电力拖动系统方案和电动机选择学习教案

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1、会计学1电力电力(dinl)拖动系统方案和电动机选择拖动系统方案和电动机选择第一页，共80页。2第1页/共80页第二页，共80页。313.1 电力拖动系统的方案电力拖动系统的方案(fng n)选择选择 电力拖动系统是由电动机、供电电源、控制设备以及生产(shngchn)机械组成。因此，在电力拖动系统基本方案选择时，应该重点考虑如下几个方面的问题： 电力拖动系统电力拖动系统(xtng)供电电源的考虑；供电电源的考虑； 电动机的选择；电动机的选择； 电动机与生产机械负载配合的稳定性考虑；电动机与生产机械负载配合的稳定性考虑； 调速方案的选择；调速方案的选择； 电力系统电力系统(xtng)的起、制动

2、方法、正、反转方案的选择；的起、制动方法、正、反转方案的选择； 经济指标的考虑，主要包括电网功率因数的考虑、调速方案的选择以及电网污染的考虑；经济指标的考虑，主要包括电网功率因数的考虑、调速方案的选择以及电网污染的考虑； 电力拖动系统电力拖动系统(xtng)控制策略的选择；控制策略的选择； 可靠性的考虑。可靠性的考虑。第2页/共80页第三页，共80页。4电力拖动系统供电电源电力拖动系统供电电源(dinyun)的考虑的考虑电力拖动系统的供电电源可分为三大类：电力拖动系统的供电电源可分为三大类： 交流交流(jioli)(jioli)工频工频50Hz50Hz电源；电源； 独立变流机组电源；独立变流机

3、组电源； 电力电子变流器电源。电力电子变流器电源。由电力电子器件组成的整流器由电力电子器件组成的整流器( (直流电源直流电源),),变频器变频器, ,交流交流(jioli)(jioli)调压器调压器( (交流交流(jioli)(jioli)电源电源) )逆变器逆变器第3页/共80页第四页，共80页。5、电力(dinl)拖动系统稳定性的考虑 电机与所拖动的负载只有合理配合，才能确保电力拖动系统稳定(wndng)运行。借助于电动机所提供的机械特性和生产机械的负载转矩特性便可以对电力拖动系统的稳定(wndng)运行情况进行判别。判断(pndun)稳定性，要根据：2375emLGD dnTTdt一般电

4、力拖动系统,稳定运行的条件:1.电机机械特性和负载转矩特性有交点;2.两条特性曲线交点处,满足:其物理意义：若电机机械特性与负载转矩特性交点附近转速有所升高，则电磁转矩的增加必须小于负载转矩的增加。这样，系统的转速才可能有所下降，最终回到原来稳定运行点。AAnLnemnTnT第4页/共80页第五页，共80页。6 图13.1给出了由各种电动机组成的电力拖动系统的机械特性与恒转矩负载特性，旨在(zh zi)对电力拖动系统的稳定性进行判别。图13.1 电力拖动系统电动机机械特性(txng)与负载转矩特性(txng)的配合1他励直流电机机械特性，P1点不会稳定运行；可采用串励绕组补偿电枢反映的影响。2

5、异步电机的机械特性，P3点也是不稳定运行点，且由于P3点的TL大于TSt,拖动系统无法起动。可以选择深槽转子或双鼠笼转子异步电机，或选绕线式异步电机，转子串电阻，达到(d do)提高起动转矩，改变机械特性的目的。P2点是稳定运行点，且可顺利起动。第5页/共80页第六页，共80页。7、调速方案(fng n)的选择 电动机的机械特性决定了拖动系统的调速方式，而且每一种调速方式又具有不同的调速性质。电动机的调速特性应与负载的转矩特性相一致，才能电动机的机械特性决定了拖动系统的调速方式，而且每一种调速方式又具有不同的调速性质。电动机的调速特性应与负载的转矩特性相一致，才能(cinng)(cinng)使

6、电动机的功率得到充分利用。使电动机的功率得到充分利用。 对于(duy)他励直流电动机，可以采用电枢回路串电阻调速、电枢调压调速以及弱磁调速。 从调速性质来看：电枢回路串电阻调速与电枢调压调速属于恒转矩调速性质，因而适应于恒转矩负载；aTeeaaICTnCEIREU112aeeeTnTCCUCR单独U1下降n下降E下降单独Ra增加n下降E下降不变）（不变）（aaaaIREUIREU/11不变不变不变、eaTI第6页/共80页第七页，共80页。8他励直流电动机弱磁调速属于恒功率调速性质，因而适应他励直流电动机弱磁调速属于恒功率调速性质，因而适应(shyng)于恒功率负载。于恒功率负载。nICRCU

7、aeae1不变不变aeIEnCeaTTIC不变PnTnTTeee955060210001000 对于异步电动机，可以采用变频调速、变极调速和改变转差率调速。其中，转差率的改变可以通过改变定子电压、转子电阻、在转子绕组(roz)上施加转差频率的外加电压（如双馈调速与串级调速）等方法来实现。 从调速性质来看：变频调速与Y/YY变极调速属于恒转矩调速，适应于恒转矩负载；而/YY变极调速则属于恒功率调速，适应于恒功率负载。改变转差率调速则视具体调速方式有所不同，其中，改变定子电压的调速方式既非恒转矩也非恒功率调速，而转子串电阻的调速则属于恒转矩调速，双馈调速则属于恒转矩调速。第7页/共80页第八页，共

