第5章 电力拖动机械特性与电动机的选用 5.1 生产机械的机械特性 图5.1所示为起重机的电力拖动系统示意图。
在图5.1中，n指的是电动机的转速，不是生产机械的运行速度（转速或线速度），因为在电动机与生产机械之间还设有专门的传动机构，通过
传动机构生产机械可获得所需要的各种速度。电动机输出并作用在电动机轴上的转矩称为电磁转矩，用符号T表示。生产机械的转矩在一般情况下是
电动机的负载转矩，用符号Tc表示。 图5.1 起重机电力拖动系统示意图 生产机械的机械特性指的是电动机转速n与负载转矩Tc之间
的函数关系。生产机械的机械特性曲线，按负载性质的不同可归纳为三种类型。 1．恒转矩型机械特性 恒转矩负载的特点是负载转矩为常
数，不随转速的变化而变化，即Tc=常数。这类负载的生产机械有起重机、金属切削机床的进给装置、卷扬机、龙门刨床、印刷机和载物时的传送
带等。 2．恒功率型机械特性 恒功率负载的特点是负载转矩Tc与转速n成反比，其乘积近似保持不变。如机床对零件的切削运动就属
于这类负载的生产机械。 3．通风机型机械特性 这种负载转矩的大小与运行速度的平方成正比，如通风机、水泵、油泵等都属于这种负载。
这些设备中的空气、水、油对机器叶片的阻力与转速的平方成正比。 5.2 电动机的机械特性 图5.2所示为同步电
动机、他励（或并励）直流电动机、三相异步电动机、串励直流电动机四种类型电动机的固有机械特性曲线。 5.2.1 电动机的固
有机械特性 图5.2 电动机固有机械特性曲线图 电动机的固有机械特性是额定电压下电动机本身所具有的机械特性。 电
动机的固有机械特性按其下降程度的不同可分为三类。 1．绝对硬特性 绝对硬特性是指电动机的转速不随转矩的变化而变
化，也就是电动机的转矩变化时其转速不变。同步电动机的机械特性是绝对硬特性，如图5.2中的特性曲线l。 2．硬特性
硬特性是指随电动机转矩的增加其转速下降，但是下降量较小。他励直流电动机、并励直流电动机和三相异步电动机的机械特性都是硬特性，如图5
.2中的特性曲线2和3。 3．软特性 软特性是指电动机的转速随转矩的增加而急剧下降。串励直流电动机的机械特性是软特性
，如图5.2中的特性曲线4。软特性的特点是转矩增大时转速自动降低，转速随转矩的增加而下降很多。 5.2.2 电动机的人
为机械特性 1．他励直流电动机的人为机械特性 （1）在电枢回路中串入附加电阻 在电枢回路中串接附加电阻前后的机
械特性曲线如图5.3所示。由图5.3可见，串入附加电阻后的电机空载转速n0与未串入电阻时的空载转速一样，没有变化。转速降?n=n0
?n与电枢回路所串电阻的数值成正比，所串电阻越大，特性曲线越陡，把这种现象称做特性变软。由图5.3还可见，在额定负载转矩TN下，由
于电枢回路中串入了附加电阻，使电机转速从额定转速nN降到n1。 图5.3 电枢回路串入附加电阻的人为机械特性 （3）减弱电动
机励磁 减弱磁通后的人为机械特性曲线如图5.5所示。 由图5.5可见，空载转速n0随磁通的减弱而增加（成反比地增长），与此同时
，转速降Δn也增大，即特性倾斜度增加，特性变软。图5.5 减弱电动机磁通的人为机械特性 2．串励直流电动机的人为机械
特性 由图5.6串励直流电动机的机械特性曲线可见，串励直流电动机的空载转速为无穷大，所以串励电动机不允许空载启动。
串励电动机的人为机械特性可以通过电枢串入电阻和降低电枢电压得到。在电枢回路中串入电阻，造成机械特性曲线下移且变软，如图5.6（a）
所示。图中Ra是额定电枢电阻，Rpa是电枢回路附加电阻。降低电枢电压时，机械特性曲线也下移，但是曲线硬度不变，如图5.6（b）所示
。图中UN为额定电枢电压，U为降低了的电枢电压。 图5.6 串励直流电动机人为机械特性 3．三相异步电动机的机械特性 （
1）三相异步电动机的固有机械特性 三相异步电动机的固有机械特性如图5.7所示，图中A为启动点，n=0，转矩T=T起（启动转矩）
；B为最大转矩点（或称临界点），此点可得到最大转矩Tmax。电机过载能力由最大转矩与额定转矩的比值决定，即 C为额定工作
点，转速是电机的额定转速nN，转矩是电机的额定转矩TN；D为理想同步状态，此点对应的电机转速是空载转速n1。图5.7 三相异步电
