電機功率選擇方法

電機功率選擇方法第一頁，共二十頁，2022年，8月28日7.1.1電動機的發(fā)熱與冷卻1．電動機的發(fā)熱電動機工作時，其內(nèi)部主要存在鐵損耗、銅損耗及機械損耗，這些損耗是以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來的，使電動機發(fā)熱。當(dāng)電動機的負(fù)載和轉(zhuǎn)速一定時，其內(nèi)部的發(fā)熱量在單位時間內(nèi)是恒定的。電動機工作時，其內(nèi)部產(chǎn)生的熱量有兩方面的作用，一方面由電動機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。我們將電動機本身的溫度與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度（40oC）的差值稱為溫升，用表示。當(dāng)電動機的溫度升高到某一數(shù)值時，電動機內(nèi)部所增加的發(fā)熱量全部向周圍環(huán)境散發(fā)，電動機本身的溫度不再升高，即溫度達到了穩(wěn)定值。電動機的溫度達到穩(wěn)定值時的狀態(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。第二頁，共二十頁，2022年，8月28日電動機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，即溫升開始變化時的數(shù)值t——溫升變化時間T——熱時間常數(shù)熱時間常數(shù)T只與電動機的體積和本身結(jié)構(gòu)有關(guān)，它的大小反映了電動機達到熱穩(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）可以作出電動機發(fā)熱過程的溫升變化曲線，如圖7.1所示?？梢姡妱訖C的溫升是按指數(shù)規(guī)律變化的。第三頁，共二十頁，2022年，8月28日曲線1對應(yīng)于電動機初始溫升為零的情況，即溫升從電動機啟動時開始升高。曲線2對應(yīng)于電動機初始溫升不為零的情況，即溫升從電動機的負(fù)載增加時開始升高。由圖7.1看出，發(fā)熱過程開始時，初始溫升較小，即電動機與周圍環(huán)境的溫度差較小，向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量較少，電動機內(nèi)部產(chǎn)生的熱量大部分被電動機吸收，使電動機的溫升增加較快。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，使電動機的溫升增加速度逐步減慢。如此一直到使電動機的溫升達到穩(wěn)定值，發(fā)熱過程結(jié)束。圖7.1電動機發(fā)熱過程的溫升變化曲線第四頁，共二十頁，2022年，8月28日在構(gòu)成電動機的所有材料中，絕緣材料的耐熱性能是最差的，而絕緣材料又是電動機中最重要的材料之一。電動機工作時，如果絕緣材料因溫度過高而損壞，那么電動機的繞組中將出現(xiàn)匝間或相間短路現(xiàn)象，使電動機不能正常運行，甚至被燒毀。各種絕緣材料的耐熱性能不盡相同。為使電動機能達到正常的使用年限（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，電動機有A，E，B，F(xiàn)，H等五級，如表7.1所示。電動機工作時，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，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)電動機的溫度太高時，絕緣材料將被燒壞。第五頁，共二十頁，2022年，8月28日表7.1電動機絕緣材料等級等級絕緣材料允許最高溫度（℃）A用普通絕緣漆浸漬處理的棉紗、絲、紙及普通漆包線的絕緣漆105E環(huán)氧樹脂、聚酯薄膜、青殼紙、三醋酸纖維薄膜、高強度漆包線的絕緣漆120B云母、玻璃纖維、石棉（用有機膠粘合或浸漬）130F云母、玻璃纖維、石棉（用合成膠粘合或浸漬）155H云母、玻璃纖維、石棉（用硅有機樹脂粘合或浸漬）180第六頁，共二十頁，2022年，8月28日

2．電動機的冷卻

當(dāng)初始溫升大于穩(wěn)態(tài)溫升時的溫升變化過程，就是電動機的冷卻過程。根據(jù)式（7-1）可以做出電動機冷卻過程的溫升變化曲線，如圖7.2所示。曲線1對應(yīng)于電動機穩(wěn)態(tài)溫升為零的情況，即溫升從電動機脫離電源時開始降低，直至降到零。曲線2對應(yīng)于電動機穩(wěn)態(tài)溫升下降到某一穩(wěn)態(tài)溫升值的情況，即溫升從電動機負(fù)載減小時開始降低，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電動機冷卻過程的溫升變化曲線第七頁，共二十頁，2022年，8月28日由圖7.2看出，冷卻開始時，初始溫升較大，即電動機與周圍環(huán)境的溫度差較大，向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量較多，使電動機的溫升降低較快。隨著溫升的降低，電動機與周圍環(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，使電動機的溫升下降速度逐步減慢。如此一直到使電動機的溫升達到穩(wěn)態(tài)值，冷卻過程結(jié)束。圖7.2電動機冷卻過程的溫升變化曲線第八頁，共二十頁，2022年，8月28日

