電機選擇的基本要求有哪些？

      電機選擇的基本要求有哪些？這個(gè)問(wèn)題很大，試著(zhù)來(lái)寫(xiě)一點(diǎn)。本人是工業(yè)大型電動(dòng)機銷(xiāo)售，電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，畢業(yè)后從事電機行業(yè)兩年余，技術(shù)略懂一些，遇到問(wèn)題更多是商務(wù)和售后，設計方面很少，所以只能從工業(yè)使用角度分析一下。我也在學(xué)習當中，回答難免偏頗錯漏，歡迎交流探討。
      首先回答問(wèn)題，電機選型需要的基本內容有：所驅動(dòng)的負載類(lèi)型，額定功率、額定電壓、額定轉速。

一、所驅動(dòng)的負載類(lèi)型
      這個(gè)得反過(guò)來(lái)從電機特點(diǎn)說(shuō)。電機可以簡(jiǎn)單劃分為直流電機和交流電機，交流又分為同步電機和異步電機。

1、直流電機
      直流電機的優(yōu)點(diǎn)是可以方便地通過(guò)改變電壓調節轉速，并可以提供較大的轉矩。適用于需要頻繁調節轉速的負載，如鋼廠(chǎng)的軋機，礦山的提升機等。但現在隨著(zhù)變頻技術(shù)的發(fā)展，交流電機也可以通過(guò)改變頻率來(lái)實(shí)現調節轉速。不過(guò)雖然變頻電機價(jià)格比普通電機貴不了多少，但變頻器價(jià)格在整套設備中占據主要部分，所以直流電機還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是便宜。
直流電機的缺點(diǎn)在于結構復雜，任何設備只要結構復雜，必然導致故障率增加。直流電機相比于交流電機，除了繞組復雜（勵磁繞組、換向極繞組、補償繞組、電樞繞組），還增加了滑環(huán)、電刷和換向器。不僅對制造商的工藝要求高，而且后期維護成本也相對較高。因此直流電機在工業(yè)應用中是處在一個(gè)逐漸沒(méi)落但過(guò)渡階段仍有用武之地的尷尬境地。如果用戶(hù)資金比較充裕的話(huà)，建議選擇交流電機配變頻器的方案，畢竟使用變頻器也帶來(lái)很多好處，這個(gè)不細說(shuō)了。

2、異步電機
      異步電機的優(yōu)點(diǎn)在于結構簡(jiǎn)單，性能穩定，維護方便，價(jià)格便宜。且制造工藝上也是最簡(jiǎn)單的，曾聽(tīng)車(chē)間的老技師說(shuō)過(guò)，裝配一臺直流電機的所用工時(shí)，可以完成差不多功率的兩臺同步電機或者四臺異步電機，由此可見(jiàn)一斑。因此異步電機在工業(yè)中得到了最廣泛的應用。
      異步電機又分為鼠籠型電機和繞線(xiàn)型電機，其區別在于轉子。鼠籠型電機轉子由金屬條制成，銅制或鋁制。鋁的價(jià)格比較低，我國又是鋁礦大國，在要求不高的場(chǎng)合應用廣泛。但銅的機械性能和導電性能都好于鋁，就我所接觸的絕大部分都是銅制轉子。鼠籠型電機在工藝上解決了斷排的問(wèn)題后，可靠性遠遠超過(guò)繞組型轉子的電機。而其缺點(diǎn)在于，金屬轉子在旋轉的定子磁場(chǎng)中切割磁感線(xiàn)獲得的轉矩較小，且起動(dòng)電流較大，對起動(dòng)力矩要求較大的負載難以勝任。盡管增加電機鐵心長(cháng)度可以獲得更多的轉矩，但力度十分有限。繞線(xiàn)型電機在啟動(dòng)時(shí)通過(guò)滑環(huán)給轉子繞組通電，形成轉子磁場(chǎng)，與旋轉的定子磁場(chǎng)相對運動(dòng)，因此獲得轉矩更大。且在啟動(dòng)過(guò)程中串聯(lián)水電阻來(lái)降低啟動(dòng)電流，水電阻由成熟的電控裝置控制隨啟動(dòng)過(guò)程改變阻值。適用于軋機、提升機等負載。由于繞線(xiàn)型異步電機相對鼠籠型電機增加了滑環(huán)、水電阻等，在整體設備價(jià)格上有一定提高。其與直流電機相比，調速范圍較為狹窄且轉矩相對較小，相應價(jià)值也低。
      然而異步電機由于給定子繞組通電建立旋轉磁場(chǎng)，而繞組屬于電感性元件不做功，要從電網(wǎng)中吸收無(wú)功功率，對電網(wǎng)沖擊很大。直觀(guān)體驗有大功率電感性電器接入電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)電壓下降，電燈亮度一下都降低。因此供電局對異步電動(dòng)機的使用會(huì )有所限制，這也是很多工廠(chǎng)必須考慮的地方。部分用電大戶(hù)如鋼廠(chǎng)、鋁廠(chǎng)等，選擇建立自備電廠(chǎng)，形成自己獨立的電網(wǎng)，以減免對異步電動(dòng)機的使用限制。所以異步電動(dòng)機如果要滿(mǎn)足大功率負載使用，需配備無(wú)功功率補償裝置，而同步電動(dòng)機則可通過(guò)勵磁裝置向電網(wǎng)提供無(wú)功功率，功率越大同步電動(dòng)機的優(yōu)勢就越明顯，由此產(chǎn)生了同步電動(dòng)機的舞臺。

