電機的選型步驟說明

電機選型需要的基本內(nèi)容有：所驅(qū)動的負載類型、額定功率、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速、其他條件。

一、所驅(qū)動的負載類型

這個得反過來從電機特點說。電機可以簡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)點是可以方便地通過改變電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并可以提供較大的轉(zhuǎn)矩。適用于需要頻繁調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的負載，如鋼廠的軋機，礦山的提升機等。但現(xiàn)在隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，交流電機也可以通過改變頻率來實現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。不過雖然變頻電機價格比普通電機貴不了多少，但變頻器價格在整套設(shè)備中占據(jù)主要部分，所以直流電機還有一個優(yōu)點是便宜。

直流電機的缺點在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，任何設(shè)備只要結(jié)構(gòu)復(fù)雜，必然導(dǎo)致故障率增加。直流電機相比于交流電機，除了繞組復(fù)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(yīng)用中是處在一個逐漸沒落但過渡階段仍有用武之地的尷尬境地。如果用戶資金比較充裕的話，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很多好處，這個不細說了。

2、異步電機

異步電機的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，維護方便，價格便宜。且制造工藝上也是最簡單的，曾聽車間的老技師說過，裝配一臺直流電機的所用工時，可以完成差不多功率的兩臺同步電機或者四臺異步電機，由此可見一斑。因此異步電機在工業(yè)中得到了最廣泛的應(yīng)用。

異步電機又分為鼠籠型電機和繞線型電機，其區(qū)別在于轉(zhuǎn)子。鼠籠型電機轉(zhuǎn)子由金屬條制成，銅制或鋁制。鋁的價格比較低，我國又是鋁礦大國，在要求不高的場合應(yīng)用廣泛。但銅的機械性能和導(dǎo)電性能都好于鋁，就我所接觸的絕大部分都是銅制轉(zhuǎn)子。鼠籠型電機在工藝上解決了斷排的問題后，可靠性遠遠超過繞組型轉(zhuǎn)子的電機。

而其缺點在于，金屬轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)的定子磁場中切割磁感線獲得的轉(zhuǎn)矩較小，且起動電流較大，對起動力矩要求較大的負載難以勝任。盡管增加電機鐵心長度可以獲得更多的轉(zhuǎn)矩，但力度十分有限。

繞線型電機在啟動時通過滑環(huán)給轉(zhuǎn)子繞組通電，形成轉(zhuǎn)子磁場，與旋轉(zhuǎn)的定子磁場相對運動，因此獲得轉(zhuǎn)矩更大。且在啟動過程中串聯(lián)水電阻來降低啟動電流，水電阻由成熟的電控裝置控制隨啟動過程改變阻值。

適用于軋機、提升機等負載。由于繞線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(shè)備價格上有一定提高。其與直流電機相比，調(diào)速范圍較為狹窄且轉(zhuǎn)矩相對較小，相應(yīng)價值也低。

然而異步電機由于給定子繞組通電建立旋轉(zhuǎn)磁場，而繞組屬于電感性元件不做功，要從電網(wǎng)中吸收無功功率，對電網(wǎng)沖擊很大。直觀體驗有大功率電感性電器接入電網(wǎng)時，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機的使用會有所限制，這也是很多工廠必須考慮的地方。部分用電大戶如鋼廠、鋁廠等，選擇建立自備電廠，形成自己獨立的電網(wǎng)，以減免對異步電動機的使用限制。所以異步電動機如果要滿足大功率負載使用，需配備無功功率補償裝置，而同步電動機則可通過勵磁裝置向電網(wǎng)提供無功功率，功率越大同步電動機的優(yōu)勢就越明顯，由此產(chǎn)生了同步電動機的舞臺。

