電機(jī)功率選擇方法

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7.1電動(dòng)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(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)(啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)等)對(duì)功率和轉(zhuǎn)矩的要求并在此基礎(chǔ)上使電動(dòng)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(dòng)機(jī)的額定功率，再根據(jù)所選電動(dòng)機(jī)額定功率校驗(yàn)過(guò)載能力和啟動(dòng)能力。電動(dòng)機(jī)額定功率大小是根據(jù)電動(dòng)機(jī)工作發(fā)熱時(shí)其溫升不超過(guò)絕緣材料的允許溫升來(lái)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(tái)電動(dòng)機(jī)在不同工作狀態(tài)時(shí)的額定功率大小也是不一致的。

7.1.1電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱與冷卻

1.電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱電動(dòng)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(lái)的，使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱。當(dāng)電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)吸收使其本身的溫度升高，另一方面向周邊環(huán)境散熱。可以用以下公式表示這一熱平衡關(guān)系發(fā)熱量=吸熱量+散熱量電動(dòng)機(jī)溫度的升高，就產(chǎn)生了與周邊環(huán)境的溫度差。我們將電動(dòng)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(dòng)機(jī)的溫度升高到某一數(shù)值時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部所增加的發(fā)熱量全部向周邊環(huán)境散發(fā)，電動(dòng)機(jī)本身的溫度不再升高，即溫度達(dá)到了穩(wěn)定值。電動(dòng)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(duì)應(yīng)的溫度值稱為穩(wěn)態(tài)溫度，對(duì)應(yīng)的溫升稱為穩(wěn)態(tài)溫升。

電動(dòng)機(jī)的溫升變化過(guò)程可以用以下方程式表示(7-1)()e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(dòng)機(jī)的體積和本身結(jié)構(gòu)有關(guān)，它的大小反映了電動(dòng)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(dòng)機(jī)發(fā)熱過(guò)程的溫升變化曲線，如圖7.1所示?？梢?，電動(dòng)機(jī)的溫升是按指數(shù)規(guī)律變化的。t/Tw0w

曲線1對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)初始溫升為零的狀況，即溫升從電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)開始升高。曲線2對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)初始溫升不為零的狀況，即溫升從電動(dòng)機(jī)的負(fù)載增加時(shí)開始升高。由圖7.1看出，發(fā)熱過(guò)程開始時(shí)，初始溫升較小，即電動(dòng)機(jī)與周邊環(huán)境的溫度差較小，向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量較少，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量大部分被電動(dòng)機(jī)吸收，使電動(dòng)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(dòng)機(jī)與周邊環(huán)境的溫度差

逐步增大，向周邊環(huán)境散發(fā)的熱量隨之逐步增加，使電動(dòng)機(jī)的溫升增加速度逐步減慢。如此一直到使電動(dòng)機(jī)的溫升達(dá)到穩(wěn)定值，發(fā)熱過(guò)程終止。

圖7.1電動(dòng)機(jī)發(fā)熱過(guò)程的溫升變化曲線

在構(gòu)成電動(dòng)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(dòng)機(jī)中最重要的材料之一。電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，假使絕緣材料因溫度過(guò)高而損壞，那么電動(dòng)機(jī)的繞組中將出現(xiàn)匝間或相間短路現(xiàn)象，使電動(dòng)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一致。為使電動(dòng)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(guò)某一數(shù)值，即不能超過(guò)允許的最高工作溫度值。尋常將各種絕緣材料對(duì)應(yīng)的允許最高工作溫度值用絕緣材料等級(jí)來(lái)表示，電動(dòng)機(jī)有A,E,B,F,H等五級(jí)，如表7.1所示。電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，假使其內(nèi)部溫度超過(guò)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(guò)的溫度差值越大，絕緣材料的老化速度越快。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的溫度太高時(shí)，絕緣材料將被燒壞。

表7.1電動(dòng)機(jī)絕緣材料等級(jí)等級(jí)AEBFH絕緣材料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環(huán)氧樹脂、聚酯薄膜、青殼紙、三醋酸纖維薄膜、高強(qiáng)度漆包線的絕緣漆云母、玻璃纖維、石棉(用有機(jī)膠粘合或浸漬)云母、玻璃纖維、石棉(用合成膠粘合或浸漬)云母、玻璃纖維、石棉(用硅有機(jī)樹脂粘合或浸漬)允許最高溫度(℃)105120130155180

