如何选择电气传动形式及进行功率计算

在选择电气传动的形式时应当考虑如下事项：

-计算电动机的功率；

-计算电动机的额定转速（同时计算减速机的减速比）；

-选择电动机的形式，与工作方式相符合；

-确定电动机的起动方式；

-确定电动机的IP防护等级；

-根据环境条件选择电动机的结构；

-选择电动机的冷却方式。

电动机冷却方式包括自然冷却和强制冷却。电动机轴上带有风扇的冷却属于自然冷却的范围，在使用变频调速时应当采用独立的冷却风扇。有些大型电动机还采用风-水冷却的方式，即利用风机对电动机的内部进行循环空气冷却，而循环空气再经过通水冷却器降低温度。

对于周期动作机械、随动系统等具有动态工作特性的机械，最好选择低转动惯量的电动机。对于驱动曲柄连杆机构的电动机，最好选用高转动惯量的电动机。对于工作在特殊条件下的电动机，如带较大负载并且频繁起动的电动机、工作在高温、潮湿环境的电动机，均应选择特殊设计的电动机。

普通的异步电动机的同步转速为3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min、600r/min。而工作机械转速的转速往往较低，在电动机轴和工作机械轴之间需要加设减速机。减速机的作用是降低转速并增大转矩。用减速机匹配可调速电动机与工作机械的转速时，应使电动机的转速处于调速的最佳区域，尽量避免使用弱磁调速区域。

电动机的额定转矩（单位为N·m）可以由铭牌参数求出：

式中 P_N——电动机的额定功率，单位kW；

n_N——电动机的额定转速，单位r/min。

额定转矩既和电动机中转子绕组总的导体的有效长度成正比，也和气隙中的磁通密度B成正比、绕组中的电流密度A成正比：

式中 D、L——转子绕组有效部分的直径和长度。

可以近似认为电动机的外形尺寸与额定转矩成正比，电动机的价格是由它的重量所决定的，同样功率的电动机，额定转速越低，额定转矩则越大，重量也就越大，相应的价格就越昂贵。举例说明，在外形尺寸和重量方面，转速为750r/min的电动机的是同样功率3000r/min电动机的4倍，价格也是4倍左右。

因此，在面临机械传动和电气传动的结构选择的时候，究竟是选择高速电动机配合减速机的方案，还是选择低速电动机不用减速机的方案呢，这要靠技术经济的方案比较才能得出结论。

对于中低功率（200kW以下）的电动机多用带有减速机的方案。齿轮电动机是一种较新的方案，这是把电动机和减速齿轮做成一体化的特殊电动机。

计算电动机的功率主要依据三个条件：

-电动机的温升不应当超过绝缘等级允许的温度；

-允许电动机在起动和制动工况下有短时间的转矩过载，一般过载倍数为1.5～2.0倍，最大不超过2.5倍；

-在驱动大转动惯量负载或频繁起动的电动机时，不应当引起电动机转子过热。把普通电动机作为变频调速电动机使用时，低速时电动机的温升加剧，须引起注意。

电动机的温升会导致电动机故障及加速绝缘老化。允许温升取决于电动机的绝缘等级。

电动机的绝缘等级是指所用的绝缘材料的耐热等级，分为Y、A、E、B、F、H、C级。其中常用的电动机绝缘等级为A、E、B、F、H级。Y级绝缘材料耐热极限温度小于90℃，C级绝缘材料耐热极限温度大于180℃，这两种绝缘等级较少使用。绝缘材料的允许温升见表12-1。

表12-1 电动机绝缘等级和允许温升

不少电动机连续工作，但是负载的大小周期性变化，其温升也作周期性波动。按照最大负载选择电动机则不经济；若按最小负载选择电动机则温升将超过允许值。所以求出一个周期内的平均负载功率，再乘以系数1.1～1.6，作为电动机的额定功率。

对于短时工作制的电动机，可以不做发热校验，只需关注短时过载能力和起动转矩的校验。这时短时工作时间应当小于电动机的短时额定时间。若选用断续工作制电动机作短时工作使用时，其等效额定时间T_str与负载持续率的关系见表12-2。

表12-2 等效额定时间和负载持续率的关系

校验电动机发热的方法有平均损耗法、等效电流法、等效转矩法和等效功率法等。

平均损耗法是校核电动机发热情况行之有效的方法。它要求平均损耗功率不大于电动机额定损耗功率，此方法适用于负载变化周期t_p≤10min的工作方式。这种方法是在一个负载周期中的各个时段的损耗功率的平均值，即平均损耗功率。如果这个平均损耗功率不大于电动机额定损耗功率，就认为通过发热校验。

