电动机工作制.doc

电机的工作制的分类是对电机承受负载情况的说明，它包括启动、电制动、空载、断能停转以及这些阶段的
持续时间和先后顺序，工作制分以下9类：
S1 连续工作制：在恒定负载下的运行时间足以达到热稳定。
S2 短时工作制：在恒定负载下按给定的时间运行，该时间不足以达到热稳定，随之即断能停转足够时间，
使电机再度冷却到与冷却介质温度之差在2K以内。
S3 断续周期工作制：按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段恒定负载运行时间和一段断能停转
时间。这种工作制中的每一周期的起动电流不致对温升产生显著影响。
S4 包括起动的断续周期工作制：按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段对温升有显著影响的起
动时间、一段恒定负载运行时间和一段断能停转时间。
S5 包括电制动的断续周期工作制：按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段起动时间、一段恒定
负载运行时间、一段快速电制动时间和一段断能停转时间。
S6 连续周期工作制：按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段恒定负载运行时间和一段空载运行
时间，但无断能停转时间。
S7 包括电制动的连续周期工作制：按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段起动时间、一段恒定
负载运行时间和一段快速电制动时间，但无断能停转时间。
S8 包括变速变负载的连续周期工作制：按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段在预定转速下恒
定负载运行时间，和一段或几段在不同转速下的其它恒定负载的运行时间，但无断能停转时间。
S9 负载和转速非周期性变化工作制：负载和转速在允许的范围内变化的非周期工作制。这种工作制包括经常过载，其值可远远超过满载。

电动机的选择包括选择电动机的种类、型式、额定电压、额定转速和额定功率，其中以额定功率的选择较为复杂。确定电动机的额定功率，要考虑三个方面，即电动机的发热、过载能力与起动能力，其中尤以发热问题最为重要。
电动机运行时的损耗，转变为热能，使电动机各部分温度升高。电动机允许温度主要决定于电动机所用绝缘材料的耐热等级。根据耐热程度的不同，电动机常用绝缘材料分为五个等级。
A
E
B
F
H
105
120℃
130℃
155℃
180℃
电动机的额定功率是指环境温度为标准值40℃时，电动机带额定负载长期连续工作，其稳定工作温度接近或等于绝缘材料允许的最高温度。
研究电动机发热时，常用“温升”这一概念。所谓“温升”是电动机温度与周围环境温度之差，周围环境温度的标准值定为40℃。
校验电动机的过载能力可按下式进行

式中 Tmax—电动机工作中可能出现的最大负载转矩。
如果过载校验不能通过，则另选过载能力较大的电动机或改选功率较大的电动机，以满足过载条件的要求。
对于鼠笼式异步电动机，还应校验其起动能力，使满足

如不满足,则应另选Tst较大的或功率较大的电动机。

§9－1 电动机的发热和冷却及电动机工作制的分类
一. 一.  电动机的发热过程
电动机运行时的发热情况较为复杂,为方便起见,假定电机为一均质等温固体,即假定电动机是一个表面均匀散热,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φ,则在dt时间内产生的热量为φdt,其中一部分为电机所吸收(使电机温度升高),另一部分散发于周围介质中,为此可得热平衡方程

式中 C—电动机的热容量,即使电动机温度升高1℃所需的热量；
dτ—电动机在dt内温度升高的数值；
A—电动机的散热系数,为电机与周围环境温度相差1℃时,单位时间向周围介质散发的热量。
上式两边同时除以Adt,则得微分方程

令 ,,则上式变为

解此微分方程，则可得温升曲线方程式

式中 —发热过程的起始温升。
若起动时电机处于冷态，，则上式变为

由此上两式可以做出两条曲线，如图9－1
所示。可见，温升是按指数规律上升的，最终趋于 图9－1发热过程的温升曲线
稳定温升，这时电动机的发热量等于散热量。
式中T称为发热时间常数，因为，所以电动机的体积越大，C越大，T就越大，同时，散热系数A越大，则T越小。
式中为稳定温升，与发热量，即与损耗，亦即与负载大小有关。负载越重，就越高；同时，散热系数A越大，则越低。
二. 二.   电动机的冷却过程
电动机的负载减小或停机时，电动机的损耗下降或为零，温升下降，电动机进入冷却过程。冷却过程的温升曲线方程与发热时相同，只是发热过程的>，而冷却过程的
<。由此可得电动机冷却过程的温升曲线如图9－2所示。曲线1为负载减小时的温升曲线。曲线2为停机时的温升曲线。因为=0，所以曲线方程为