2.電動(dòng)機(jī)的冷卻當(dāng)時(shí)始溫升大于穩(wěn)態(tài)溫升時(shí)的溫升變化過(guò)程，就是電動(dòng)機(jī)的冷卻過(guò)程。根據(jù)式(7-1)可以做出電動(dòng)機(jī)冷卻過(guò)程的溫升變化曲線，如圖7.2所示。曲線1對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)溫升為零的狀況，即溫升從電動(dòng)機(jī)脫離電源時(shí)開始降低，直至降到零。曲線2對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)溫升下降到某一穩(wěn)態(tài)溫升值的狀況，即溫升從電動(dòng)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(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)溫升值。

圖7.2電動(dòng)機(jī)冷卻過(guò)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(dòng)機(jī)與周邊環(huán)境的溫度差較大，向周邊環(huán)境散發(fā)的熱量較多，使電動(dòng)機(jī)的溫升降低較快。隨著溫升的降低，電動(dòng)機(jī)與周邊環(huán)境的溫度差逐步減小，向周邊環(huán)境散發(fā)的熱量隨之逐步減少，使電動(dòng)機(jī)的溫升下降速度逐步減慢。如此一直到使電動(dòng)機(jī)的溫升達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，冷卻過(guò)程終止。

圖7.2電動(dòng)機(jī)冷卻過(guò)程的溫升變化曲線

7.1.2電動(dòng)機(jī)的工作制

為了在不可憐況下便利用戶選擇電動(dòng)機(jī)功率并使所選的電動(dòng)機(jī)得到充分利用，根據(jù)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的發(fā)熱特點(diǎn)，把電

動(dòng)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(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行時(shí)間tL很長(zhǎng)，電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的溫升達(dá)不到穩(wěn)態(tài)溫升；停機(jī)時(shí)間t0很長(zhǎng)，使電動(dòng)機(jī)的溫升可以降到零的工作方式。短時(shí)工作制的電動(dòng)機(jī)銘牌上的標(biāo)注為S2,我國(guó)的短時(shí)工作制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間有15min,30min,60min,90min四種定額。拖動(dòng)閘門的電動(dòng)機(jī)常采用短時(shí)工作制電動(dòng)機(jī)。

(3)周期斷續(xù)工作制周期斷續(xù)工作制是指電動(dòng)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(dòng)機(jī)的溫升達(dá)不到穩(wěn)態(tài)溫升；中止時(shí)間t0也很短，使電動(dòng)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。tLFC%=tLt0100%(7-2)我國(guó)的周期斷續(xù)工作制電動(dòng)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(dòng)機(jī)銘牌上的標(biāo)注為S3。要求頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)的電動(dòng)機(jī)常采用周期斷續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)，如拖動(dòng)電梯、起重機(jī)的電動(dòng)機(jī)等。圖7.3是三種工作制電動(dòng)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(dòng)機(jī)三種工作制的溫升變化曲線

電動(dòng)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(dòng)機(jī)，最終校驗(yàn)預(yù)選電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力和啟動(dòng)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(shuō)明。(1)靜負(fù)載功率的確定Fv對(duì)直線運(yùn)動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械，有P10(7-3)式中FL——生產(chǎn)機(jī)械的靜負(fù)載力v——生產(chǎn)機(jī)械的線速度對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械，有TnP(7-4)9550式中FL——靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩n——轉(zhuǎn)速L3LLL

7.1.3電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇

(2)周期變化負(fù)載的平均功率圖7.4是一個(gè)周期內(nèi)變動(dòng)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PtPtPt(7-5)P1122nnLPj

ttt12

n

式中P,P,...,P載功率12n

——各段靜負(fù)n

t,t,...,t12

——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(dòng)機(jī)額定功率的預(yù)選電動(dòng)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(dòng)機(jī)內(nèi)部。電動(dòng)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(dòng)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(dòng)時(shí)因負(fù)載電流增加而要求預(yù)選電動(dòng)機(jī)額定功率增大的問題。實(shí)際預(yù)選電動(dòng)機(jī)額定功率時(shí)，應(yīng)先將PLPj擴(kuò)大1.1—1.6倍，再行預(yù)選。使P(1.1—1.6)P(7-6)系數(shù)1.1—1.6的取值由實(shí)際起、制動(dòng)時(shí)間占整個(gè)工作周期的比重來(lái)決定。所占比重大時(shí)，系數(shù)可適當(dāng)取得大一些。NLPj