7.1.2電動機的工作制

為了在不同情況下方便用戶選擇電動機功率并使所選的電動機得到充分利用，根據(jù)電動機工作時的發(fā)熱特點，把電動機分成連續(xù)、短時、周期斷續(xù)三種工作制。（1）連續(xù)工作制連續(xù)工作制是指電動機帶額定負(fù)載運行時，運行時間tL很長，電動機的溫升可以達到穩(wěn)態(tài)溫升的工作方式。連續(xù)工作制電動機在銘牌上標(biāo)注S1或一般不在銘牌上標(biāo)明工作制，連續(xù)工作制的電動機在生產(chǎn)實際中的使用很廣泛。（2）短時工作制短時工作制是指電動機帶額定負(fù)載運行時，運行時間tL很短，使電動機的溫升達不到穩(wěn)態(tài)溫升；停機時間t0很長，使電動機的溫升可以降到零的工作方式。短時工作制的電動機銘牌上的標(biāo)注為S2，我國的短時工作制電動機的運行時間有15min,30min,60min,90min四種定額。拖動閘門的電動機常采用短時工作制電動機。第九頁，共二十頁，2022年，8月28日（3）周期斷續(xù)工作制周期斷續(xù)工作制是指電動機帶額定負(fù)載運行時，運行時間tL很短，使電動機的溫升達不到穩(wěn)態(tài)溫升；停止時間t0也很短，使電動機的溫升降不到零，工作周期小于10min的工作方式。工作時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)工作制的電動機銘牌上的標(biāo)注為S3。要求頻繁啟動、制動的電動機常采用周期斷續(xù)工作制電動機，如拖動電梯、起重機的電動機等。圖7.3是三種工作制電動機的溫升變化曲線。

（a）連續(xù)工作制（b）短時工作制（c）周期斷續(xù)工作制圖7.3電動機三種工作制的溫升變化曲線第十頁，共二十頁，2022年，8月28日

7.1.3電動機額定功率的選擇

電動機額定功率的選擇是根據(jù)實際的生產(chǎn)機械負(fù)載圖計算出負(fù)載功率PL，然后根據(jù)PL預(yù)選電動機，最后校驗預(yù)選電動機的過載能力和啟動能力。1．負(fù)載功率的確定由于實際的生產(chǎn)機械負(fù)載大多是隨時間周期變化的負(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動的生產(chǎn)機械，有

（7-3）式中——生產(chǎn)機械的靜負(fù)載力——生產(chǎn)機械的線速度對旋轉(zhuǎn)運動的生產(chǎn)機械，有

（7-4）式中——靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩n——轉(zhuǎn)速第十一頁，共二十頁，2022年，8月28日（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)時間圖7.4周期變化負(fù)載圖第十二頁，共二十頁，2022年，8月28日2．電動機額定功率的預(yù)選電動機吸收電源的功率既要轉(zhuǎn)換為機械功率供給負(fù)載，又要消耗在電動機內(nèi)部。電動機內(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，可變損耗要增大，電動機的額定功率也要相應(yīng)地選大些。式（7-5）沒有反映出啟、制動時因負(fù)載電流增加而要求預(yù)選電動機額定功率增大的問題。實際預(yù)選電動機額定功率時，應(yīng)先將擴大1.1—1.6倍，再行預(yù)選。使（7-6）系數(shù)1.1—1.6的取值由實際起、制動時間占整個工作周期的比重來決定。所占比重大時，系數(shù)可適當(dāng)取得大一些。第十三頁，共二十頁，2022年，8月28日

各種工作制電動機的發(fā)熱校驗的方法基本相同，有以下四種，現(xiàn)以連續(xù)工作制電動機為例加以說明。（1）平均損耗法首先，根據(jù)預(yù)選電動機的效率曲線，計算出電動機帶各段負(fù)載時對應(yīng)的損耗功率，然后計算平均損耗功率。