3、同步電動(dòng)機
      同步電動(dòng)機的優(yōu)點(diǎn)除了過(guò)勵狀態(tài)可以補償無(wú)功功率外，還包括1）同步電動(dòng)機的轉速?lài)栏褡袷豱=60f/p，可以精確控制轉速；2）運行穩定性高，當電網(wǎng)電壓突然下降，其勵磁系統一般會(huì )強行勵磁，保證電動(dòng)機運行穩定，而異步電動(dòng)機轉矩（與電壓平方成正比）則會(huì )大幅下降；3）過(guò)載能力比相應異步電動(dòng)機大；4）運行效率高，尤其是低速同步電動(dòng)機。
      同步電動(dòng)機無(wú)法直接啟動(dòng)，需要異步啟動(dòng)或變頻啟動(dòng)。異步啟動(dòng)指同步電動(dòng)機在轉子上裝有類(lèi)似于異步電機籠式繞組的啟動(dòng)繞組，在勵磁回路中串接約為勵磁繞組電阻值10倍的附加電阻來(lái)構成閉合電路，把同步電動(dòng)機的定子直接接入電網(wǎng)，使之按異步電動(dòng)機啟動(dòng)，當轉速達到亞同步轉速（95%）時(shí)，再切除附加電阻的啟動(dòng)方式；變頻啟動(dòng)不多贅述。所以同步電動(dòng)機缺點(diǎn)之一是需要為啟動(dòng)增加額外的設備裝置。
      同步電機是靠勵磁電流運行的，如果沒(méi)有勵磁，電機就是異步的。勵磁是加在轉子上的直流系統，它的旋轉速度和極性與定子是一致的，如果勵磁出現問(wèn)題，電動(dòng)機就會(huì )失步，調整不過(guò)來(lái)，觸發(fā)保護“勵磁故障”電動(dòng)機跳閘。所以同步電動(dòng)機缺點(diǎn)之二是需要增加勵磁裝置，以前是由直流機直接供給，現在大多由可控硅整流供給。還是那句老話(huà)，結構越復雜、設備裝置越多，故障點(diǎn)就越多，故障率越高。

      （同步電機參考資料：百度文庫>專(zhuān)業(yè)資料>工程科技>電力/水利《同步電動(dòng)機特點(diǎn)》）

      根據同步電機的性能特點(diǎn)，其應用主要在提升機、磨機、風(fēng)機、壓縮機、軋機、水泵等負載上。

      綜上所述，選擇電動(dòng)機的原則是電動(dòng)機性能滿(mǎn)足生產(chǎn)機械要求的前提下，優(yōu)先選用結構簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、工作可靠、維護方便的電動(dòng)機。在這方面交流電動(dòng)機優(yōu)于直流電動(dòng)機，交流異步電動(dòng)機優(yōu)于交流同步電動(dòng)機，鼠籠型異步電動(dòng)機優(yōu)于繞線(xiàn)型異步電動(dòng)機。
      負載平穩，對起、制動(dòng)無(wú)特殊要求的連續運行的生產(chǎn)機械，宜優(yōu)先選用普通鼠籠型異步電動(dòng)機，其廣泛用于機械、水泵、風(fēng)機等。
      起動(dòng)、制動(dòng)比較頻繁，要求有較大的起動(dòng)、制動(dòng)轉矩的生產(chǎn)機械，如橋式起重機、礦井提升機、空氣壓縮機、不可逆軋鋼機等，應采用繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機。
      無(wú)調速要求，需要轉速恒定或要求改善功率因數的場(chǎng)合，應采用同步電動(dòng)機，例如中、大容量的水泵，空氣壓縮機、提升機、磨機等。
      調速范圍要求在1∶3以上，且需連續穩定平滑調速的生產(chǎn)機械，宜采用他勵直流電動(dòng)機或用變頻調速的鼠籠式異步電動(dòng)機或同步電機，例如大型精密機床、龍門(mén)刨床、軋鋼機、提升機等。
      要求起動(dòng)轉距大，機械特性軟的生產(chǎn)機械，使用串勵或復勵直流電動(dòng)機，例如電車(chē)、電機車(chē)、重型起重機等。