3、同步電動機

同步電動機的優(yōu)點除了過勵狀態(tài)可以補償無功功率外，還包括：

1）同步電動機的轉(zhuǎn)速嚴格遵守n=60f/p，可以精確控制轉(zhuǎn)速；

2）運行穩(wěn)定性高，當電網(wǎng)電壓突然下降，其勵磁系統(tǒng)一般會強行勵磁，保證電動機運行穩(wěn)定，而異步電動機轉(zhuǎn)矩（與電壓平方成正比）則會大幅下降；

3）過載能力比相應(yīng)異步電動機大；

4）運行效率高，尤其是低速同步電動機。

同步電動機無法直接啟動，需要異步啟動或變頻啟動。異步啟動指同步電動機在轉(zhuǎn)子上裝有類似于異步電機籠式繞組的啟動繞組，在勵磁回路中串接約為勵磁繞組電阻值10倍的附加電阻來構(gòu)成閉合電路，把同步電動機的定子直接接入電網(wǎng)，使之按異步電動機啟動，當轉(zhuǎn)速達到亞同步轉(zhuǎn)速（95%）時，再切除附加電阻的啟動方式；變頻啟動不多贅述。所以同步電動機缺點之一是需要為啟動增加額外的設(shè)備裝置。

同步電機是靠勵磁電流運行的，如果沒有勵磁，電機就是異步的。勵磁是加在轉(zhuǎn)子上的直流系統(tǒng)，它的旋轉(zhuǎn)速度和極性與定子是一致的，如果勵磁出現(xiàn)問題，電動機就會失步，調(diào)整不過來，觸發(fā)保護“勵磁故障”電動機跳閘。

所以同步電動機缺點之二是需要增加勵磁裝置，以前是由直流機直接供給，現(xiàn)在大多由可控硅整流供給。還是那句老話，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、設(shè)備裝置越多，故障點就越多，故障率越高。

根據(jù)同步電機的性能特點，其應(yīng)用主要在提升機、磨機、風機、壓縮機、軋機、水泵等負載上。

綜上所述，選擇電動機的原則是電動機性能滿足生產(chǎn)機械要求的前提下，優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、工作可靠、維護方便的電動機。在這方面交流電動機優(yōu)于直流電動機，交流異步電動機優(yōu)于交流同步電動機，鼠籠型異步電動機優(yōu)于繞線型異步電動機。

負載平穩(wěn)，對起、制動無特殊要求的連續(xù)運行的生產(chǎn)機械，宜優(yōu)先選用普通鼠籠型異步電動機，其廣泛用于機械、水泵、風機等。

起動、制動比較頻繁，要求有較大的起動、制動轉(zhuǎn)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(yīng)采用繞線式異步電動機。

無調(diào)速要求，需要轉(zhuǎn)速恒定或要求改善功率因數(shù)的場合，應(yīng)采用同步電動機，例如中、大容量的水泵，空氣壓縮機、提升機、磨機等。

調(diào)速范圍要求在1∶3以上，且需連續(xù)穩(wěn)定平滑調(diào)速的生產(chǎn)機械，宜采用他勵直流電動機或用變頻調(diào)速的鼠籠式異步電動機或同步電機，例如大型精密機床、龍門刨床、軋鋼機、提升機等。

要求起動轉(zhuǎn)距大，機械特性軟的生產(chǎn)機械，使用串勵或復(fù)勵直流電動機，例如電車、電機車、重型起重機等。

二、額定功率

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

（為額定功率，為額定電壓，為額定電流，cosθ為功率因素，η為效率）

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

決定電動機主要功率的因素有三個：

1）電動機的發(fā)熱與溫升，這是決定電動機功率的最主要因素；

2）允許短時過載能力；

3）對異步鼠籠型電動機還要考慮起動能力。

首先具體生產(chǎn)機械根據(jù)其發(fā)熱、溫升及其負載要求，計算并選擇負載功率，電動機再根據(jù)負載功率、工作制、過載要求預(yù)選額定功率。電動機的額定功率預(yù)選好后，還要進行發(fā)熱、過載能力及必要時的起動能力校驗。