8、80页。9、起、制动和正、反转(fn zhun)与相应方案的选择 电力拖动系统的过渡过程包括起/制动、正/反转、加/减速以及(yj)负载变化等，它与系统的快速性、生产率的提高、损耗的降低、可靠性的保证等密切相关。a a、起动、起动(q dn)(q dn)电力拖动系统对起动过程的基本要求是：电力拖动系统对起动过程的基本要求是：u电动机的起动转矩必须大于负载转矩；电动机的起动转矩必须大于负载转矩；u起动电流要有一定限制，以免影响周围设备的正常运行。起动电流要有一定限制，以免影响周围设备的正常运行。第8页/共80页第九页，共80页。10 对于鼠笼式异步机，其起动性能较差。容量(rngling)越大，

9、起动转矩倍数越低，起动越困难。若普通鼠笼式异步电动机不能满足起动要求，则可考虑采用深槽转子或双鼠笼转子异步机。若起动能力不能满足要求，可考虑采用软起动或变频起动。 直流电动机与绕线式异步电动机的起动转矩和起动电流是可调的，仅需考虑起动过程的快速性。而同步电动机的起动和牵入同步则较为(jio wi)复杂，通常仅适用于功率较大的机械负载。 对于(duy)同步电动机，可以采用变频、辅助电动机或自耦调压器起动。a a、起动、起动b b、制动、制动 制动方法的选择主要应从制动时间、制动实现的难易程度以及经济性等几个方面来考虑。 对于交、直流电动机（串励直流电动机除外），均可考虑采用反接、能耗和回馈三种制

10、动方案。第9页/共80页第十页，共80页。11c c、反转、反转(fn zhun)(fn zhun) 对拖动系统反转的要求是：不仅能够实现反转，而且正、反转之间的切换应当平稳、连续。 一般来讲，直流电动机比交流电动机优越。但随着(su zhe)电力电子变流器技术的发展，交流电机包括无刷直流电动机、开关磁阻电动机等均可实现正、反转之间的平滑切换。d d、平稳性与快速性、平稳性与快速性 根据第3章，电力拖动系统(xtng)的动力学方程式可表示为：dtdnGDTTLem3752（13-4）利用上式便可得到电动机起、制动或调速过程所需要的时间表达式为：21)(3752nnLemdnTTGDt（13-5

11、）第10页/共80页第十一页，共80页。12结论：结论： 若希望缩短起、制动过程，应使若希望缩短起、制动过程，应使 尽可能大。这是选择尽可能大。这是选择(xunz)(xunz)电动机的一个重要依据。电动机的一个重要依据。2/GDTem21)(3752nnLemdnTTGDt 从运行的平稳性上看，则希望电动机的惯量(gunling)与负载惯量(gunling)相匹配，亦即电动机的惯量(gunling)要超过负载的惯量(gunling)，即： LMGDGD22（13-6） 若负载惯量(gunling)是变化的（如工业机械手负载等），为确保系统平稳运行，则要求负载飞轮矩的变化量应小于电动机飞轮矩的1

12、/5，即：522LMGDGD（13-7） 为了提高电动机的力矩惯量比，可选用小惯量电动机。但根据惯量匹配原则，小惯量电动机仅适应于负载惯量较小、过载能力要求不高的场合。对于象重型机床等负载惯量大、过载严重的场合，则应选择大惯量电机如力矩电动机。dtdnGDTTLem3752第11页/共80页第十二页，共80页。13电力电力(dinl)拖动系统经济性指标的考虑拖动系统经济性指标的考虑 经济性指标主要是指一次性投资与运行费用，而运行费用则取决于耗能即效率指标。电力拖动系统的设计(shj)过程中，应考虑如下几个方面：a a、电网功率因数的改善、电网功率因数的改善(gishn);b(gishn);b、

13、调速节能、调速节能;c;c、电网污染、电网污染a a、电网功率因数的改善、电网功率因数的改善 对于异步电动机，最大功率因数大都发生在满载附近（负载率75%）。轻载时，为了改善功率因数，可以采用调压或变频方案，也可以考虑在供电变压器上增加并联电容实现无功补偿。或者采用转子直流励磁的同步电动机，并使其工作在过励状态。第12页/共80页第十三页，共80页。14b b、调速节能、调速节能(ji nn)(ji nn) 异步电动机的最高效率多出现在满载附近。当电动机轻载或空载运行时，可以采用变频调速或使用多台电动机协调(xitio)运行（轻载时减少台数），以提高交流拖动系统的运行效率。)()()(2122

14、221111121mmmmmmjxrIzIEEx jsrIEjxrIEUIII空载(kn zi)或轻载时：0,21Inn定子电流只有激磁分量Im，jXm占主导，功率因数很低（0.10.2）。a a、电网功率因数的改善、电网功率因数的改善第13页/共80页第十四页，共80页。15b b、调速节能、调速节能(ji nn)(ji nn) 就直流拖动系统来讲，晶闸管变流器供电的直流调速与自关断器件的斩波器调速的效率要比电枢回路串电阻调速的效率高得多。位能性负载下降（或下坡）时采用回馈(hu ku)制动可以回收能量，达到节电的目的。 对于交流拖动系统，可采用的调速方案(fng n)有：转子串电阻调速、调