二、額定功率

      電動(dòng)機的額定功率是指輸出功率，即軸功率，也稱(chēng)容量大小，是電動(dòng)機標志性參數。常有人問(wèn)電機多大的，一般不是指電機的尺寸大小，而是指額定功率。它是量化電動(dòng)機拖動(dòng)負載能力的最重要的指標，也是電機選型時(shí)必須提供的參數要求。

      P_{N}=\sqrt{3} \cdot U_{N} \cdot I_{N} \cdot cos\theta \cdot \eta 
（P_{N} 為額定功率，U_{N} 為額定電壓，I_{N} 為額定電流，cosθ為功率因素，η為效率）


      正確選擇電動(dòng)機容量的原則，應在電動(dòng)機能夠勝任生產(chǎn)機械負載要求的前提下，最經(jīng)濟最合理地決定電動(dòng)機的功率。若功率選得過(guò)大，設備投資增大，造成浪費，且電動(dòng)機經(jīng)常欠載運行，效率及交流電動(dòng)機的功率因數較低；反之，若功率選得過(guò)小，電動(dòng)機將過(guò)載運行，造成電動(dòng)機過(guò)早損壞。

      決定電動(dòng)機主要功率的因素有三個(gè)：

      1）電動(dòng)機的發(fā)熱與溫升，這是決定電動(dòng)機功率的最主要因素；2）允許短時(shí)過(guò)載能力；3）對異步鼠籠型電動(dòng)機還要考慮起動(dòng)能力。

      首先具體生產(chǎn)機械根據其發(fā)熱、溫升及其負載要求，計算并選擇負載功率，電動(dòng)機再根據負載功率、工作制、過(guò)載要求預選額定功率。電動(dòng)機的額定功率預選好后，還要進(jìn)行發(fā)熱、過(guò)載能力及必要時(shí)的起動(dòng)能力校驗。若其中有一項不合格，須重新選擇電動(dòng)機，再進(jìn)行校核，直到各項都合格為止。因此工作制也是必要提供的要求之一，若無(wú)要求則默認按最常規的S1工作制處理；有過(guò)載要求的電機也需要提供過(guò)載倍數及相應運行時(shí)間；異步鼠籠型電機驅動(dòng)風(fēng)機等大轉動(dòng)慣量負載時(shí)，還需要提供負載的轉動(dòng)慣量及起動(dòng)阻力矩曲線(xiàn)圖來(lái)校核起動(dòng)能力。

      以上關(guān)于額定功率的選擇是在標準環(huán)境溫度為40℃前提下進(jìn)行的。若電動(dòng)機工作的環(huán)境溫度發(fā)生變化，則必須對電動(dòng)機的額定功率進(jìn)行修正。根據理論計算和實(shí)踐，在周?chē)h(huán)境溫度不同時(shí)，電動(dòng)機的功率可粗略地按下表相應增減。

      因此氣候惡劣地區還需要提供環(huán)境溫度，例如印度，環(huán)境溫度就需要按50℃進(jìn)行校核。此外，高海拔對電機功率也會(huì )有影響，海拔越高，電機溫升越大，輸出功率越小。并且高海拔使用的電機還需考慮電暈現象的影響。

      對于目前市場(chǎng)上電動(dòng)機的功率范圍，我謹列舉所掌握的本人所在公司業(yè)績(jì)表數據以供參考。

      直流電機：ZD9350（磨機） 9350kW

      異步電機：鼠籠型YGF1120-4（高爐風(fēng)機） 28000kW

      繞線(xiàn)型YRKK1000-6（生料磨機） 7400kW

      同步電機：TWS36000-4（高爐風(fēng)機） 36000kW（試驗機組達到40000kW)

