工業(yè)自動化設(shè)備中電機選型要點淺析

自動化領(lǐng)域指如今的大熱門電機作為自動化設(shè)備中不可或缺的核心通常用于項目中較精確的速度或位置控制部件的驅(qū)動。自動化設(shè)備的設(shè)計者常常需要面臨各種各樣不同需求的電機選型問題，而供應(yīng)商提供的電機也是五花八門，參數(shù)多如牛毛。自動化設(shè)備中如何選擇電機？

一、所驅(qū)動的負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(yán)格遵守n=60f/p，可以精確控制轉(zhuǎn)速；2）運行穩(wěn)定性高，當(dāng)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(dāng)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(fēng)機、壓縮機、軋機、水泵等負(fù)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(fù)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(fēng)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(biāo)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(fù)載能力的最重要的指標(biāo)，也是電機選型時必須提供的參數(shù)要求。

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(fù)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(fù)載要求，計算并選擇負(fù)載功率，電動機再根據(jù)負(fù)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(rèn)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(fēng)機等大轉(zhuǎn)動慣量負(fù)載時，還需要提供負(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(jǐn)列舉所掌握的本人所在公司業(yè)績表數(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(fēng)機）28000kW繞線型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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，接近2倍固有頻率時振幅又會增大，當(dāng)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(yán)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(fù)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(fù)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(fù)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。