等效电流法是用一个不变的电流I_eq的代替变化的工作电流，如果这个等效电流小于额定电流I_N，认为发热校验通过。因为电动机的功率损耗与电流二次方近似成正比，所以

式中的各段时间的定义参见图12-1和图12-2。

等效转矩法是基于转矩与电流成正比的假设，异步电动机在转矩较小时这个假设并不成立，应当予以注意，另外弱磁调速的电动机也不适用等效转矩法。等效转矩法是利用一个不变的等效转矩T_eq代替变化的转矩，如果T_eq小于电动机的额定转矩T_N，则认为热校验通过。等效转矩的公式为

等效功率法适用于电动机速度变化不大的情况，这时转矩和功率成正比。与上述方法同理，有等效功率P_eq的公式

通过热校验的条件是P_eq≤P_N。

自冷电动机在低速和停止状态的散热能力下降，上述热校验的公式没有考虑这一因素。为了补偿这个因素，可以采用更加精确的公式，以等效电流法为例，精确公式为

式中 β₁=β₃=0.5——对应于起动段和制动段的散热恶化修正系数；

β₀=0.3——对应于停止状态的散热恶化修正系数；(www.xing528.com)

β₂——在额定转速时，取值为1。

例题12.2一台他励直流电动机，其工作状况如负载图12-1所示。其中数据为T₁=160N·m，T₂=100N·m，T₃=40N·m，t₁=t₃=10s，t₂=60s，t₀=20s，最大转速n_max=1000r/min（ω_max=104.7rad/s）。工作周期长期重复连续，依发热条件选择电动机。

解：因为电动机不弱磁运行，可以采用等效转矩法

则电动机的额定功率应当选为

P_N≥T_eq·ω_max=107.5×104.7=11.26kW

电动机发热程度跟工作状况有关，如果电动机工作在连续工作制，加减速的动态转矩对温升影响不大，可以只根据静态转矩确定电动机的功率。

如果电动机频繁起动和制动，动态转矩对温升的影响很大，这时可以按照T=（1.25～1.3）T_L的转矩初选电动机，然后用上述方法进行热校验。初选的电动机必须知道其转动惯量以便计算动态转矩。

下面对几种常用的工作制提出选择电动机的原则和步骤。

连续工作制S1

（1）首先确定生产机械的功率，如果负载随时间变化，可采用等效功率法（或等效转矩法、等效电流法）进行热校验。

式中 T、F——工作机械的转矩、力，转矩已经折算到电动机轴侧；

V_N——工作机械的额定线速度。

（2）根据样本选择电动机，考虑到机械计算的误差，选择得到电动机应当比计算值略大，通常裕量系数为1.1～1.2倍。

（3）校核起动时的过载能力，电动机的最大转矩应当大于工作机械起动的转矩

式中 t_st——起动时间。

T_L——负载转矩。

对于笼型异步电动机，要校核电动机的在速度为零时的转矩值是否大于工作机械的起动转矩。

短时工作制S2

（1）确定负载的功率（或转矩）以及相应的工作时间。如果负载随时间变化，可采用等效功率法（或等效转矩法）进行热校验。

（2）电动机持续工作时间应符合标准工作周期10min、30min、60min、90min。如果与标准工作周期不符，应采用更高的周期值。此外还要校核过载能力。

（3）如果按照连续工作制进行计算选择的电动机，在短时工作制就可以工作在过载状态。为了定量地评价这时的过载能力，引入一个过载系数p_M——表示短时工作制时电动机的功率P_k与连续工作制时的额定功率P_N之比值，即

式中 α=K/V_Nom——电动机固定损耗与额定可变损耗的比值；

T_NH——电动机的额定热时间常数。

如果比值t_p/T_NH＜0.35，只需校核电动机的过载能力，而不必进行热校验。

重复短时工作制S3

-确定每个周期中工作时间和间歇时间，以及相应的功率（或转矩）；

-绘出速度图和负载图；

-如果负载是变化的，求出等效转矩或电流；

-求出实际工作的负载持续率

式中Σt_p、Σt_x——工作时间之和、间歇时间之和；

-选用的负载持续率FC_N应当尽量接近实际工作的FC值。再按照P_N≥（1.1～1.2）P_eq的原则选择电动机；

-如果计算出的实际工作负载持续率不是标准值，则可利用下面的公式由等效功率求出标准的等效功率：

例题12.3电动机工作在重复短期工作制，工作周期的构成为：工作时间2.5min，转矩300N·m，转速700r/min；间歇时间5min。根据这些条件选择冶金及起重用异步电动机。

解：1.负载持续率

2.计算电动机的轴功率

3.换算到标准的负载持续率为FC=25%的电动机功率

可以选择负载持续率为25%的YZ-30kW的冶金及起重用三相异步电动机。