式中为冷却时间常数，如果电动机为外部风冷，则此曲线的时间常数T’=T,如果用自扇冷式，则由于散热条件变差，冷却时间常数Tˊ=(2～3)T 。
三. 三.   电动机工作制的分类
按电动机工作时间的长短和发热情况的不同，一般将电动机分为三种基本工作方式（或称工作制）：
(一)连续工作制
电动机工作时间很长，其温升可达稳定值，即tg>(3～4)T,可达几小时甚至几天。例如水泵、鼓风机、造纸机等。其简化负载图P=f(t)及温升曲线τ=f(t)如图9－3所示。
(二)短时工作制
工作时间较短 tg<(3～4)T，电动机温升达不到稳定值，而停车时间t0较长，温度是以降至周围环境温度（即τW=0），例如机床的辅助运动机械，冶金辅助机械，闸门启闭机等。负载图P=f(t)及温升曲线τ=f(t)如图9－4所示。标准时间为 15、30、60、90分钟四种。
（三）断续周期工作制
工作时间tg 和停歇时间t0
轮流交替，两段时间都短。tg
期间，温升来不及达到稳定
值，t0期间，温升也来不及降 图9－3 连续
至零。但经过一个周期，温升 工作制P=f（t）
有所上升，最后温升将在某一 和τ=f(t)曲线
范围内上下波动。例如起重机、
电梯、轧钢辅助机械等。负载
图P=f(t)和温升曲线τ=f(t)如
图9－5所示。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ZC%
即。
我国规定的标准持续率为 图9－4 短时工
15%、25%、40%、60%四种， 作制P=f（t）和
并规定tg+to10min。 τ=f(t)曲线
电机厂专门设计和制造了适应不同工
作制的电动机，供按不同的负载性质选配。
不同工作制下电动机功率的选择方法是不
同的。

9－2 连续工作制电动机的选择
连续工作制电动机的负载分为两类：常值负载和变化负载。
一. 一. 常值负载下电动机功率的选择
先计算出生产机械的负载功率PZ，然后选择电动机的额定功率PN等于或略大于PZ，即

发热就不会有问题，对鼠笼式异步电动机，一般还需校验其起动能力。
电动机的额定功率是按标准环境温度40℃确定的。如果使用时，周围环境温度与标准值40℃相差较大，为了充分利用电动机，其输出功率可与不同。
根据发热等效的原则，即在不同的环境温度下，带负载运行时电动机的温度均达绝缘材料的最高允许温度θm这一原则，可以推导出电动机在实际环境温度为θ０时允许输出功率的计算公式：

式中 －绝缘材料允许的最高温度
－不变损耗（空载损耗）与额定负载下可变损耗（铜耗）之比，其值决定于电动机的结构与转速，一般为0.4～1.1 。
显然，如果θO ＞40℃，则P＜P； θO＜40℃,则P＞PN。
实际工作中，也可按表13-1近似确定θO不等于40℃时电动机允许输出的功率P。
环境温度
30℃
35℃
40℃
45℃
50℃
55℃
电动机功率增减的百分数
+8%
+5%
0
-5%
-12.5%
-25%
环境温度低于30℃时，一般也只增加8%。
电动机所在地点的海拔高度对电动机的温升也有影响，因为海拔越高，气温越低，散热条件越差，两者可适当补偿。因此规定1000米以下，额定功率不进行校正，但大于1000米时，需进行校正或采用适用于高原的电动机。
二.   变化负载下电动机功率的选择
连续工作方式下的周期性变化负载，其负载功率的大小是变化的，为按其最小负载功率选择电动机的额定功率PN,会使电动机过热甚至烧坏；如按其最大负载来选，则会造成电动机容量的浪费。解决这一问题的方法是根据一个周期内各段时间实际的负载功率求取平均负载功率，然后根据平均负载功率预选电动机。
连续周期性变化负载的平均功率和平均转矩可按下面公式计算：

和

过渡过程中，可变损耗与电流平方成正比，电动机发热较为严重，上述Pzd及Tzd中没有反映过渡过程中的发热情况。因此，根据平均负载功率或平均负载转矩预选电动机的额定功率时应当乘以1.1～1.6的系数。
即 PN≥(1.1～1.6)PZd
或 PN≥(1.1～1.6)
预选电动机后先校核发热，后校核过载能力，必要时再校核起动能力。
校核发热的方法有平均损耗法和等效法，等效法中又包括等效电流法，等效转矩法和等效功率法。
（一） （一）   平均损耗法
根据国家标准规定，当变化周期时，周期性变化负载下电动机的稳定温升不会有大的波动，可用平均温升代替最高温升，因此可以用平均损耗来校核发热。平均损耗可按下式计算