15、压调速、滑差电机调速、双馈电机调速（包括串级调速）、变频调速等。前三种调速方式耗能较大，后两种调速方式效率较高。 c c、电网污染、电网污染 解决由电力电子变流器供电电源所引起的解决由电力电子变流器供电电源所引起的“电网污染电网污染”问题，实现所谓的问题，实现所谓的“绿色绿色”电能的转换，可采取如下措施：电能的转换，可采取如下措施：u 在供电变压器的二次侧额外增加有源滤波器（在供电变压器的二次侧额外增加有源滤波器（Active-Power-Filter，APF）；）；u 在变流器内部采用由自关断器件组成的在变流器内部采用由自关断器件组成的PWM整流器（整流器（Pulse-Width-Modul

16、ation Rectifier，PWM Rectifier）。）。 不同的调速方式具有不同的运行效率。第14页/共80页第十五页，共80页。1613.2 电动机的一般电动机的一般(ybn)选择选择 电动机容量的选择应避免出现“大马拉小车”的现象，以免造成电动机的运行效率与功率因数均偏低，电动机以及传输线路的损耗增加，电能浪费严重。但也要适当考虑设备运行的可靠性。 当然，电动机的选择不仅仅包括容量选择，而且(r qi)还涉到电动机的额定电压、额定转速以及结构形式等的选择。下面分别对后者介绍如下：A、额定、额定( dng)电压的选择电压的选择B、额定、额定( dng)转速的选择转速的选择C、结构形

17、式的选择、结构形式的选择第15页/共80页第十六页，共80页。17A、额定、额定( dng)电压的选择电压的选择 电动机的额定电压、相数、额定频率应与供电系统一致。 对于交流电动机，中、小型异步电动机的额定电压大都为220/380V(/Y联结)及380/660V(/Y联结)两种。当电动机功率较大时，可根据供电电源系统，选用3000、6000V和10000V的高压电动机。 对于直流电动机，其额定电压一般为110V、220V、440V以及6001000V。也可采用新改型的直流电动机，如160V(配合单相全波整流)、440V(配合三相(sn xin)桥式整流)等电压等级。第16页/共80页第十七页，

18、共80页。18B、额定转速、额定转速(zhun s)的选择的选择 额定功率相同的电动机，额定转速(zhun s)越高，则电动机的体积、重量越小，成本越低，电动机转子呈细长特点，转子飞轮惯量GD2较小，起、制动时间较短。 从经济角度和提高系统快速性角度看，选用高速电机比较合适。但电动机的转速(zhun s)越高，则势必要求传动机构的转速(zhun s)比增大，使传动机构复杂，相应的传动损耗也有所增加。因此，必须综合电动机和生产机械两方面的因素来选择电动机的额定转速(zhun s)。 对于经常工作在起、制动状态下的电动机，可以证明：为了减小起、制动时间，可选用GD2和nN2乘积较小的电动机（对应系

19、统存储的动能较小）。第17页/共80页第十八页，共80页。19C、结构形式、结构形式(xngsh)的选择的选择 根据安装方式(fngsh)的不同，电动机有立式和卧式结构之分。一般情况下电力拖动系统多采用卧式结构的电动机。 根据轴伸情况的不同，电动机有单轴伸端和双轴伸端之分。大多数情况下采用单轴伸端。 根据防护方式(fngsh)的不同，电动机有开启式、防护式、封闭式和防爆式之分。应该根据不同的应用场合选择不同保护方式(fngsh)的电动机。 第18页/共80页第十九页，共80页。2013.3 电机电机(dinj)的发热与冷却的发热与冷却A、电机、电机(dinj)的发热过程的发热过程电机的温升：电

20、机的温升： 在负载运行过程中，由于内部的各种损耗（包括绕组铜在负载运行过程中，由于内部的各种损耗（包括绕组铜耗、铁耗、机械耗等）电机自身耗、铁耗、机械耗等）电机自身(zshn)会发热，其结果造会发热，其结果造成电机的温度超过环境温度（标准环境温度为成电机的温度超过环境温度（标准环境温度为 ），超），超出的部分称为电机的温升。出的部分称为电机的温升。 C40发热过程发热过程： 由于存在温升，电机便向周围的环境散热。当发出的热量等于由于存在温升，电机便向周围的环境散热。当发出的热量等于散出的热量时，电机自身便达到一个热平衡状态。此时，温升达散出的热量时，电机自身便达到一个热平衡状态。此时，温升达到

21、稳定值。上述到稳定值。上述温度升高的过程温度升高的过程即是即是电机的发热过程电机的发热过程。第19页/共80页第二十页，共80页。21假定：（1）电机为一均匀(jnyn)发热体，即各点的温度相同； （2）电机向周围环境散发的热量与温升成正比。 根据发热过程中电机自身吸收的热量和向周围(zhuwi)介质散发的热量得电机的热平衡方程式为：dtACdQdt（13-8）式中，Q为电机单位时间内所产生的热量； C为热容量，它表示电机温升升高1C 时所需的热量； 为温升 A 为散热系数(xsh)，它表示单位时间内温升提高1C 时的散热量； Qdt： 表示在dt时间内电动机产生的总热量 d： 在dt时间内温

