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7.1 電動機(jī)額定功率的選擇,額定功率選擇的原則是:所選額定功率要能滿足生產(chǎn)機(jī)械在拖動的各個環(huán)節(jié)(啟動、調(diào)速、制動等)對功率和轉(zhuǎn)矩的要求并在此基礎(chǔ)上使電動機(jī)得到充分利用。 額定功率選擇的方法是:根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械工作時(shí)負(fù)載(轉(zhuǎn)矩、功率、電流)大、小變化特點(diǎn),預(yù)選電動機(jī)的額定功率,再根據(jù)所選電動機(jī)額定功率校驗(yàn)過載能力和啟動能力。 電動機(jī)額定功率大小是根據(jù)電動機(jī)工作發(fā)熱時(shí)其溫升不超過絕緣材料的允許溫升來確定的,其溫升變化規(guī)律是與工作特點(diǎn)有關(guān)的,同一臺電動機(jī)在不同工作狀態(tài)時(shí)的額定功率大小也是不相同的。,7.1.1 電動機(jī)的發(fā)熱與冷卻,1電動機(jī)的發(fā)熱 電動機(jī)工作時(shí),其內(nèi)部主要存在鐵損耗、銅損耗及機(jī)械損耗,這些損耗是以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來的,使電動機(jī)發(fā)熱。當(dāng)電動機(jī)的負(fù)載和轉(zhuǎn)速一定時(shí),其內(nèi)部的發(fā)熱量在單位時(shí)間內(nèi)是恒定的。電動機(jī)工作時(shí),其內(nèi)部產(chǎn)生的熱量有兩方面的作用,一方面由電動機(jī)吸收使其本身的溫度升高,另一方面向周圍環(huán)境散熱??梢杂靡韵鹿奖硎具@一熱平衡關(guān)系 發(fā)熱量吸熱量散熱量 電動機(jī)溫度的升高,就產(chǎn)生了與周圍環(huán)境的溫度差。我們將電動機(jī)本身的溫度與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度(40C)的差值稱為溫升,用 表示。當(dāng)電動機(jī)的溫度升高到某一數(shù)值時(shí),電動機(jī)內(nèi)部所增加的發(fā)熱量全部向周圍環(huán)境散發(fā),電動機(jī)本身的溫度不再升高,即溫度達(dá)到了穩(wěn)定值。電動機(jī)的溫度達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)的狀態(tài)稱為熱穩(wěn)定狀態(tài),對應(yīng)的溫度值稱為穩(wěn)態(tài)溫度,對應(yīng)的溫升稱為穩(wěn)態(tài)溫升。,電動機(jī)的溫升變化過程可以用下列方程式表示 (7-1) 式中 w穩(wěn)態(tài)溫升 0初始溫升,即溫升開始變化時(shí)的數(shù)值 t溫升變化時(shí)間 T熱時(shí)間常數(shù) 熱時(shí)間常數(shù)T只與電動機(jī)的體積和本身結(jié)構(gòu)有關(guān),它的大小反映了電動機(jī)達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)前的溫升變化速度。T越小,溫升變化越快;T越大,溫升變化越慢。 根據(jù)式(7-1)可以作出電動機(jī)發(fā)熱過程的溫升變化曲線,如圖7.1所示。可見,電動機(jī)的溫升是按指數(shù)規(guī)律變化的。,曲線1對應(yīng)于電動機(jī)初始溫升為零的情況,即溫升從電動機(jī)啟動時(shí)開始升高。曲線2對應(yīng)于電動機(jī)初始溫升不為零的情況,即溫升從電動機(jī)的負(fù)載增加時(shí)開始升高。由圖7.1看出,發(fā)熱過程開始時(shí),初始溫升較小,即電動機(jī)與周圍環(huán)境的溫度差較小,向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量較少,電動機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量大部分被電動機(jī)吸收,使電動機(jī)的溫升增加較快。初始溫升越小,溫升增加得越快。隨著溫升的增加,電動機(jī)與周圍環(huán)境的溫度差逐步增大,向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量隨之逐步增加,使電動機(jī)的溫升增加速度逐步減慢。如此一直到使電動機(jī)的溫升達(dá)到穩(wěn)定值,發(fā)熱過程結(jié)束。,圖7.1 電動機(jī)發(fā)熱過程的溫升變化曲線,在構(gòu)成電動機(jī)的所有材料中,絕緣材料的耐熱性能是最差的,而絕緣材料又是電動機(jī)中最重要的材料之一。電動機(jī)工作時(shí),如果絕緣材料因溫度過高而損壞,那么電動機(jī)的繞組中將出現(xiàn)匝間或相間短路現(xiàn)象,使電動機(jī)不能正常運(yùn)行,甚至被燒毀。