只要電動機帶負(fù)載時的實際平均損耗功率小于或等于其額定損耗，即，則電動機運行時實際達到的穩(wěn)態(tài)溫升不會超過其額定溫升，即，電動機的發(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)，則電動機帶各段負(fù)載時的損耗與其對應(yīng)的電動機電流平方成正比，由式（7-7）得等效電流（7-7）只要，則電動機的發(fā)熱校驗通過。注意：深槽和雙籠轉(zhuǎn)子異步機不能采用等效電流法進行發(fā)熱校驗，因為其不變損耗和電阻在啟、制動期間不是常數(shù)。第十四頁，共二十頁，2022年，8月28日（3）等效轉(zhuǎn)矩法假定不變損耗、電阻、主磁通及異步電動機的功率因數(shù)為常數(shù)時，則電動機帶各段負(fù)載時的電動機電流與其對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩，成正比，由式（7-7）得等效轉(zhuǎn)矩（7-8）只要，則電動機的發(fā)熱校驗通過。注意：串勵直流電動機、復(fù)勵直流電動機不能用等效轉(zhuǎn)矩法進行發(fā)熱校驗，因為其負(fù)載變化時的主磁通不為常數(shù)。經(jīng)常啟、制動的異步電動機也不能用等效轉(zhuǎn)矩法進行發(fā)熱校驗，因為其啟、制動時的功率因數(shù)不為常數(shù)。（4）等效功率法假定不變損耗、電阻、主磁通、異步電動機的功率因數(shù)、轉(zhuǎn)速為常數(shù)時，則電動機帶各段負(fù)載時的轉(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，則電動機的發(fā)熱校驗通過。注意：需要頻繁啟動、制動時，一般不用等效功率法進行發(fā)熱校驗；只有次數(shù)很少的啟、制動時，應(yīng)先把啟、制動各段對應(yīng)的功率修正為，再進行發(fā)熱校驗，其中，n為各啟、制動階段平均轉(zhuǎn)速，且。第十五頁，共二十頁，2022年，8月28日對自冷式連續(xù)工作制電動機，因啟、制動及停車時的速度變化而使散熱條件變差，以致電動機的發(fā)熱量增加。應(yīng)將式（7-5）～式（7-9）的分母中的啟、制動時間乘以啟、制動冷卻惡化系數(shù)，停車時間乘以停車?yán)鋮s惡化系數(shù)，然后再進行發(fā)熱校驗。對直流電動機，取

=0.75、

=0.5，對交流電動機，取

=0.5、

=0.25。第十六頁，共二十頁，2022年，8月28日

3．電動機額定功率的修正

電動機的額定功率，是指電動機在標(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)輸出的最大機械功率，以保證其使用壽命。如果所有的實際情況與規(guī)定條件相同，只要電動機的額定功率大于負(fù)載的實際功率，就會使電動機運行時實際達到的穩(wěn)態(tài)溫升約等于額定溫升，既能使電動機的發(fā)熱條件得到充分利用，又能使電動機達到規(guī)定的使用年限。但是，實際情況與規(guī)定的條件往往不盡相同。在保證電動機能達到規(guī)定的使用年限的前提下，如果實際環(huán)境溫度與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度不同、實際工作制與規(guī)定的工作方式不同、實際的短時定額與規(guī)定的短時定額不同、實際的斷續(xù)定額與規(guī)定的斷續(xù)定額不同，那么在選擇電動機的額定功率時，可先對電動機的額定功率進行修正，使電動機的額定功率小于或大于實際負(fù)載功率。第十七頁，共二十頁，2022年，8月28日這樣選擇電動機，不會因額定功率選得過大而使電動機的發(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)致電動機過載運行而縮短使用年限、甚至損壞。連續(xù)工作制的電動機按連續(xù)工作制工作時，實際環(huán)境溫度不等于40℃時，電動機額定功率的修正值

（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）即可計算電動機在實際環(huán)溫

時的額定功率，顯然＞40℃時，；＜40℃時，。根據(jù)理論計算和實踐，在周圍環(huán)境溫度不同時，電動機的額定功率可按表7.2相應(yīng)增減。環(huán)境溫度30℃35℃40℃45℃50℃55℃電機增減的百分?jǐn)?shù)+8%+5%0-5%-12.5%-25%表7.2不同環(huán)境溫度下，電動機額定功率的修正第十八頁，共二十頁，2022年，8月28日連續(xù)工作制的電動機按短時工作方式運行時，電動機額定功率的修正值為

（7-11）連續(xù)工作制的電動機按周期斷續(xù)工作方式運行時，電動機額定功率的修正值為

（7-12）短時工作制電動機的實際工作時間與短時定額不同時，電動機額定功率的修正值為

（7-13）周期斷續(xù)工作制電