22、升的增量； Cd： 在dt时间内电动机温升d所需要的热量； Adt ：为dt时间内散发到周围介质中的热量； 式（13-8）经整理后得：LdtdT（13-9）其中， 为发热时间常数发热时间常数；它表示热惯性的大小，与电机的尺寸及散热条件有关； 为温升的稳态值；温升的稳态值；ACT AQL第20页/共80页第二十一页，共80页。22设初始条件为： ，由三要素法得方程(fngchng)（13-8）的解为：00tTtLLe)(0(13-10)根据式（13-10）绘出电机发热过程(guchng)的温升曲线如图13.2所示。图13.2 电机(dinj)发热过程的温升曲线 图13.2中，曲线1表示电机从非零

23、初始温升开始运行时的温升曲线；曲线2则表示电机从零初始温升开始运行时的温升曲线。LdtdT对形如：)0(0)()(ftAtfdttdf其通解为：teffftf)()0()()(第21页/共80页第二十二页，共80页。23B、电机的冷却、电机的冷却(lngqu)过程过程 冷却(lngqu)过程与发热过程类似，只不过电机的温度是一个降低过程。冷却(lngqu)过程仍可用式（13-10）来描述。相应的冷却(lngqu)过程的温升曲线如图13.3所示。图13.3 电机冷却(lngqu)过程的温升曲线 图13.3中，曲线1表示负载减小时的温升曲线；曲线2则表示电机完全停车时的温升曲线。TtLLe)(0第

24、22页/共80页第二十三页，共80页。24C、电动机的额定功率与允许、电动机的额定功率与允许(ynx)温升之间的关系温升之间的关系 a、电机的允许、电机的允许(ynx)温升温升b、电动机的额定功率与允许、电动机的额定功率与允许(ynx)温升之间的关系温升之间的关系第23页/共80页第二十四页，共80页。25 在电机负载运行过程中，电机内部的损耗导致电机发热在电机负载运行过程中，电机内部的损耗导致电机发热(f r)(f r)，有可能损坏电机内部的绝缘材料。一般来讲，绝缘材料决定了电机的寿命，其最高温度（或温升）决定了电机的最高允许温度或温升。，有可能损坏电机内部的绝缘材料。一般来讲，绝缘材料决定

25、了电机的寿命，其最高温度（或温升）决定了电机的最高允许温度或温升。 按照允许温度的不同，电机常用(chn yn)的绝缘材料可分为A、E、B、F、H共五级。不同等级的绝缘材料所采用材料的成分有所不同，价格也差异很大。按标准环境温度为40计算，上述五级绝缘材料的允许温度和温升如表13.1所示。绝缘等级绝缘等级AEBFH允许温度允许温度( )105120130155180允许温升允许温升( )658090115140CC表13.1 电机中常用绝缘材料(ju yun ci lio)的最高允许温度与温升 a a、电机的允许温升、电机的允许温升第24页/共80页第二十五页，共80页。26b b、电动机的额

26、定功率、电动机的额定功率( dn n l)( dn n l)与允许温升之间的关系与允许温升之间的关系 设电动机额定负载运行(ynxng)，电动机温升趋向稳态温升后，温升不再升高，d= 0，电动机温升的稳态值可表示为：ApAQNNL24. 0(13-11)NNNNNNNNNPPPPPp)1(1(13-12)又将上式代入式（13-11）得：NNNLPA)1(24. 00.24为热功当量(r n dn lin)系数dtACdQdtdtAdtQLN额定负载时的发热量额定负载时的损耗功率NNNNNIUPcos3第25页/共80页第二十六页，共80页。27NNNLPA)1(24. 0(13-13) 为了使

27、电动机得到充分利用，应根据电动机稳态时的温升值 等于最高允许(ynx)温升 的原则来选取电动机的额定功率，于是上式变为：Lmax)1 (24. 0maxNNNAPu 提高额定效率提高额定效率 。提高。提高 相当于降低电动机的内部损耗相当于降低电动机的内部损耗; ;u 提高散热系数提高散热系数(xsh)A(xsh)A。这可通过加大散热面积和介质的流通速度来实。这可通过加大散热面积和介质的流通速度来实 现。故此，现。故此， u 一般电动机多采用风扇（自带或采用附加通风机）和带散热筋的机壳一般电动机多采用风扇（自带或采用附加通风机）和带散热筋的机壳; ;u 采用更高等级的绝缘材料，以提高电动机的最高

28、允许温采用更高等级的绝缘材料，以提高电动机的最高允许温 。上式表明：对于尺寸相同的电动机，要想提高额定功率上式表明：对于尺寸相同的电动机，要想提高额定功率 ,可以采用如下可以采用如下(rxi)措施：措施：NPNNmax第26页/共80页第二十七页，共80页。2813.4 电动机的工作制电动机的工作制 在电机制造过程中，一般(ybn)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。现分别介绍如下：A、连续、连续(linx)工作制工作制 连续工作制又称为长期工作制，其特点是：电机的工作时间较长，一般大于 （ 为发热时间常数(sh jin c

29、hn sh) ），工作过程中温升可以达到稳态值。T)43(T 图13.4给出了连续工作制下电动机的输出功率与温升随时间的变化曲线。图13.4 连续工作制下电动机的输出功率与温升曲线ACT 第27页/共80页第二十八页，共80页。29B、短时工作制、短时工作制 短时工作制的特点是：电机的工作时间短时工作制的特点是：电机的工作时间 较短，一般小于较短，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。，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短时工作制电动机铭牌上的额定功率是按30min30min、60min6

