的修正（稳态时电动机温升与单位时间内发出热量或损耗成正比
30、）：kkCPPmmN)1(400(13-47)式中，为实际的环境温度，为绝缘材料的最高允许温度（与最高温升相对应）。上式表明，当环境温度低于40时，电动机的实际输出功率增加；反之，电动机的实际输出功率减少。0mmaxC4043C、电动机额定功率选择的工程方法、电动机额定功率选择的工程方法以发热理论为基础，电动机容量选择方法存在的问题：1）计算繁琐，需根据生产机械负载图预选电动机，再进行发热校验；2）原始数据有时很难准确获得。a、统计法a、统计法一般按下列经验公式选择电动机：（1）车床）车床)(5.3654.1KWDP 式中，D 为工件的最大直径。44（2）立式车床）立式车床)(2088.0KWDP（3）摇臂钻床）摇臂钻床)(0646.019.1KWDP 45)(1.0KWKBP（4）外圆磨床）外圆磨床式中，B为砂轮宽度；K为考虑砂轮主轴采用不同轴承时的系数；当采用滚动轴承时K=0.81.1；当采用滑动轴承时K=1.01.3。46（5）卧式镗床）卧式镗床KWDP7.1004.0式中，D为镗杆直径。47（6）龙门铣床）龙门铣床KWBP16615.1式中，B为工作台宽度。48b、类比法b、类比法所谓类比法，就是根据长期运行考验的、同类型或相近的生产机械的数据确定实际电动机的容量。