電機拖動與電控技術(shù)（第2版）第5章

第5章

電力拖動機械特性與電動機的選用

5.1生產(chǎn)機械的機械特性圖5.1所示為起重機的電力拖動系統(tǒng)示意圖。在圖5.1中，n指的是電動機的轉(zhuǎn)速，不是生產(chǎn)機械的運行速度（轉(zhuǎn)速或線速度），因為在電動機與生產(chǎn)機械之間還設(shè)有專門的傳動機構(gòu)，通過傳動機構(gòu)生產(chǎn)機械可獲得所需要的各種速度。電動機輸出并作用在電動機軸上的轉(zhuǎn)矩稱為電磁轉(zhuǎn)矩，用符號T表示。生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)矩在一般情況下是電動機的負載轉(zhuǎn)矩，用符號Tc表示。

圖5.1

起重機電力拖動系統(tǒng)示意圖

生產(chǎn)機械的機械特性指的是電動機轉(zhuǎn)速n與負載轉(zhuǎn)矩Tc之間的函數(shù)關(guān)系。生產(chǎn)機械的機械特性曲線，按負載性質(zhì)的不同可歸納為三種類型。

1．恒轉(zhuǎn)矩型機械特性恒轉(zhuǎn)矩負載的特點是負載轉(zhuǎn)矩為常數(shù)，不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，即Tc=常數(shù)。這類負載的生產(chǎn)機械有起重機、金屬切削機床的進給裝置、卷揚機、龍門刨床、印刷機和載物時的傳送帶等。

2．恒功率型機械特性恒功率負載的特點是負載轉(zhuǎn)矩Tc與轉(zhuǎn)速n成反比，其乘積近似保持不變。如機床對零件的切削運動就屬于這類負載的生產(chǎn)機械。

3．通風機型機械特性這種負載轉(zhuǎn)矩的大小與運行速度的平方成正比，如通風機、水泵、油泵等都屬于這種負載。這些設(shè)備中的空氣、水、油對機器葉片的阻力與轉(zhuǎn)速的平方成正比。

5.2電動機的機械特性圖5.2所示為同步電動機、他勵（或并勵）直流電動機、三相異步電動機、串勵直流電動機四種類型電動機的固有機械特性曲線。5.2.1電動機的固有機械特性

圖5.2電動機固有機械特性曲線圖電動機的固有機械特性是額定電壓下電動機本身所具有的機械特性。電動機的固有機械特性按其下降程度的不同可分為三類。

1．絕對硬特性絕對硬特性是指電動機的轉(zhuǎn)速不隨轉(zhuǎn)矩的變化而變化，也就是電動機的轉(zhuǎn)矩變化時其轉(zhuǎn)速不變。同步電動機的機械特性是絕對硬特性，如圖5.2中的特性曲線l。

2．硬特性硬特性是指隨電動機轉(zhuǎn)矩的增加其轉(zhuǎn)速下降，但是下降量較小。他勵直流電動機、并勵直流電動機和三相異步電動機的機械特性都是硬特性，如圖5.2中的特性曲線2和3。

3．軟特性軟特性是指電動機的轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加而急劇下降。串勵直流電動機的機械特性是軟特性，如圖5.2中的特性曲線4。軟特性的特點是轉(zhuǎn)矩增大時轉(zhuǎn)速自動降低，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加而下降很多。

5.2.2電動機的人為機械特性1．他勵直流電動機的人為機械特性（1）在電樞回路中串入附加電阻在電樞回路中串接附加電阻前后的機械特性曲線如圖5.3所示。由圖5.3可見，串入附加電阻后的電機空載轉(zhuǎn)速n0與未串入電阻時的空載轉(zhuǎn)速一樣，沒有變化。轉(zhuǎn)速降n=n0n與電樞回路所串電阻的數(shù)值成正比，所串電阻越大，特性曲線越陡，把這種現(xiàn)象稱做特性變軟。由圖5.3還可見，在額定負載轉(zhuǎn)矩TN下，由于電樞回路中串入了附加電阻，使電機轉(zhuǎn)速從額定轉(zhuǎn)速nN降到n1。

圖5.3

電樞回路串入附加電阻的人為機械特性

（3）減弱電動機勵磁減弱磁通后的人為機械特性曲線如圖5.5所示。由圖5.5可見，空載轉(zhuǎn)速n0隨磁通的減弱而增加（成反比地增長），與此同時，轉(zhuǎn)速降Δn也增大，即特性傾斜度增加，特性變軟。圖5.5

減弱電動機磁通的人為機械特性

2．串勵直流電動機的人為機械特性由圖5.6串勵直流電動機的機械特性曲線可見，串勵直流電動機的空載轉(zhuǎn)速為無窮大，所以串勵電動機不允許空載啟動。串勵電動機的人為機械特性可以通過電樞串入電阻和降低電樞電壓得到。在電樞回路中串入電阻，造成機械特性曲線下移且變軟，如圖5.6（a）所示。圖中Ra是額定電樞電阻，Rpa是電樞回路附加電阻。降低電樞電壓時，機械特性曲線也下移，但是曲線硬度不變，如圖5.6（b）所示。圖中UN為額定電樞電壓，U為降低了的電樞電壓。

