電動機額定功率的選擇

1、7.1 電動機額定功率的選擇電動機額定功率的選擇 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)上使電動機得到充分利用。 額定功率選擇的方法是：根據(jù)生產(chǎn)機械工作時負載（轉(zhuǎn)矩、功率、電流）大、小變化特點，預(yù)選電動機的額定功率，再根據(jù)所選電動機額定功率校驗過載能力和啟動能力。 電動機額定功率大小是根據(jù)電動機工作發(fā)熱時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)律是與工作特點有關(guān)的，同一臺電動機在不同工作狀態(tài)時的額定功率大小也是不相同的。 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、

2、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。當電動機的負載和轉(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準環(huán)境溫度（40C）的差值稱為溫升，用 表示。當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

3、，對應(yīng)的溫升稱為穩(wěn)態(tài)溫升。 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。 T/0)(twwe 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載增加時開始升高。由圖7.1看出，發(fā)熱

4、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 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

5、。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。當電動機的溫度太高時，絕緣材料將被燒壞。 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、

6、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）1802電動機的冷卻電動機的冷卻 當初始溫升大于穩(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，即溫升從電動機負載減小時開始降低，直至降到負載減小后所對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)溫升值。 圖7.2 電動機冷卻過程

7、的溫升變化曲線 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 7.1.2 電動機的工作制電動機的工作制 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載運行時，運行時間tL很

8、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注S1或一般不在銘牌上標明工作制，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。（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

9、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。0tttLL （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7.1.3 電動機額定功率的選擇電動機額定功率的選擇 電動機額定功率的選擇

10、是根據(jù)實際的生產(chǎn)機械負載圖計算出負載功率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負載功率的確定負載功率的確定 由于實際的生產(chǎn)機械負載大多是隨時間周期變化的負載，現(xiàn)以此類負載為例說明。 （1）靜負載功率的確定 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 靜負載轉(zhuǎn)矩 n 轉(zhuǎn)速310vFPLLLFv5509nTPLLLF（2）周期變化負載的平均功率 圖7.4是一個周期內(nèi)變動的生產(chǎn)機械負載圖，據(jù)此圖得出變化負載的平均功率為 （7-5）式中 各段靜負載功率 各段負載的持續(xù)時間nnnLPjt

11、tttPtPtPP212211nPPP,.,21nttt,.,21圖7.4 周期變化負載圖 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。不變損耗不隨負載電流的變化而變化，可變損耗與負載電流有關(guān)、與負載電流平方成正比。負載電流增大時，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1.11.6倍，再行預(yù)選。使 （7-6） 系數(shù)1.11.6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

12、重大時，系數(shù)可適當取得大一些。LPjPLPjNPP）6 . 11 . 1 ( 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

13、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)。 nPPP,.,21LPjpnnnLPjttttptptpP212211LPjpNLPjPp NpwNwwnnndxttttItItII212222121NdxII （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，因為其負載變化時的主磁通不為常數(shù)

14、。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 。nTTT,.,21nnndxttttTtTtTT212222121NdxTT nPPP,.,21nnndxtttt

15、PtPtPP212222121NdxPP iNiPnnP Nnn 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)，停車時間乘以停車冷卻惡化系數(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。3電動機額定功率的修正電動機額定功率的修正 電動機的額定功率 ，是指電動機在標準環(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

16、率 大于負載的實際功率 ，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)境溫度與標準環(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 小于或大于實際負載功率 。 NPNPLPwNNPNPNPLP 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

17、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。NPNPNPLNNNPkPP) 1(401NNPNNPP NNPP 環(huán)境溫度303540455055電機增減的百分數(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

18、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)工作制電動機的實際負載持續(xù)率FCL%與斷續(xù)定額FCN%不同時，電動機額定功率 的修正值 為 （7-14） 另外，短時工作制電動機與周期斷續(xù)工作制電動機可以在一定條件下相互替用，短時定額與斷續(xù)定額的對應(yīng)關(guān)系近似為：30 min相當于是15%，60 min相當于25%，90 min相當于40%。 NPNPNPNPNPNPNPNPLTtTtNNPeekPPLL/11LLLNNPtttPP0LLNNNPttPPLLNNNPFCFCPP%4過載能力和啟動能力的校驗過載能力和啟動能力的校驗 為適應(yīng)負載的波動，電動機必須要具有一定的過載能力。在承受短時大負載沖擊時，由于熱慣性，溫升增大并不多，能