各種絕緣材料的耐熱性能不盡相同。為使電動機(jī)能達(dá)到正常的使用年限(約為20年),規(guī)定了各種絕緣材料的工作溫度不能超過某一數(shù)值,即不能超過允許的最高工作溫度值。通常將各種絕緣材料對應(yīng)的允許最高工作溫度值用絕緣材料等級來表示,電動機(jī)有A,E,B,F(xiàn),H等五級,如表7.1所示。 電動機(jī)工作時(shí),如果其內(nèi)部溫度超過絕緣材料允許的最高工作溫度值時(shí),絕緣材料的老化速度將加快。超過的溫度差值越大,絕緣材料的老化速度越快。當(dāng)電動機(jī)的溫度太高時(shí),絕緣材料將被燒壞。,表7.1 電動機(jī)絕緣材料等級,2電動機(jī)的冷卻,當(dāng)初始溫升大于穩(wěn)態(tài)溫升時(shí)的溫升變化過程,就是電動機(jī)的冷卻過程。根據(jù)式(7-1)可以做出電動機(jī)冷卻過程的溫升變化曲線,如圖7.2所示。曲線1對應(yīng)于電動機(jī)穩(wěn)態(tài)溫升為零的情況,即溫升從電動機(jī)脫離電源時(shí)開始降低,直至降到零。曲線2對應(yīng)于電動機(jī)穩(wěn)態(tài)溫升下降到某一穩(wěn)態(tài)溫升值的情況,即溫升從電動機(jī)負(fù)載減小時(shí)開始降低,直至降到負(fù)載減小后所對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)溫升值。,圖7.2 電動機(jī)冷卻過程的溫升變化曲線,由圖7.2看出,冷卻開始時(shí),初始溫升較大,即電動機(jī)與周圍環(huán)境的溫度差較大,向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量較多,使電動機(jī)的溫升降低較快。隨著溫升的降低,電動機(jī)與周圍環(huán)境的溫度差逐步減小,向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量隨之逐步減少,使電動機(jī)的溫升下降速度逐步減慢。如此一直到使電動機(jī)的溫升達(dá)到穩(wěn)態(tài)值,冷卻過程結(jié)束。,圖7.2 電動機(jī)冷卻過程 的溫升變化曲線,7.1.2 電動機(jī)的工作制,為了在不同情況下方便用戶選擇電動機(jī)功率并使所選的電動機(jī)得到充分利用,根據(jù)電動機(jī)工作時(shí)的發(fā)熱特點(diǎn),把電動機(jī)分成連續(xù)、短時(shí)、周期斷續(xù)三種工作制。 (1)連續(xù)工作制 連續(xù)工作制是指電動機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí),運(yùn)行時(shí)間tL很長,電動機(jī)的溫升可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫升的工作方式。連續(xù)工作制電動機(jī)在銘牌上標(biāo)注S1或一般不在銘牌上標(biāo)明工作制,連續(xù)工作制的電動機(jī)在生產(chǎn)實(shí)際中的使用很廣泛。 (2)短時(shí)工作制 短時(shí)工作制是指電動機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí),運(yùn)行時(shí)間tL很短,使電動機(jī)的溫升達(dá)不到穩(wěn)態(tài)溫升;停機(jī)時(shí)間t0很長,使電動機(jī)的溫升可以降到零的工作方式。短時(shí)工作制的電動機(jī)銘牌上的標(biāo)注為S2,我國的短時(shí)工作制電動機(jī)的運(yùn)行時(shí)間有15min, 30min, 60min, 90min四種定額。拖動閘門的電動機(jī)常采用短時(shí)工作制電動機(jī)。,(3)周期斷續(xù)工作制 周期斷續(xù)工作制是指電動機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí),運(yùn)行時(shí)間tL很短,使電動機(jī)的溫升達(dá)不到穩(wěn)態(tài)溫升;停止時(shí)間t0也很短,使電動機(jī)的溫升降不到零,工作周期小于10min的工作方式。工作時(shí)間占工作周期的百分比稱為負(fù)載持續(xù)率,用FC %表示。 FC % 100 % (7-2) 我國的周期斷續(xù)工作制電動機(jī)的負(fù)載持續(xù)率有15%、25%、40%、60% 四種定額。周期斷續(xù)工作制的電動機(jī)銘牌上的標(biāo)注為S3。要求頻繁啟動、制動的電動機(jī)常采用周期斷續(xù)工作制電動機(jī),如拖動電梯、起重機(jī)的電動機(jī)等。 圖7.3是三種工作制電動機(jī)的溫升變化曲線。