30、0min、90min90min三种三种(sn zhn)(sn zhn)标准时间规定的。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(qxin) 图13.5给出了短时工作制下电动机的输出功率与温升随时间(shjin)的变化曲线。吊车、闸门提升机构以及机床夹紧装置等。第28页/共80页第二十九页，共80页。30C、断续、断续(dun x)周期性工作制周期性工作制 断续周期性工作制又称为重复短时工作制，其特点是：电动机工作与停歇断续周期性工作制又称为重复短时工作制，其特点是：电动机工作与停歇(tngxi)(tngxi)交替进行，两者持续的时间都比较短，其工作时间交

31、替进行，两者持续的时间都比较短，其工作时间 和停歇和停歇(tngxi)(tngxi)时间时间 均小于均小于 。工作过程中温升达不到稳定值，停歇。工作过程中温升达不到稳定值，停歇(tngxi)(tngxi)时温升降不到零。时温升降不到零。 按国家标准规定，断续周期性工作制下，电动机工作与停歇按国家标准规定，断续周期性工作制下，电动机工作与停歇(tngxi)(tngxi)周期周期 应小于应小于10min10min。gtotT)43(0tttgT起重机、电梯(dint)、轧钢辅助机械等 图13.6给出了断续周期性工作制下电动机的输出功率与温升随时间的变化曲线。minmax第29页/共80页第三十页，

32、共80页。31C、断续、断续(dun x)周期性工作制周期性工作制负载持续率：负载持续率： 断续周期性工作断续周期性工作(gngzu)(gngzu)制下，电动机每个周期内的工作制下，电动机每个周期内的工作(gngzu)(gngzu)时间与整个周期之比定义为负载持续率时间与整个周期之比定义为负载持续率ZC%ZC%，即：，即：%100%oggtttZC(13-14) 断续周期性工作制电动机共有四种(s zhn)标准的负载持续率：15%、25%、40%和60%。minmax第30页/共80页第三十一页，共80页。3213.5 电动机的额定功率电动机的额定功率( dn n l)的选择的选择电动机额定功

33、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(dxio)(dxio)预先确定。然后，再进行如下校验：预先确定。然后，再进行如下校验：（1 1）发热校验）发热校验 （2 2）过载能力校验）过载能力校验（3 3）起动能力校验）起动能力校验（4 4）电动机飞轮矩校验）电动机飞轮矩校验生产机械运行特点；静态负载功率大小。校验发热校验过载能力校验起动能力校验电机GD2校验第31页/共80页第三十二页，共80页。33A、几种常用生产机械负载功率、几种常用生产机械负载功率(gngl)的计的计算算 a a

34、、离心式水泵、离心式水泵(shubng)(shubng) 对于(duy)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)(13-15)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 /311232233)(smNsmsmkgsmkgsmmkgmsm第32页/共80页第三十三页，共80页。34b b、离心式风机、离心式风机(fn j)(fn j)与离心式水泵相似，离心式风机折合到电动机转子(zhun z)轴上的负载功率为：bLQHP （kW)(13-16)式中，Q 为泵

35、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 /3第33页/共80页第三十四页，共80页。35c c、起重机、起重机对于起重机负载(fzi)，其折合到电动机转子轴上的负载(fzi)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： ）；GNsm/（13-17）第34页/共80页第三十五页，共80页。36d d、机床、机床(jchung)(jchung) 对于主轴电机，其负载(fzi)功率可按下式计算：9550NLLnTP （13-18）（13-19） 对于进给电动机，其负载功率为：3max1

36、0vFPL式中， 为进给运动的总阻力（单位： ）； 为最大进给速度（单位： ）； FmaxvNsm/602100010001nTTPee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，N；v 为移动速度； 、 分别为动、静摩擦系数； 0第35页/共80页第三十六页，共80页。37例：一台与电动机直接联接的离心式水泵，流量Q=720m3/h，排水高度H=21m，转速为1000rpm，水泵效率b=0.78，水的密度=9810N/m3，传动机构效率=0.98，电动机与水泵同轴联接。电动机PN=55k

37、W，定子电压UN=380V，nN=980rpm，请问(qngwn)是否适用？解：求出负载(fzi)功率：3(720/3600) 9810 211053.90.78 0.98LbQHgPkWkW 53.955LNPkW PkW电机(dinj)额定转速980rpm与1000rpm相近。该电机适用于该离心水泵负载。第36页/共80页第三十七页，共80页。38B、电动机发热、电动机发热(f r)的校验的校验 a a、连续工作制负载下电动机发热的校验、连续工作制负载下电动机发热的校验（1 1）对于连续恒定性负载）对于连续恒定性负载（2 2）对于连续周期性负载（平均损耗法、等效法（等效电流法、等效转矩法、

38、等效功率法）对于连续周期性负载（平均损耗法、等效法（等效电流法、等效转矩法、等效功率法）（3 3）考虑起）考虑起/ /制动及停歇过程制动及停歇过程(guchng)(guchng)时发热校验公式的修正时发热校验公式的修正b b、短时工作制下电动机发热的校验、短时工作制下电动机发热的校验c c、断续周期性工作制下电动机发热的校验、断续周期性工作制下电动机发热的校验d d、非标准环境下电动机额定功率的修正、非标准环境下电动机额定功率的修正第37页/共80页第三十八页，共80页。39a a、连续、连续(linx)(linx)工作制负载下电动机发热工作制负载下电动机发热的校验的校验分如下两种情况(qng