动机的固有机械特性 （2）三相异步电动机的人为机械特性 ① 降低供电电压的人为机械特性。空载转速n1因与电压无关，所以其值
不变。由于三相异步电动机的转矩与供电电压的平方成正比（T=U2），因此，供电电压减小时，转矩也减小，即特性曲线向左移，如图5.8（
a）所示。 ② 在转子电路中加入附加电阻Rpa的人为机械特性。在转子电路中加入附加电阻的人为机械特性如图5.8（b）所示。 图5
.8 三相异步电动机的人为机械特性 5.3 电力拖动电动机的选择 5.3.1 电动机容量的选择 如
果电动机的容量选得过大，会使电动机经常在不满负荷的情况下运行，功率得不到充分利用，因而其用电效率和功率因数都不高。相反，如果电动机
的容量选得过小，会使电动机负担过重，可能导致常期过载而烧毁电动机，或使电动机过早地损坏。通常采用调查、统计、类比或分析与计算相结合
的办法来确定电动机容量。 1．统计分析与类比法 （1）统计分析法 车床 P=36.5 D1.54（kW）式中，
P为主拖动电动机的容量（kW），以下各机床同此；D为工件最大直径（m）。 摇臂钻床 P=0.0646 D1.19（kW），D为
最大钻孔直径（mm）。卧式镗床 P=0.004 D1.7（kW），D为镗杆直径（mm）。外圆磨床 P=0.1 KB（kW），B
为砂轮宽度（mm）；当砂轮主轴用滚动轴承时K=0.8～1.1，砂轮主轴用滑动轴承时K=1.0～1.3。（2）类比法即通过对长期运行
的同类生产机械的电动机容量的调查，对其主要参数、工作条件进行类比，从而确定电动机的容量。 2．分析与计算结合法电动机的运行方
式通常分为长期运行、短时运行和重复短时运行三种。（1）长期运行电动机容量的选择① 在恒定负载下长期运行的电动机容量为② 在变动负载
下长期运行的电动机，选择其容量时，常采用等效负载法。（2）短时运行电动机容量的选择所谓短时运行方式是指电动机的温升在电动机工作期间
未达到稳定值，而电动机停止运转时，电动机能完全冷却到周围环境的温度。（3）重复短时运行电动机容量的选择标准负载持续率为15％、25
％、40％和60％四种，重复运行周期不大于10min，电动机的容量也应当用等效负载法来选择。 5.3.2 电动机电流种类
的选择 电动机电流种类的选择，实质上就是选用交流电动机还是直流电动机。 1．优先选用三相笼型异步电动机
三相笼型异步电动机的缺点是启动和调速性能差。在要求有级调速的生产机械上等可采用双速、三速、四速笼型异步电动机。 由于晶闸
管变频调速及晶闸管调压调速等新技术的发展，三相笼型异步电动机将大量应用在要求无级调速的生产机械上。 2．选用绕线式异步电
动机 对要求有较大起、制动转矩及一定调速的生产机械，常选用绕线式异步电动机。近几年，使用晶闸管串级调速，大大扩展了绕线式
异步电动机的应用范围。 3．选用直流电动机 直流电动机可以无级启动和调速，启动和调速的平滑性好，调速范围宽，精
度高。对于那些要求在大范围内平滑调速以及有准确的位置控制的生产机械，可使用他励或并励直流电动机。对于那些要求电动机启动转矩大、机械
特性软的生产机械，可选用串励直流电动机。 5.3.3 电动机额定电压的选择 对于交流电动机，其额定电压应与电
动机运行场地供电电网的电压相一致。 5.3.4 电动机额定转速的选择 相同容量的电动机，额定转速越高，其额定转矩就
越小，从而电动机的尺寸、重量和成本也越小。 5.3.5 电动机型式的选择 电动机按其工作方式可分为连续工作制
、短时工作制和断续周期工作制三类。原则上，不同工作方式的负载，应选用对应工作制的电动机，但也可选用连续工作制电动机来代替。按电动机
防护型式的不同可将其分为以下几种类型。 1．开启式 这种电动机价格便宜，散热好，但容易渗透水蒸气、铁屑、灰尘、油垢等，影响电动机的寿命及正常运行中。 2．防护式 此种电动机可防滴、防雨、防溅，并能防止外界物体从上面落入电机内部，但不能防止潮气及灰尘的侵入，因此适用于干燥和灰尘不多且没有腐蚀性及爆炸性气体的环境中。 3．封闭式 封闭式电动机分为自扇冷式、他扇冷式和密封式三种。前两种可用于潮湿、多腐蚀性、灰尘及易受风雨侵蚀等的环境中，第三种常用于浸入水中的机械（如潜水泵）。 |
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