,(a)連續(xù)工作制 (b)短時(shí)工作制 (c)周期斷續(xù)工作制,圖7.3 電動機(jī)三種工作制的溫升變化曲線,7.1.3 電動機(jī)額定功率的選擇,電動機(jī)額定功率的選擇是根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載圖計(jì)算出負(fù)載功率PL,然后根據(jù)PL預(yù)選電動機(jī),最后校驗(yàn)預(yù)選電動機(jī)的過載能力和啟動能力。 1負(fù)載功率的確定 由于實(shí)際的生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載大多是隨時(shí)間周期變化的負(fù)載,現(xiàn)以此類負(fù)載為例說明。 (1)靜負(fù)載功率的確定 對直線運(yùn)動的生產(chǎn)機(jī)械,有 (7-3) 式中 生產(chǎn)機(jī)械的靜負(fù)載力 生產(chǎn)機(jī)械的線速度 對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的生產(chǎn)機(jī)械,有 (7-4) 式中 靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩 n 轉(zhuǎn)速,(2)周期變化負(fù)載的平均功率 圖7.4是一個周期內(nèi)變動的生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載圖,據(jù)此圖得出變化負(fù)載的平均功率為 (7-5) 式中 各段靜負(fù)載功率 各段負(fù)載的持續(xù)時(shí)間,圖7.4 周期變化負(fù)載圖,2電動機(jī)額定功率的預(yù)選,電動機(jī)吸收電源的功率既要轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率供給負(fù)載,又要消耗在電動機(jī)內(nèi)部。電動機(jī)內(nèi)部有不變損耗和可變損耗。不變損耗不隨負(fù)載電流的變化而變化,可變損耗與負(fù)載電流有關(guān)、與負(fù)載電流平方成正比。負(fù)載電流增大時(shí),可變損耗要增大,電動機(jī)的額定功率也要相應(yīng)地選大些。式(7-5)沒有反映出啟、制動時(shí)因負(fù)載電流增加而要求預(yù)選電動機(jī)額定功率增大的問題。實(shí)際預(yù)選電動機(jī)額定功率時(shí),應(yīng)先將 擴(kuò)大1.11.6倍,再行預(yù)選。使 (7-6) 系數(shù)1.11.6的取值由實(shí)際起、制動時(shí)間占整個工作周期的比重來決定。所占比重大時(shí),系數(shù)可適當(dāng)取得大一些。,各種工作制電動機(jī)的發(fā)熱校驗(yàn)的方法基本相同,有以下四種,現(xiàn)以連續(xù)工作制電動機(jī)為例加以說明。 (1)平均損耗法 首先,根據(jù)預(yù)選電動機(jī)的效率曲線,計(jì)算出電動機(jī)帶各段負(fù)載時(shí)對應(yīng)的損耗功率 ,然后計(jì)算平均損耗功率 。 只要電動機(jī)帶負(fù)載時(shí)的實(shí)際平均損耗功率 小于或等于其額定損耗 ,即 ,則電動機(jī)運(yùn)行時(shí)實(shí)際達(dá)到的穩(wěn)態(tài)溫 升 不會超過其額定溫升 ,即 ,電動機(jī)的發(fā)熱條件得到充分利用。 (2)等效電流法 假定不變損耗和電阻均為常數(shù),則電動機(jī)帶各段負(fù)載時(shí)的損耗與其對應(yīng)的電動機(jī)電流平方成正比,由式(7-7)得等效電流 (7-7) 只要 ,則電動機(jī)的發(fā)熱校驗(yàn)通過。 注意:深槽和雙籠轉(zhuǎn)子異步機(jī)不能采用等效電流法進(jìn)行發(fā)熱校驗(yàn),因?yàn)槠洳蛔儞p耗和電阻在啟、制動期間不是常數(shù)。,(3)等效轉(zhuǎn)矩法 假定不變損耗、電阻、主磁通及異步電動機(jī)的功率因數(shù)為常數(shù)時(shí),則電動機(jī)帶各段負(fù)載時(shí)的電動機(jī)電流與其對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩 , 成正比,由式(7-7)得等效轉(zhuǎn)矩 (7-8) 只要 ,則電動機(jī)的發(fā)熱校驗(yàn)通過。 注意:串勵直流電動機(jī)、復(fù)勵直流電動機(jī)不能用等效轉(zhuǎn)矩法進(jìn)行發(fā)熱校驗(yàn),因?yàn)槠湄?fù)載變化時(shí)的主磁通不為常數(shù)。經(jīng)常啟、制動的異步電動機(jī)也不能用等效轉(zhuǎn)矩法進(jìn)行發(fā)熱校驗(yàn),因?yàn)槠鋯?、制動時(shí)的功率因數(shù)不為常數(shù)。 (4)等效功率法 假定不變損耗、電阻、主磁通、異步電動機(jī)的功率因數(shù)、轉(zhuǎn)速為常數(shù)時(shí),則電動機(jī)帶各段負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)矩與其對應(yīng)的輸出功率 , 成正比,由式(7-8)得等效功率 (7-9) 只要 ,則電動機(jī)的發(fā)熱校驗(yàn)通過。 注意:需要頻繁啟動、制動時(shí),一般不用等效功率法進(jìn)行發(fā)熱校驗(yàn);只有次數(shù)很少的啟、制動時(shí),應(yīng)先把啟、制動各段對應(yīng)的功率修正為 ,再進(jìn)行發(fā)熱校驗(yàn),其中,n為各啟、制動階段平均轉(zhuǎn)速,且 。,對自冷式連續(xù)工作制電動機(jī),因啟、制動及停車時(shí)的速度變化而使散熱條件變差,以致電動機(jī)的發(fā)熱量增加。應(yīng)將式(7-5)式(7-9)的分母中的啟、制動時(shí)間乘以啟、制動冷卻惡化系數(shù),停車時(shí)間乘以停車?yán)鋮s惡化系數(shù),然后再進(jìn)行發(fā)熱校驗(yàn)。對直流電動機(jī),取 = 0.75、 = 0.5,對交流電動機(jī),取 = 0.5、 =0.25。,3電動機(jī)額定功率的修正,電動機(jī)的額定功率 ,是指電動機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度(40)、在規(guī)定的工作制和定額下,能夠連續(xù)輸出的最大機(jī)械功率,以保證其使用壽命。 如果所有的實(shí)際情況與規(guī)定條件相同,只要電動機(jī)的額定功率 大于負(fù)載的實(shí)際功率 ,就會使電動機(jī)運(yùn)行時(shí)實(shí)際達(dá)到的穩(wěn)態(tài)溫升 約等于額定溫升 ,既能使電動機(jī)的發(fā)熱條件得到充分利用,又能使電動機(jī)達(dá)到規(guī)定的使用年限。但是,實(shí)際情況與規(guī)定的條件往往不盡相同。在保證電動機(jī)能達(dá)到規(guī)定的使用年限的前提下,如果實(shí)際環(huán)境溫度與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度不同、實(shí)際工作制與規(guī)定的工作方式不同、實(shí)際的短時(shí)定額與規(guī)定的短時(shí)定額不同、實(shí)際的斷續(xù)定額與規(guī)定的斷續(xù)定額不同,那么在選擇電動機(jī)的額定功率 時(shí),可先對電動機(jī)的額定功率 進(jìn)行修正,使電動機(jī)的額定功率 小于或大于實(shí)際負(fù)載功率 。,這樣選擇電動機(jī),不會因額定功率 選得過大而使電動機(jī)的發(fā)熱條件得不到充分利用,也不會因額定功率 選得過小而導(dǎo)致電動機(jī)過載運(yùn)行而縮短使用年限、甚至損壞。 連續(xù)工作制的電動機(jī)按連續(xù)工作制工作時(shí),實(shí)際環(huán)境溫度 不等于40時(shí),電動機(jī)額定功率 的修正值 (7-10) 式中 額定溫升 k損耗比,即不變損耗與可變損耗之比 通過式(7-10)即可計(jì)算電動機(jī)在實(shí)際環(huán)溫 時(shí)的額定功率 ,顯然40時(shí), ;40時(shí), 。 根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐,在周圍環(huán)境溫度不同時(shí),電動機(jī)的額定功率可按表7.2相應(yīng)增減。,表7.2 不同環(huán)境溫度下,電動機(jī)額定功率的修正,連續(xù)工作制的電動機(jī)按短時(shí)工作方式運(yùn)行時(shí),電動機(jī)額定功率 的修正值 為 (7-11) 連續(xù)工作制的電動機(jī)按周期斷續(xù)工作方式運(yùn)行時(shí),電動機(jī)額定功率 的修正值 為 (7-12) 短時(shí)工作制電動機(jī)的實(shí)際工作時(shí)間 與短時(shí)定額 不同時(shí),電動機(jī)額定功率 的修正值 為 (7-13) 周期斷續(xù)工作制電動機(jī)的實(shí)際負(fù)載持續(xù)率FCL%與斷續(xù)定額FCN%不同時(shí),電動機(jī)額定功率 的修正值 為 (7-14) 另外,短時(shí)工作制電動機(jī)與周期斷續(xù)工作制電動機(jī)可以在一定條件下相互替用,短時(shí)定額與斷續(xù)定額的對應(yīng)關(guān)系近似為:30 min相當(dāng)于是15%,60 min相當(dāng)于25%,90 min相當(dāng)于40%。,4過載能力和啟動能力的校驗(yàn),為適應(yīng)負(fù)載的波動,電動機(jī)必須要具有一定的過載能力。在承受短時(shí)大負(fù)載沖擊時(shí),由于熱慣性,溫升增大并
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