39、kung)进行讨论：1. 对于对于(duy)连续恒定性负载连续恒定性负载 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发热则不需再进行校核。 第38页/共80页第三十九页，共80页。402. 对于连续对于连续(linx)周期性负载周期性负载 可先按下式计算一个周期(zhuq)内的平均负载功率： cniiLinnLnLLLTtPttttPtPtPP 1212211（13-23）式中， 为

40、第i段的负载(fzi)功率； 为各段持续的时间；负载(fzi)的周期 。LiPitniictT1LNPP)6 . 11 . 1 (（13-24）然后按下式预选预选电动机的额定功率电动机的额定功率： 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。第39页/共80页第四十页，共80页。411. 1. 平均平均(pngjn)(pngjn)损耗法损耗法具体方法：具体方法： 首先将功率首先将功率(gngl)变化曲线变化曲线 （又称功率（又称功率(gngl)负载图）变为损耗曲线负载图）变为损耗曲线其中，损

41、耗曲线中各段的损耗功率其中，损耗曲线中各段的损耗功率(gngl) 与负载功率与负载功率(gngl) 之间的关系可由下式给出：之间的关系可由下式给出：)(tfPL)(tfpLLipLiPLiiLiiPPp(13-25)式中，各段负载(fzi)功率 对应的效率 可由电动机的效率曲线查得。LiPi图13.7 典型连续周期性变化负载的损耗曲线和温升曲线第40页/共80页第四十一页，共80页。42其中，额定负载时的损耗(snho) 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。最后，检验平均损耗最后，检验平均损耗 是否满足是否满足(m

42、nz)下列条件：下列条件： 。然后然后(rnhu)，通过损耗曲线，通过损耗曲线 按下式计算负载变化下的平均损耗：按下式计算负载变化下的平均损耗：)(tfpLcniiLinnLnLLLavTtpttttptptpp 1212211(13-26)avpNavppNp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第41页/共80页第四十二页，共80页。432. 2. 等效法等效法(xiof)(xiof)第42页/共80页第四十三页，共80页。44等效等效(dn xio)电流电流法法具体方法： 首先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

43、电流 （有效值）：)(tfILcTeqIniiiceqtITI121(13-29) 然后，检验(jinyn)等效电流 是否满足条件： eqINeqII 若条件满足，则发热校验(xio yn)通过。图13.8 周期性变化负载下电动机的负载电流或转矩曲线 式（13-29）仅适用于负载电流在各时间段内按按矩形规律变化矩形规律变化的情况，如图13.8a所示。 第43页/共80页第四十四页，共80页。45图13.8 周期性变化负载(fzi)下电动机的负载(fzi)电流或转矩曲线 若负载电流(dinli)是按三角形或梯形变化（见图13.8b），则应将各时间间隔内的电流(dinli)换算为有效值后，再利用式

44、（13-29）计算等效电流(dinli) 。eqI 例如对图13.8b，其对应时间(shjin) 段内三角形电流的有效值为：1t3)(110211111IdtttItIteq 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可按上述方法求得。niiiceqtITI121（13-29）第44页/共80页第四十五页，共80页。46 这里(zhl)， 。等效等效(dn xio)转矩转矩法法 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），则等效电流的计算公式（

45、13-29）可直接(zhji)转变为等效负载转矩的计算公式：2cosniiiceqtTTT121(13-31) 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，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 第45页/共80页第四十六页，共80页。47等效等效(dn xio)功率功率法法 在电动机运行过程中，若转速基本不变，则式（13-31）可以转变为等效负载(fzi)功率的计算公式：niiiceqtPTP121(13-33) 若满足： ，则发热校验(xio yn)通过。NeqPPniiiceqtTTT121第46页/共

46、80页第四十七页，共80页。483. 3. 考虑起、制动及停歇过程时发热校验公式考虑起、制动及停歇过程时发热校验公式(gngsh)(gngsh)的修正的修正 对电力(dinl)拖动系统，若选用他扇冷却式电动机，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，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(dngj)，一般取 ， ； 对于异步电动

47、机(dngj)，一般取 ， 。75. 05 . 05 . 025. 0图13.9 包括起、制动和停歇时间的负载电流图第47页/共80页第四十八页，共80页。493. 3. 考虑起、制动及停歇过程时发热考虑起、制动及停歇过程时发热(f r)(f r)校验公式的修正校验公式的修正 如对于图13.9所示的负载(fzi)电流，其修正后的等效电流可按下式计算：0321323222121tttttItItIIeq图13.9 包括(boku)起、制动和停歇时间的负载电流图（13-34）niiiceqtITI121第48页/共80页第四十九页，共80页。50b b、短时工作制负载下电动机发热、短时工作制负载下

48、电动机发热(f r)(f r)的校验的校验 短时工作制的负载可以选用(xunyng)连续工作制的电动机， 也可以选用(xunyng)短时工作制的电动机。1.短时工作制负载短时工作制负载(fzi)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，然后再预选预选电动机的额定功率。TtTtLLNNggkeePPP11（13-35）式中， 为电动机的发热时间常数； 为短时工作时间； 为折算到连续工作制下的负载功率。 为电机空载损耗与额定负载下可变损耗之比。TgtLNP折算可按下式进行：0cuNpkp第49页/共80页第五十页

