工業自動化設備中電機選型要點淺析

自動化領域指如今的大熱門電機作為自動化設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動。自動化設備的設計者常常需要面臨各種各樣不同需求的電機選型問題，而供應商提供的電機也是五花八門，參數多如牛毛。自動化設備中如何選擇電機？

一、所驅動的負載類型

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

直流電機的優點是可以方便地通過改變電壓調節轉速，并可以提供較大的轉矩。適用于需要頻繁調節轉速的負載，如鋼廠的軋機，礦山的提升機等。但現在隨著變頻技術的發展，交流電機也可以通過改變頻率來實現調節轉速。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備中占據主要部分，所以直流電機還有一個優點是便宜。

直流電機的缺點在于結構復雜，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、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應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

異步電機的優點在于結構簡單，性能穩定，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。鋁的價格比較低，我國又是鋁礦大國，在要求不高的場合應用廣泛。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題后，可靠性遠遠超過繞組型轉子的電機。而其缺點在于，金屬轉子在旋轉的定子磁場中切割磁感線獲得的轉矩較小，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矩，但力度十分有限。繞線型電機在啟動時通過滑環給轉子繞組通電，形成轉子磁場，與旋轉的定子磁場相對運動，因此獲得轉矩更大。且在啟動過程中串聯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、水電阻等，在整體設備價格上有一定提高。其與直流電機相比，調速范圍較為狹窄且轉矩相對較小，相應價值也低。

然而異步電機由于給定子繞組通電建立旋轉磁場，而繞組屬于電感性元件不做功，要從電網中吸收無功功率，對電網沖擊很大。直觀體驗有大功率電感性電器接入電網時，電網電壓下降，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，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提供無功功率，功率越大同步電動機的優勢就越明顯，由此產生了同步電動機的舞臺。

3、同步電動機

同步電動機的優點除了過勵狀態可以補償無功功率外，還包括1）同步電動機的轉速嚴格遵守n=60f/p，可以精確控制轉速；2）運行穩定性高，當電網電壓突然下降，其勵磁系統一般會強行勵磁，保證電動機運行穩定，而異步電動機轉矩（與電壓平方成正比）則會大幅下降；3）過載能力比相應異步電動機大；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倍的附加電阻來構成閉合電路，把同步電動機的定子直接接入電網，使之按異步電動機啟動，當轉速達到亞同步轉速（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，如果勵磁出現問題，電動機就會失步，調整不過來，觸發保護“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，現在大多由可控硅整流供給。還是那句老話，結構越復雜、設備裝置越多，故障點就越多，故障率越高。

根據同步電機的性能特點，其應用主要在提升機、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機械要求的前提下，優先選用結構簡單、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于直流電動機，交流異步電動機優于交流同步電動機，鼠籠型異步電動機優于繞線型異步電動機。

負載平穩，對起、制動無特殊要求的連續運行的生產機械，宜優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、制動轉矩的生產機械，如橋式起重機、礦井提升機、空氣壓縮機、不可逆軋鋼機等，應采用繞線式異步電動機。無調速要求，需要轉速恒定或要求改善功率因數的場合，應采用同步電動機，例如中、大容量的水泵，空氣壓縮機、提升機、磨機等。

調速范圍要求在1∶3以上，且需連續穩定平滑調速的生產機械，宜采用他勵直流電動機或用變頻調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。要求起動轉距大，機械特性軟的生產機械，使用串勵或復勵直流電動機，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。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要求。

正確選擇電動機容量的原則，應在電動機能夠勝任生產機械負載要求的前提下，最經濟最合理地決定電動機的功率。若功率選得過大，設備投資增大，造成浪費，且電動機經常欠載運行，效率及交流電動機的功率因數較低；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。

首先具體生產機械根據其發熱、溫升及其負載要求，計算并選擇負載功率，電動機再根據負載功率、工作制、過載要求預選額定功率。電動機的額定功率預選好后，還要進行發熱、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的S1工作制處理；有過載要求的電機也需要提供過載倍數及相應運行時間；異步鼠籠型電機驅動風機等大轉動慣量負載時，還需要提供負載的轉動慣量及起動阻力矩曲線圖來校核起動能力。

以上關于額定功率的選擇是在標準環境溫度為40℃前提下進行的。若電動機工作的環境溫度發生變化，則必須對電動機的額定功率進行修正。根據理論計算和實踐，在周圍環境溫度不同時，電動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境溫度，例如印度，環境溫度就需要按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象的影響。

對于目前市場上電動機的功率范圍，謹列舉所掌握的本人所在公司業績表數據以供參考。

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，取決于電力系統對該企業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大功率輸出。高壓電網供電電壓一般為為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為220V。

四、額定轉速

電動機的額定轉速，是指在額定工作方式下的轉速。電動機和由它拖動的工作機械都有各自的額定轉速。在選擇電動機的轉速時，應注意轉速不宜選的過低，因為電動機額定轉速越低，其級數越多，體積就越大，價格也就越高；同時，電動機的轉速也不宜選的過高，因為這樣會使傳動機構過于復雜，而且難以維護。

此外功率一定時，電機轉矩與轉速成反比。所以啟動、制動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，以幾個不同的額定轉速進行全面比較，最后確定額定轉速；而經常啟動、制動及反轉，但過渡過程持續時間對生產率影響不大者，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速比及電動機額定轉速。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，價格昂貴。

當電機轉速較高時，還需考慮電機的臨界轉速。電機轉子在運轉中都會發生振動，轉子的振幅隨轉速的增大而增大，到某一轉速時振幅達到最大值（也就是平常所說的共振），超過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為轉子的臨界轉速。這個轉速等于轉子的固有頻率。當轉速繼續增大，接近2倍固有頻率時振幅又會增大，當轉速等于2倍固有頻率時稱為二階臨界轉速，依次類推有三階、四階等臨界轉速。轉子如果在臨界轉速下運行，會出現劇烈的振動，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，需避免讓電機長期使用在臨界轉速范圍。

一般來說，提供了驅動的負載類型、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。但如果要最優化地滿足負載要求，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，過載要求，絕緣等級，防護等級，轉動慣量，負載阻力矩曲線，安裝方式，環境溫度，海拔高度，戶外要求等，根據具體情況提供。