式中 为第i段电动机的损耗。
只要
发热校核通过，为电动机额定运行时的损耗。
如果，说明预选电动机功率太小，发热校验通不过，需重选功率较大的电动机，重新校核发热直至通过。
如果，说明预选电动机功率太大，电动机得不到充分利用。这时需改选功率较小的电动机，重新进行发热校验。
平均损耗法适用于任何类型电动机，只要。
(二) 等效法 平均损耗法需先求出，计算步骤比较复杂。
1. 1.       等效电流法
电动机的损耗包含不变损耗和可变损耗两类，为此变化负载下第i级负载的损耗
把平均损耗中可变损耗所对应的电流称为等效电流Idx，则

故有
化简则得

在预选电动机之后，根据生产机械的负载变化曲线和电机的工作情况，求出电动机电流的变化曲线I=f(t),从而按上式求出等效电流Idx,如果，则发热校验通过，否则需重选电机，再进行校核，直至通过为止。
等效电流法是从平均损耗法引申出来的，在推导Idx的过程中，认为空载损耗P0和常数C都不变。故应用此法需符合以下条件：(1)tz<<T,或(2)空载损耗P0不变，(3)与绕组电阻有关的C不变。
(二)等效转矩法
如果已知的不是电流负载图而是转矩负载图，又如果转矩与电流成正比（如直流机励磁不变，异步机磁通φ与2不变时），可用等效转矩Tdx来代替等效电流Idx，公式为

如果预选电动机的则发热校验通过。TN可由预选电动机的PN和nN由下式求得
　　N.m
由于等效转矩法是由等效电流法推导得到的，所以应用此法的条件除等效电流法的三个条件以外，还要加(4)T与I成正比。如不满足此条件，则应用此法时应设法进行修正（修正各段的Ti）。
(三)等效功率法
若整个工作期间转速基本不变，输出功率近似与转矩成正比，则可用功率代替转矩，这就叫等效功率法。等效功率按下式计算：

当，发热校验通过。
由于等效功率法是由等效转矩法的基础上，加上转速基本不变的条件推导出来的，所以等效功率法的使用条件除以上4条外，还要加上(5)转速基本不变。如果某段转速不同，则应进行折算以进行修正（修正各段的Pi）。
三．有起动、制动及停歇过程时校验发热公式的修正。
当一个周期内包含起动、制动、停歇等过程时，如果电动机是自扇冷式的，由于这些时间段中散热条件变坏，实际温升会偏高。按平均损耗法或等效法计算时，应将公式分母中相应的起动与制动时间上乘以小于1的系数，在对应停歇的时间上乘以系数。对直流电动机，可取，；对于异步电动机，可取，。
以图9－6所示负载图为例。图中t1为起动时间，t2稳定运转时间，t3为制动时间，t0为停歇时间,I1,I2,I3分别为起动，稳定运转，制动过程中的电流，则修正后的等效电流为：

四．等效法在非恒值变化负载下的应用
设有非恒值变化负载如图9－7的电流负载图所示，一般可将其近似分成多段直线，再求其等效电流。图中曲线除包含恒值部分外，还有三角形和梯形段。这时需先求出三角形段和梯形段的等效电流。
三角形段等效电流的求法：由于该段内

其等效值

梯形段等效电流用同样方法可得

以上方法以等效电流法为例推得，同样适用于等效转矩法和等效功率法。

§9－3 短时工作制电动机的选择
对于短时工作制，可选用为连续工作制设计的电动机，也可选用为短时工作制设计的电动机。
一． 一． 选用为连续工作制而设计的电动机
设短时功率为Pg，时间为tg 。如果选择连续工作制电动机，使，显然在t= tg时，温升按曲线1只能达到，
而达不到，即。如图9－8
从发热观点考虑，电动机得不到充分利用。
为此，选用连续工作制电动机的，
在工作时间tg内电动机达到的最高温升τm
等于或接近于连续运行时的稳定温升，亦
即等于或接近于由绝缘材料决定的电动机
的最高允许温升τW，即
图9－8短时工作时的P=f（t）和τ=f（t）