49、，共80页。51图13.10 短时工作制时的功率(gngl)变化曲线与温升曲线 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。 但选用的电动机的额定功率要比实际(shj)（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。TtTtLLNNggkeePPP111.短时工作制负载短时工作制负载(fzi)选择连续工作制电动机选择连续工作制电动机第50页/共80页第五十一页，共80页。522.短时工作制负载短时工作制负载(fzi)选择短时工作制电动机选择短时工作制电动机 若短时工作方式(fngsh)负载的工作时间 与标准时间相同，则选择

50、电动机额定功率时只需确保 即可，不必再校核发热。gtLNPP 若负载的实际工作时间与标准时间不同，则应先将负载的功率折算(sh sun)至最接近的标准时间 ，然后再选择电动机。 其折算(sh sun)可按式（13-39）进行，发热也不必再校核。gNtgNgLLNNttPPP（13-39）短时工作制电动机有三种：30min、60min、90min。第51页/共80页第五十二页，共80页。53第52页/共80页第五十三页，共80页。54第53页/共80页第五十四页，共80页。55第54页/共80页第五十五页，共80页。56第55页/共80页第五十六页，共80页。57第56页/共80页第五十七页，共

51、80页。58c c、断续、断续(dun x)(dun x)周期性工作制负载下电动机发热的校验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(biozhn)负载持续率共有四种：15%、25%、40%和60%。iniLigLNtPtPP11)6 . 11 . 1 ()6 . 11 . 1 ( 若负载持续率ZC%与标准负载持续率不同，则应先将负载的功率折算至最接近(jijn)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）NZC11(1.11.6)(1.11.6)(1.11.6)nNLi iigNLNLNZCPPZCZCPP ttZC（13-42）式中，时

52、间只需考虑工作时间tg，停歇时间t0已在负载持续率中考虑了。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：第57页/共80页第五十八页，共80页。59 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(xio h)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。NeqeqNZCZCII（13-44）当负载(fzi)转矩与负载(fzi)电流成正比时，eqNeqNZCPPZCeqNeqNZCTTZC式中，Ieq、Teq、Peq分别表示

53、(biosh)实际负载持续率下等效负载电流、转矩和功率；IeqN、TeqN、PeqN分别表示(biosh)折算至标准负载持续率下等效负载电流、转矩和功率。折算方法公式：第58页/共80页第五十九页，共80页。60 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。 只要按发热等效的观点适当地选择电动机功率，每一类电动机都可在三种工作制下运行。但从全部性能角度看，生产机械实际工作制最好(zu ho)与电动机规定的工作制一致。%10ZC%70ZC第59页/共80页第六十页，共80页。61d d、非标准环境温度下电动机额定功率、非标准环境温度下电动机额定功

54、率( dn ( dn n l)n l)的修正的修正 国际电工技术委员会（IEC）标准规定：电动机的标准使用(shyng)环境温度为 。电动机的额定功率即是在这一温度下给出的。C40kkCPPmmN) 1(400(13-47)式中， 为实际的环境温度(wnd)， 为绝缘材料的最高允许温度(wnd)（与最高温升 相对应）, 。0mmax 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：0cuNpkp第60页/共80页第六十一页，共80页。62第61页/共80页第六十二页，共80页。63第62页/共80页第六十三页，共80页。64第63页/共80页第六十四页，共80页。65第64页/

55、共80页第六十五页，共80页。66第65页/共80页第六十六页，共80页。67C、电动机额定功率选择、电动机额定功率选择(xunz)的工程方的工程方法法 a a、统计法、统计法 一般按下列(xili)经验公式选择电动机：（1）车床）车床(chchung)(5 .3654. 1KWDP 式中，D 为工件的最大直径。（2）立式车床）立式车床)(2088. 0KWDP （3）摇臂钻床）摇臂钻床)(0646. 019. 1KWDP )(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.

56、3。 第66页/共80页第六十七页，共80页。68（5）卧式镗床）卧式镗床(tngchung)KWDP7 . 1004. 0式中，D为镗杆直径(zhjng)。 （6）龙门）龙门(ln mn)铣床铣床KWBP16615. 1式中，B为工作台宽度。b b、类比法、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。第67页/共80页第六十八页，共80页。69例题例题13-1 示意图为具有尾绳和摩擦示意图为具有尾绳和摩擦(mc)轮的矿井提升机。电动机直接轮的矿井提升机。电动机直接与摩擦与摩擦(mc)轮子相联，摩擦轮子相联，摩擦(mc)轮旋转，靠摩擦轮旋转，靠

57、摩擦(mc)力带动绳子力带动绳子及罐笼及罐笼3（内有矿车及矿物（内有矿车及矿物G）提升或下放。尾绳系在两罐笼之下，以平）提升或下放。尾绳系在两罐笼之下，以平衡提升机左右两边绳子的重量。已知下列数据：衡提升机左右两边绳子的重量。已知下列数据：（1）井深）井深H=915m;（2）负载重量）负载重量G=58800N；（3）每个罐笼（内有一空矿车）重量）每个罐笼（内有一空矿车）重量G3=77150N；（4）主绳与尾绳每米重量）主绳与尾绳每米重量G4=106N/m;（5）摩擦）摩擦(mc)轮直径轮直径d1=6.44m;（6）摩擦）摩擦(mc)轮飞轮矩轮飞轮矩GD12=2730000Nm2（7）导轮直径）