若其中有一項不合格，須重新選擇電動機，再進行校核，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，若無要求則默認按最常規(guī)的S1工作制處理；有過載要求的電機也需要提供過載倍數(shù)及相應(yīng)運行時間；異步鼠籠型電機驅(qū)動風機等大轉(zhuǎn)動慣量負載時，還需要提供負載的轉(zhuǎn)動慣量及起動阻力矩曲線圖來校核起動能力。

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

因此氣候惡劣地區(qū)還需要提供環(huán)境溫度，例如印度，環(huán)境溫度就需要按50℃進行校核。此外，高海拔對電機功率也會有影響，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(xiàn)象的影響。

對于目前市場上電動機的功率范圍，謹列舉幾個數(shù)據(jù)以供參考。

直流電機：ZD9350（磨機） 9350kW

異步電機：鼠籠型YGF1120-4（高爐風機） 28000kW

繞線型YRKK1000-6（生料磨機） 7400kW

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

三、額定電壓

電動機的額定電壓，是指在額定工作方式下的線電壓。

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

交流電動機電壓等級的選擇主要依使用場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(dǎo)線承受能力的限制就難以做大，或成本過高。

需要通過提高電壓實現(xiàn)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)點是功率大，承受沖擊能力強；缺點是慣性大，啟動和制動都困難。

直流電動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，其直流電動機的額定電壓應(yīng)選440V，當用三相半波可控硅整流電源供電時，直流電動機的額定電壓應(yīng)為220V。

四、額定轉(zhuǎn)速

電動機的額定轉(zhuǎn)速，是指在額定工作方式下的轉(zhuǎn)速。

電動機和由它拖動的工作機械都有各自的額定轉(zhuǎn)速。在選擇電動機的轉(zhuǎn)速時，應(yīng)注意轉(zhuǎn)速不宜選的過低，因為電動機額定轉(zhuǎn)速越低，其級數(shù)越多，體積就越大，價格也就越高；同時，電動機的轉(zhuǎn)速也不宜選的過高，因為這樣會使傳動機構(gòu)過于復(fù)雜，而且難以維護。

此外功率一定時，電機轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。

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

當電機轉(zhuǎn)速較高時，還需考慮電機的臨界轉(zhuǎn)速。電機轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)中都會發(fā)生振動，轉(zhuǎn)子的振幅隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，到某一轉(zhuǎn)速時振幅達到最大值（也就是平常所說的共振），超過這一轉(zhuǎn)速后振幅隨轉(zhuǎn)速增大逐漸減少，且穩(wěn)定于某一范圍內(nèi)，這一轉(zhuǎn)子振幅最大的轉(zhuǎn)速稱為轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。

這個轉(zhuǎn)速等于轉(zhuǎn)子的固有頻率。當轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，接近2倍固有頻率時振幅又會增大，當轉(zhuǎn)速等于2倍固有頻率時稱為二階臨界轉(zhuǎn)速 ，依次類推有三階、四階等臨界轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子如果在臨界轉(zhuǎn)速下運行，會出現(xiàn)劇烈的振動，而且軸的彎曲度明顯增大，長時間運行還會造成軸的嚴重彎曲變形，甚至折斷。

電機的一階臨界轉(zhuǎn)速一般在1500轉(zhuǎn)/分以上，故而常規(guī)低速電機一般不考慮臨界轉(zhuǎn)速的影響。反之，對2極高速電機，額定轉(zhuǎn)速接近3000轉(zhuǎn)/分，則需考慮該影響，需避免讓電機長期使用在臨界轉(zhuǎn)速范圍。

一般來說，提供了驅(qū)動的負載類型、電機的額定功率、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速便可以將電機大致確定下來。但如果要最優(yōu)化地滿足負載要求，這些基本參數(shù)就遠遠不夠了。還需要提供的參數(shù)包括：頻率，工作制，過載要求，絕緣等級，防護等級，轉(zhuǎn)動慣量，負載阻力矩曲線，安裝方式，環(huán)境溫度，海拔高度，戶外要求等，根據(jù)具體情況提供。