式中 及—对应Pg及PN的损耗功率。
根据以上原则，按发热观点可以推导出功率过载倍数

式中为不变损耗与额定可变损耗之比。
可见k一定时，按发热观点的功率倍数取决于，随的减小而增大。减小到一定程度，将出现。此时如仍按发热观点选择PN,过载能力就通不过，为此，此时应从过载能力出发，按下式选择连续工作方式电动机的额定功率

这样，不但过载能力满足要求，发热也肯定可以通过，还有裕度。
如果短时工作期间功率变化时，按发热观点选电动机，应先求等效功率，代替式中的Pg,此时还必须用最大负载功率来校验电动机的过载能力。一台电动机的最大允许输出是固定值，连续工作时电动机输出功率小，允许过载倍数较大，同台电动机短时工作时输出功率增大，其允许过载倍数将下降，如电动机功率系按允许过载倍数决定，公式中的Pg为最大负载功率，则不必进行过载能力的校验。某些电动机(例如鼠笼式异步电动机)的起动转矩是一定的，无论是按发热还是过载能力决定的电动机功率，都必须校验起动能力。
二.选用专为短时工作制设计的电动机
我国专为短时工作制设计的电动机，其工作时间为15、30、60、90min四种。对同一台电动机，对应不同的工作时间，其额定功率不同，关系为P15>P30>P60>P90,显然过载能力也不同，其关系为λ15<λ30<λ60<λ90。一般在铭牌上标的是小时功率，即P60。
选择这种电动机，如果实际工作时间等于上述标准时间时很方便。只要按对应的工作时间与功率，由产品目录直接选用即可。
当电动机实际工作时间tgx与标准值tg不同时，应把tgx下的功率Px换算到tg下的功率Pg，再按Pg来进行电动机功率的选择。换算时，应取与tgx最接近的tg，。与tg对应的功率Pg可按下式换算：

式中 ，当时，可近似为

如果没有合适的专为短时工作制设计的电动机，也可采用专为断续周期工作制设计的电动机，其对应关系可近似为：tg=30min相当于ZC%=15%,tg=60min相当于ZC%=25%，tg=90min相当于ZC%=40%。

§9－5断续周期工作制电动机的选择
应大量生产机械的需要,有专为断续周期工作制设计的电动机。此类电动机的共同特点是起动能力强,过载能力大,惯性小,机械强度好,绝缘等级高,临界转差率Sm(对鼠笼式电机)设计得较高等。
对同一台电动机,不同负载持续率ZC%时对应的额定功率不同,如表13-2所示例子JZR-11-6。表中过载能力一项中，仅给出ZC%＝25%时最大转矩Tm与额定转矩TN(25%)的比值，这是由于这台电动机的Tm是一个固定值，而TN是随ZC%的改变而变化的，ZC%越小， PN与TN越大 ，过载能力就越低。
断续周期工作制电动机功率的选择与连续工作制变化负载下功率选择相似，在一般情况下，也要经过预选及校验等步骤。即先根据负载初步确定负载持续率ZC%和负载功率的平均值Pzd，预选电动机，作出电动机的负载图，进行发热、过载能力及必要时起动能力的校验。
如果实际的ZCx% 不等于标准的ZC%，则选与ZCx%最接近的ZC%，再把ZCx%下的功率Px换算为ZC%的功率。换算公式如下:

当 时,可近视为

如果ZCx%＜10%，可按短时工作制选择电动机；如果ZCx%＞70%，可按连续工作制选择电动机。

§9－6 选择电动机的功率的统计法和类比法

对各国同类型先进的设备所选用的电动机功率进行统计和分析，找出电动机的功率和设备主要参数之间的关系，结合我国具体情况得出相应的计算公式，设计时按这些公式确定电动机的功率，称之为统计法。例如
1．车床 P=36.5D1.54KW D—工件最大直径（m）
2．立车 P=20D0.88KW D—工件最大直径（m）
另一种实用的方法为类比法，是在调查同类生产机械采用电动机的功率数值的基础上，通过类比方法，确定所选电动机的功率。

§9—7电动机电流种类、形式、额定电压与额定转速的选择
一． 一． 电动机种类的选择
二． 二． 电动机结构型式的选择
立式与卧式
防护型式：开启式、防护式、封闭式、防爆式
三． 三． 电动机额定电压的选择
交流：380V、300V、600V、1000V
直流：110V、220V、440V、（160、180、340V等）
四．电动机额定转速的选择