58、导轮直径d2=5m；（8）导轮飞轮矩）导轮飞轮矩GD22=584000Nm2;（9）额定提升速度）额定提升速度vN=16m/s;（10）提升加速度）提升加速度a1=0.89m/s2;（11）提升减速度）提升减速度a2=1m/s2;（12）周期长）周期长tz=89.2s;（13）罐笼与导轨的摩擦）罐笼与导轨的摩擦(mc)阻力使负载重量增加阻力使负载重量增加20%.第68页/共80页第六十九页，共80页。70试选择(xunz)拖动电动机功率。解题思路：根据计算出的负载功率，预选电动机功率；根据电动机的工作过程，救出其负载图及转速图；（求出系统总飞轮(filn)矩，再求出各阶段的转矩）根据负载图，可

59、以求出等效转矩Tdx，进行发热校验；通过发热校验的电机，再进行过载能力校验。第69页/共80页第七十页，共80页。71解（1）计算负载(fzi)功率(1 0.2)1.2 58800 161.21355()10001000NLGvPkkW16060 1647.5( /min)6.44NNvnrd式中，k是由起制动(zh dn)过程中的加速转矩而使电机转矩增加的系数，一般取k=1.21.25。（2）预选电动机(dngj)功率拟采用双电机拖动。预选他励直流电动机(dngj)。取每个电机功率为700kW, 连续工作方式，过载倍数KT=1.8, 自扇冷式。则电机转速为：对于700kfW,47.5r/mi

60、n的电机，其飞轮矩GDD2=1065000Nm2,则两台电机的飞轮矩为： GDD2=10650002=2130000（Nm2）电机总额定转矩为：2 70095509550281474()47.5NNNPTN mn第70页/共80页第七十一页，共80页。72（3）计算电动机负载图电机在提升重物时，应经历四个阶段：0t1,加速起动，速度为0vN（47.5r/min）,上升高度(god)为h1; t2时间内，电机恒速运行（ vN=47.5（r/min），上升高度(god)为h2；t3时间内，减速至零vN0，上升高度(god)为h3;总上升高度(god)为：H=h1+h2+h3;t0时间内，电机停歇，

61、一个罐笼卸载，另一个装载，总周期： tz=t1+t2+t3+t4=89.2s.阻转矩计算(j sun)：16.44(1 0.2)1.2 58800227203()22LdTGN m第71页/共80页第七十二页，共80页。73加速(ji s)时间：t1=vN/a1=16/0.89=18(s)加速(ji s)阶段罐笼上升高度：h1=a1t12/2=0.89182/2=144.2(m)减速(jin s)时间：t3=vN/a3=16/1=16(s)减速(jin s)阶段罐笼行程高度：h3=a3t32/2=1162/2=128(m)稳定速度罐笼(gunlng)的高度：h2=H-h1-h3=915-144

62、.2-128=642.8(m)稳定速度运行时间：t2=h2/vN=642.8/16=40.2(s)停歇时间：t0=tz-t1-t2-t3=89.2-18-40.2-16=15(s)要求解电机在加减速时的转矩，需按动力学方程式：2375GD dnTdt所以，要求解出电机总飞轮矩：GD2=GDa2+GDb2系统中转动部分折算到电动机轴上飞轮矩系统中直线运动部分折算到电动机轴上飞轮矩第72页/共80页第七十三页，共80页。74导轮(doln)转速：226060 1661( /min)5Nvnrd转动(zhun dng)部分折算到电动机轴上的飞轮矩GDa2:222222121222()61213000

63、027300002 584000()47.56786262()aDnGDGDGDGDnN m 第73页/共80页第七十四页，共80页。75系统(xtng)直线运动部分总重量：342(290)588002 77150 106(2 91590)416620()GGGGHN 式中,90m是绕摩擦轮及两导轮的绳长.系统直线运动部分重量折算(sh sun)到电机轴上的飞轮矩GDb2:22222365365 416620 1617253838()47.5NbNG vGDN mn系统(xtng)总飞轮矩：GD2=GDa2+GDb2=6786262+17253838=24040100（Nm2）第74页/共80

64、页第七十五页，共80页。76加速阶段动态转矩：加速阶段电磁转矩：T=TL+Ta1=227203+169171=396374(Nm)221112404010047.5169171()37537537518NanGDdnGDTNmdtt减速(jin s)阶段动态转矩：加速阶段电磁转矩：T=TL+Ta3=227203-190317=36886(Nm)222332404010047.5190317()37537537516NanGDdnGDTNmdtt 第75页/共80页第七十六页，共80页。77按求出的数据(shj)，绘出电机负载转矩图。第76页/共80页第七十七页，共80页。78（4）发热校验设散

65、热恶化系数(xsh)=0.75，=0.5，则等效转矩Tdx为：22211223312302223963741822720340.236886160.75 1840.20.75 160.5 15259386()281474()dxNT tT tT tTttttNm TNm所以，发热(f r)校验通过。第77页/共80页第七十八页，共80页。79（5）过载(guzi)能力校验由负载图，可以看出电机最大转矩为：Tmax=396374Nm则max3963741.411.8281474NTT所以，预选的电机过载能力满足(mnz)负载要求。第78页/共80页第七十九页，共80页。80第79页/共80页第八十页，共80页。