各種工作制電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱校驗(yàn)的方法基本一致，有以下四種，現(xiàn)以連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)為例加以說(shuō)明。(1)平均損耗法首先，根據(jù)預(yù)選電動(dòng)機(jī)的效率曲線，計(jì)算出電動(dòng)機(jī)帶各段負(fù)載時(shí)對(duì)應(yīng)的損耗功率P,P,...,P,然后計(jì)算平均損耗功率pLPj。PLPj

ptptptttt1122n12n

1

2

n

n

只要電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載時(shí)的實(shí)際平均損耗功率pLPj小于或等于其額定損耗pN,即pP,則電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)實(shí)際達(dá)到的穩(wěn)態(tài)溫升w不會(huì)超過(guò)其額定溫升N,即,電動(dòng)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(dòng)機(jī)帶各段負(fù)載時(shí)的損耗與其對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)電流平方成正比，由式(7-7)得等效電流ItItItI(7-7)ttt只要II,則電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱校驗(yàn)通過(guò)。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)，由于其不變損耗和電阻在啟、制動(dòng)期間不是常數(shù)。LPjNww2221122nndx12n

dx

N

(3)等效轉(zhuǎn)矩法假定不變損耗、電阻、主磁通及異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)為常數(shù)時(shí)，則電動(dòng)機(jī)帶各段負(fù)載時(shí)的電動(dòng)機(jī)電流與其對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩T,T,...,T,成正比，由式(7-7)得等效轉(zhuǎn)矩TtTtTtT(7-8)ttt只要TT,則電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱校驗(yàn)通過(guò)。注意：串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)不能用等效轉(zhuǎn)矩法進(jìn)行發(fā)熱校驗(yàn)，由于其負(fù)載變化時(shí)的主磁通不為常數(shù)。經(jīng)常啟、制動(dòng)的異步電動(dòng)機(jī)也不能用等效轉(zhuǎn)矩法進(jìn)行發(fā)熱校驗(yàn)，由于其啟、制動(dòng)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(dòng)機(jī)的功率因數(shù)、轉(zhuǎn)速為常數(shù)時(shí)，則電動(dòng)機(jī)帶各段負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)矩與其對(duì)應(yīng)的輸出功率P,P,...,P成正比，,由式(7-8)得等效功率PtPtPtP(7-9)ttt只要PP,則電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱校驗(yàn)通過(guò)。注意：需要頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)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(dòng)時(shí)，應(yīng)先把啟、制動(dòng)各段對(duì)應(yīng)的功率修正為，nPP再進(jìn)行發(fā)熱校驗(yàn)，其中，n

為各啟、制動(dòng)階段平均轉(zhuǎn)速，且。n22

1

2

2

n

1

1

2

2

n

n

dx

1

2

n

dx

N

1

2

n

2

2

2

1

1

2

2

n

n

dx

1

2

n

dx

N

N

nn

i

i

N

對(duì)自冷式連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)，因啟、制動(dòng)及停車時(shí)的速度變化而使散熱條件變差，以致電動(dòng)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(dòng)時(shí)間乘以啟、制動(dòng)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(duì)直流電動(dòng)機(jī)，取=0.75、=0.5,對(duì)交流電動(dòng)機(jī)，取=0.5、=0.25。

電動(dòng)機(jī)的額定功率PN,是指電動(dòng)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。假使所有的實(shí)際狀況與規(guī)定條件一致，只要電動(dòng)機(jī)的額定功率PN大于負(fù)載的實(shí)際功率P,就會(huì)使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)實(shí)際達(dá)到的穩(wěn)態(tài)溫升w約等于額定溫升N,既能使電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱條件得到充分利用，又能使電動(dòng)機(jī)達(dá)到規(guī)定的使用年限。但是，實(shí)際狀況與規(guī)定的條件往往不盡一致。在保證電動(dòng)機(jī)能達(dá)到規(guī)定的使用年限的前提下，假使實(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(dòng)機(jī)的額定功率PN時(shí)，可先對(duì)電動(dòng)機(jī)的額定功率PN進(jìn)行修正，使電動(dòng)機(jī)的額定功率PN小于或大于實(shí)際負(fù)載功率P。LL

3.電動(dòng)機(jī)額定功率的修正

這樣選擇電動(dòng)機(jī)，不會(huì)因額定功率PN選得過(guò)大而使電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱條件得不到充分利用，也不會(huì)因額定功率PN選得過(guò)小而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過(guò)載運(yùn)行而縮短使用年限、甚至損壞。連續(xù)工作制的電動(dòng)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)，PN電動(dòng)機(jī)額定功率的修正值40PP1(k1)P(7-10)式中N——額定溫升k——損耗比，即不變損耗與可變損耗之比通過(guò)式(7-10)即可計(jì)算電動(dòng)機(jī)在實(shí)際環(huán)溫時(shí)的額定功率PN,顯然40