圖5.6

串勵直流電動機人為機械特性

3．三相異步電動機的機械特性（1）三相異步電動機的固有機械特性三相異步電動機的固有機械特性如圖5.7所示，圖中A為啟動點，n=0，轉(zhuǎn)矩T=T起（啟動轉(zhuǎn)矩）；B為最大轉(zhuǎn)矩點（或稱臨界點），此點可得到最大轉(zhuǎn)矩Tmax。電機過載能力由最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值決定，即C為額定工作點，轉(zhuǎn)速是電機的額定轉(zhuǎn)速nN，轉(zhuǎn)矩是電機的額定轉(zhuǎn)矩TN；D為理想同步狀態(tài)，此點對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速是空載轉(zhuǎn)速n1。圖5.7

三相異步電動機的固有機械特性

（2）三相異步電動機的人為機械特性①

降低供電電壓的人為機械特性?？蛰d轉(zhuǎn)速n1因與電壓無關(guān)，所以其值不變。由于三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩與供電電壓的平方成正比（T=U2），因此，供電電壓減小時，轉(zhuǎn)矩也減小，即特性曲線向左移，如圖5.8（a）所示。②

在轉(zhuǎn)子電路中加入附加電阻Rpa的人為機械特性。在轉(zhuǎn)子電路中加入附加電阻的人為機械特性如圖5.8（b）所示。

圖5.8

三相異步電動機的人為機械特性

5.3電力拖動電動機的選擇5.3.1電動機容量的選擇如果電動機的容量選得過大，會使電動機經(jīng)常在不滿負荷的情況下運行，功率得不到充分利用，因而其用電效率和功率因數(shù)都不高。相反，如果電動機的容量選得過小，會使電動機負擔過重，可能導致常期過載而燒毀電動機，或使電動機過早地損壞。通常采用調(diào)查、統(tǒng)計、類比或分析與計算相結(jié)合的辦法來確定電動機容量。

1．統(tǒng)計分析與類比法（1）統(tǒng)計分析法車床P=36.5D1.54（kW）式中，P為主拖動電動機的容量（kW），以下各機床同此；D為工件最大直徑（m）。

搖臂鉆床P=0.0646D1.19（kW），D為最大鉆孔直徑（mm）。臥式鏜床P=0.004D1.7（kW），D為鏜桿直徑（mm）。外圓磨床P=0.1KB（kW），B為砂輪寬度（mm）；當砂輪主軸用滾動軸承時K=0.8～1.1，砂輪主軸用滑動軸承時K=1.0～1.3。（2）類比法即通過對長期運行的同類生產(chǎn)機械的電動機容量的調(diào)查，對其主要參數(shù)、工作條件進行類比，從而確定電動機的容量。

2．分析與計算結(jié)合法電動機的運行方式通常分為長期運行、短時運行和重復短時運行三種。（1）長期運行電動機容量的選擇①在恒定負載下長期運行的電動機容量為②在變動負載下長期運行的電動機，選擇其容量時，常采用等效負載法。（2）短時運行電動機容量的選擇所謂短時運行方式是指電動機的溫升在電動機工作期間未達到穩(wěn)定值，而電動機停止運轉(zhuǎn)時，電動機能完全冷卻到周圍環(huán)境的溫度。（3）重復短時運行電動機容量的選擇標準負載持續(xù)率為15％、25％、40％和60％四種，重復運行周期不大于10min，電動機的容量也應(yīng)當用等效負載法來選擇。5.3.2電動機電流種類的選擇電動機電流種類的選擇，實質(zhì)上就是選用交流電動機還是直流電動機。

1．優(yōu)先選用三相籠型異步電動機三相籠型異步電動機的缺點是啟動和調(diào)速性能差。在要求有級調(diào)速的生產(chǎn)機械上等可采用雙速、三速、四速籠型異步電動機。由于晶閘管變頻調(diào)速及晶閘管調(diào)壓調(diào)速等新技術(shù)的發(fā)展，三相籠型異步電動機將大量應(yīng)用在要求無級調(diào)速的生產(chǎn)機械上。

2．選用繞線式異步電動機對要求有較大起、制動轉(zhuǎn)矩及一定調(diào)速的生產(chǎn)機械，常選用繞線式異步電動機。近幾年，使用晶閘管串級調(diào)速，大大擴展了繞線式異步電動機的應(yīng)用范圍。

3．選用直流電動機直流電動機可以無級啟動和調(diào)速，啟動和調(diào)速的平滑性好，調(diào)速范圍寬，精度高。對于那些要求在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速以及有準確的位置控制的生產(chǎn)機械，可使用他勵或并勵直流電動機。對于那些要求電動機啟動轉(zhuǎn)矩大、機械特性軟的生產(chǎn)機械，可選用串勵直流電動機。

5.3.3電動機額定電壓的選擇對于交流電動機，其額定電壓應(yīng)與電動機運行場地供電電網(wǎng)的電壓相一致。

5.3.4電動機額定轉(zhuǎn)速的選擇相同容量的電動機，額定轉(zhuǎn)速越高，其額定轉(zhuǎn)矩就越小，從而電動機的尺寸、重量和成本也越小。

5.3.5電動機型式的選擇電動機按其工作方式可分為連續(xù)工作制、短時工作制和斷續(xù)周期工作制三類。原則上，不同工作方式的負載，應(yīng)選用對應(yīng)工作制的電動機，但也可選用連續(xù)工作制電動機來代替。按電動機防護型式的不同可將其分為以下幾種類型。1．開啟式這種電動機價格便宜，散熱好，但容易滲透水蒸氣、鐵屑、灰塵、油