三、額定電壓

      電動(dòng)機的額定電壓，是指在額定工作方式下的線(xiàn)電壓。

      電動(dòng)機的額定電壓的選擇，取決于電力系統對該企業(yè)的供電電壓和電動(dòng)機容量的大小。

      交流電動(dòng)機電壓等級的選擇主要依使用場(chǎng)所供電電壓等級而定。一般低電壓網(wǎng)為380V，故額定電壓為380V(Y或△接法)、220/380V(△/Y接法)、380/660V(△/Y接法)3種。低壓電機功率增大到一定程度(如300KW/380V)，電流受到導線(xiàn)承受能力的限制就難以做大，或成本過(guò)高。需要通過(guò)提高電壓實(shí)現大功率輸出。 高壓電網(wǎng)供電電壓一般為為6000V或10000V，國外也有3300V、6600V和11000V的電壓等級。 高壓電機優(yōu)點(diǎn)是功率大，承受沖擊能力強；缺點(diǎn)是慣性大，啟動(dòng)和制動(dòng)都困難。

      直流電動(dòng)機的額定電壓也要與電源電壓相配合。一般為110V、220V和440V。其中220V為常用電壓等級，大功率電機可提高到600～1000V。當交流電源為380V，用三相橋式可控硅整流電路供電時(shí)，其直流電動(dòng)機的額定電壓應選440V，當用三相半波可控硅整流電源供電時(shí)，直流電動(dòng)機的額定電壓應為220V。

四、額定轉速

      電動(dòng)機的額定轉速，是指在額定工作方式下的轉速。

      電動(dòng)機和由它拖動(dòng)的工作機械都有各自的額定轉速。在選擇電動(dòng)機的轉速時(shí)，應注意轉速不宜選的過(guò)低，因為電動(dòng)機額定轉速越低，其級數越多，體積就越大，價(jià)格也就越高；同時(shí)，電動(dòng)機的轉速也不宜選的過(guò)高，因為這樣會(huì )使傳動(dòng)機構過(guò)于復雜，而且難以維護。

      此外功率一定時(shí)，電機轉矩與轉速成反比。T=9550P/n

      所以啟動(dòng)、制動(dòng)要求不高者可從設備初始投資、占地面積和維護費用等方面，以幾個(gè)不同的額定轉速進(jìn)行全面比較，最后確定額定轉速；而經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)及反轉，但過(guò)渡過(guò)程持續時(shí)間對生產(chǎn)率影響不大者，除考慮初始投資外，主要以過(guò)渡過(guò)程量損耗最小為條件來(lái)選擇轉速比及電動(dòng)機額定轉速。例如提升機電機，需要頻繁正反轉且轉矩很大，轉速就很低，電機體積龐大，價(jià)格昂貴。

      當電機轉速較高時(shí)，還需考慮電機的臨界轉速。電機轉子在運轉中都會(huì )發(fā)生振動(dòng)，轉子的振幅隨轉速的增大而增大，到某一轉速時(shí)振幅達到最大值（也就是平常所說(shuō)的共振），超過(guò)這一轉速后振幅隨轉速增大逐漸減少，且穩定于某一范圍內，這一轉子振幅最大的轉速稱(chēng)為轉子的臨界轉速。這個(gè)轉速等于轉子的固有頻率。當轉速繼續增大，接近2倍固有頻率時(shí)振幅又會(huì )增大，當轉速等于2倍固有頻率時(shí)稱(chēng)為二階臨界轉速 ，依次類(lèi)推有三階、四階等臨界轉速。轉子如果在臨界轉速下運行，會(huì )出現劇烈的振動(dòng)，而且軸的彎曲度明顯增大，長(cháng)時(shí)間運行還會(huì )造成軸的嚴重彎曲變形，甚至折斷。電機的一階臨界轉速一般在1500轉/分以上，故而常規低速電機一般不考慮臨界轉速的影響。反之，對2極高速電機，額定轉速接近3000轉/分，則需考慮該影響，需避免讓電機長(cháng)期使用在臨界轉速范圍。

      一般來(lái)說(shuō)，提供了驅動(dòng)的負載類(lèi)型、電機的額定功率、額定電壓、額定轉速便可以將電機大致確定下來(lái)。但如果要最優(yōu)化地滿(mǎn)足負載要求，這些基本參數就遠遠不夠了。還需要提供的參數包括：頻率，工作制，過(guò)載要求，絕緣等級，防護等級，轉動(dòng)慣量，負載阻力矩曲線(xiàn)，安裝方式，環(huán)境溫度，海拔高度，戶(hù)外要求等，根據具體情況提供。

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