第11章电力拖动系统电动机的选择

第十二章 电力拖动系统电动机的选择

电力拖动系统电动机的选择，是指根据工作机械的不同需求，选择电动机的电流种类、型式、额定功率、额定电压和额定转速等。 选择电动机功率的原则，是在电动机能够胜任生产机械负载要求的前提下，合理地选取电动机的功率值。如果功率选得过大，设备投资增大，造成浪费，而且电动机经常欠载运行，效率及功率因数较低，运行费用增高，极不经济。如果功率选小了，电机将过载运行，造成电动机过早地损坏，即使保持电动机不过载，也只能降低负载使用。因此，电动机功率选择不适当，都将对造成不必要的经济损失。

特别指出，确定电动机功率时，要兼顾电动机的发热，过载能力与起动能力等三方面的因素，—般情况下，以发热问题最为重要。

12.1 电力拖动系统电动机选择的一般问题

12.1.1 电动机种类的选择

电力拖动系统中拖动生产机械运行的驱动电机种类很多，按其功能用途分类如下：

表12—1简要列出了各种电动机重要的性能特点，包括特性、所需电源等各项，这是选择电动机种类的基本要素，供读者参考。当然生产机械工艺特点是选择电动机的重要条件。 表12—1 电动机最主要的性能特点

电动机种类

最主要的性能特点

他励、并励 机械特性硬，起动转矩大，调速性能好 串励 机械特性软，起动转矩大，调速方便 复励 机械特性软硬适中，起动转矩大，调速方便

普通鼠笼式 机械特性硬，起动转矩不太大，可以调速 双鼠笼式、深槽式、

高转差率式 起动转矩大

多速 多速（2~4速）

绕线式

机械特性硬，起动转矩大，调速方法多，调速性能好

直流电动机

三相异步电动机

12.1.2 电动机额定电压与额定转速的选择

一、额定电压的选择

电动机的额定电压等级、相数、频率都要与供电电源相一致。我国生产电动机额定电压与额定功率的情况如表12—2所列，供选择额定电压时参考。

表12—2 电动机额定电压与额定功率

二、额定转速的选择

对电动机本身而言，额定功率相同的电动机额定转速越高，体积越小，造价越低。但转速越高，拖动系统传动机构传速比越大，传动机构越复杂。

选择电动机的转速要考虑负载的要求，又考虑电动机与传动机构的经济性等。

12.2 电动机发热与冷却

12.2.1 电动机的发热与温升

电机在运行过程中的能耗转变为热能，这就会使电机的温度升高而超出周围环境的温度。电机温度超出环境温度的值叫温升。电动机一旦有了温升，就要向周围散热；温升越高、散热越快。当电动机单位时间发出的热量等于散出的热量时，电动机温升不再增加，温度保持不变，电机处于发热与散热平衡的状态。

由于电动机发热过程和散热较为复杂，为了分析方便，假定周围环境温度不变，电动机长时间连续工作，负载不变，各部分温度均匀，电动机可视为一均质等温固体，也就是说，电动机是一个所有表面均匀散热，并且内部没有温差的理想发热体。

设电动机在恒定负载下长期连续工作，单位时间内由电动机损耗所产生的热量为Q，则在dt时间内产生的热量为Qdt，其中一部分热量1Q为电动机所吸收，使电动机温度升高。

τ

Q=

Cd

（12—1）

1

式中，C 为电动机的热容量，即电动机温度升高C ︒1所需的热量，单位为C J ︒

/，τd 为电动机在dt 时间内温度升高的增量。

另一部分热量2Q ，则向周围介质散发出去。

2Q Ad τ= （12—2）

式中，A 为电动机的散热系数，即电动机与周围介质温度相差C ︒

1时，单位时间内电动机向周围介质散发出的热量，单位为)/(s C J ⋅︒

，τ为电动机与周围介质的温度差，即温升，单位为C ︒

1。

写出电动机的热平衡方程式，整理后为

12Qdt Q Q Cd A dt ττ=+=+ （12—3）

A Q

dt d A C =+ττ （12—4） w dt

d T τττθ=+ （12—5）

这是一个非齐次常系数一阶微分方程式。当初始条件为0t =，0ττ=时，特解则为

θ

ττττT t w w e

-

-+=)(0 （12—6）

式中，A C T =θ，为发热时间常数，表征热惯性的大小；A

Q

w =τ，为稳态温度；0τ为起始温升。

式(12—6)表明，热过渡过程中温升包括两个分量，一个是强制分量w τ，它是过渡过程结束时的稳态值；另一个是自由分量θ

ττT t

w e

--)(0，它按指数规律衰减至零。时间常数为

θT ，其数量对小电动机一般约为十几分钟到几十分钟，容量大电动机的θT 则很大。热容量

越大，热惯性越大，时间常数也越大；反之，散热越快，达到热平衡状态就越快，时间常数

θT 则越小。

式(12—6)表示的发热过程，如图12—1所示。较长时间没有运行的电动机重新负载运行时，00=τ；运行一段后温度还没有完全降下来的电动机再运行时，或者运行时的电动机负载增加时，00≠τ，为某一具体数值。

图12—1 电动机的温升曲线

12.2.2 电动机的冷却与散热

一台负载运行的电动机，在温升稳定之后，如果减少它的负载，那么电机损耗及单位时间发热量都将随之减少。这样一来，本来的热平衡状态破坏了，变成了发热少于散热，电动机温度就要下降，温升降低。降温的过程中，随着温升减小，单位时间散热量也减少。当重新达到发热等于散热时，电动机不再继续降温，而稳定在这个新的温升上。这个温升下降的过程称为冷却过程。

冷却过程的微分方程式及它的解都与发热过程的一样，与式(12—6)相同，冷却过程与发热过程不同的是，发热过程的初始条件为0ττ≥w ，冷却过程的初始条件为0ττ≤w ，

电动机的冷却可能有两种情况。其一是负载减小，电动机损耗所产生的热量Qdt 下降；其二是电动机自电源断开，停止工作，电动机损耗所产生的热量变为零。

图12—2 电动机冷却过程的温升曲线

由图12—2可见，在电动机冷却时，发热减小或停止发热，原来储存在电动机中的热量逐渐散出，使电动机温升下降。冷却开始时，电动机的温升大，散热量大，温升下降快；随着温升的不断下降，散热量愈来愈小，温升下降变得缓慢，最后趋于w τ或0=w τ。 从上面对电动机发热和冷却过程的分析看出，电动机温升曲线的确定，依赖于起始值、稳态值和时间常数三个要素。热过渡过程是一个典型的一阶过渡过程。

电机由许多部件组成，每一部件的材料、重量、热容量、散热率以及产生热量的大小各不相同，因此电机内部各点的温度也不相同。例如发热多而散热困难的地方(槽的下层)，温度最高。因此在应用上述分析结果时应注意下列几点：

(1) 将整个电机看作一个均匀发热体，误差太大。将电机的某个部件看作一个均匀发热体，误差将减小许多，基本上与实际情况接近。因此对电机的各部件分别讨论是合适的。

(2) 电机的散热率A 不是常数。电机的散热有对流、辐射、传导三种形式，其中以对流为主，散热率随对流速度增加而增大。在自装风扇的电机(即自通风电机)，对流速度与电机转速成正比，因而在转速变化的情况下，A 不是常数。辐射方式的散热能力与电机的绝对温度的四次方成比例，当电机温度不同时，散热能力也不同，A 就不为常数。

(3) 一般来讲，电机的发热时间常数比冷却时间常数小，这是由于电机的散热率不是