电机功率选择方法

电机功率选择方法

7.1 电动机额定功率的选择额定功率选择的原则是：所选额定功率要能满足生 产机械在拖动的各个环节(启动、调速、制动等)对功 率和转矩的要求并在此基础上使电动机得到充分利用。 额定功率选择的方法是：根据生产机械工作时负载 (转矩、功率、电流)大、小变化特点，预选电动机的 额定功率，再根据所选电动机额定功率校验过载能力和 启动能力。 电动机额定功率大小是根据电动机工作发热时其温 升不超过绝缘材料的允许温升来确定的，其温升变化规 律是与工作特点有关的，同一台电动机在不同工作状态 时的额定功率大小也是不相同的。

7.1.1 电动机的发热与冷却

1.电动机的发热 电动机工作时，其内部主要存在铁损耗、铜损耗及机械 损耗，这些损耗是以发热的形式表现出来的，使电动机发热。 当电动机的负载和转速一定时，其内部的发热量在单位时间 内是恒定的。电动机工作时，其内部产生的热量有两方面的 作用，一方面由电动机吸收使其本身的温度升高，另一方面 向周围环境散热。可以用以下公式表示这一热平衡关系 发热量=吸热量+散热量 电动机温度的升高，就产生了与周围环境的温度差。我 们将电动机本身的温度与标准环境温度(40 C)的差值称为 温升，用 表示。当电动机的温度升高到某一数值时，电 动机内部所增加的发热量全部向周围环境散发，电动机本身 的温度不再升高，即温度达到了稳定值。电动机的温度达到 稳定值时的状态称为热稳定状态，对应的温度值称为稳态温 度，对应的温升称为稳态温升。

电动机的温升变化过程可以用下列方程式表示 (7-1) ( )e 式中 w――稳态温升 0――初始温升，即温升开始变化时的数值 t――温升变化时间 T――热时间常数 热时间常数T只与电动机的体积和本身结构有 关，它的大小反映了电动机达到热稳定状态前的 温升变化速度。

T越小，温升变化越快；T越大， 温升变化越慢。 根据式(7-1)可以作出电动机发热过程的 温升变化曲线，如图7.1所示。可见，电动机的 温升是按指数规律变化的。 t /T w 0 w

曲线1对应于电动机初始温升为 零的情况，即温升从电动机启动时开 始升高。曲线2对应于电动机初始温升 不为零的情况，即温升从电动机的负 载增加时开始升高。由图7.1看出，发 热过程开始时，初始温升较小，即电 动机与周围环境的温度差较小，向周 围环境散发的热量较少，电动机内部 产生的热量大部分被电动机吸收，使 电动机的温升增加较快。初始温升越 小，温升增加得越快。随着温升的增 加，电动机与周围环境的温度差

逐步 增大，向周围环境散发的热量随之逐 步增加，使电动机的温升增加速度逐 步减慢。如此一直到使电动机的温升 达到稳定值，发热过程结束。

图7.1 电动机发热过程 的温升变化曲线

在构成电动机的所有材料中，绝缘材料的耐热性 能是最差的，而绝缘材料又是电动机中最重要的材料 之一。电动机工作时，如果绝缘材料因温度过高而损 坏，那么电动机的绕组中将出现匝间或相间短路现象， 使电动机不能正常运行，甚至被烧毁。各种绝缘材料 的耐热性能不尽相同。为使电动机能达到正常的使用 年限(约为20年),规定了各种绝缘材料的工作温度 不能超过某一数值，即不能超过允许的最高工作温度 值。通常将各种绝缘材料对应的允许最高工作温度值 用绝缘材料等级来表示，电动机有A,E,B,F,H等 五级，如表7.1所示。 电动机工作时，如果其内部温度超过绝缘材料允 许的最高工作温度值时，绝缘材料的老化速度将加快。 超过的温度差值越大，绝缘材料的老化速度越快。当 电动机的温度太高时，绝缘材料将被烧坏。

表7.1 电动机绝缘材料等级等 级 A E B F H 绝缘材料 用普通绝缘漆浸渍处理的棉纱、丝、纸及 普通漆包线的绝缘漆 环氧树脂、聚酯薄膜、青壳纸、三醋酸纤 维薄膜、高强度漆包线的绝缘漆 云母、玻璃纤维、石棉(用有机胶粘合或 浸渍) 云母、玻璃纤维、石棉(用合成胶粘合或 浸渍) 云母、玻璃纤维、石棉(用硅有机树脂粘 合或浸渍) 允许最高温 度(℃) 105 120 130 155 180

2.电动机的冷却当初始温升大于稳态温升 时的温升变化过程，就是电动 机的冷却过程。根据式(7-1) 可以做出电动机冷却过程的温 升变化曲线，如图7.2所示。 曲线1对应于电动机稳态温升 为零的情况，即温升从电动机 脱离电源时开始降低，直至降 到零。曲线2对应于电动机稳 态温升下降到某一稳态温升值 的情况，即温升从电动机负载 减小时开始降低，直至降到负 载减小后所对应的稳态温升值。

图7.2 电动机冷却过 程的温升变化曲线

由图7.2看出，冷却 开始时，初始温升较大， 即电动机与周围环境的温 度差较大，向周围环境散 发的热量较多，使电动机 的温升降低较快。随着温 升的降低，电动机与周围 环境的温度差逐步减小， 向周围环境散发的热量随 之逐步减少，使电动机的 温升下降速度逐步减慢。 如此一直到使电动机的温 升达到稳态值，冷却过程 结束。

图7.2 电动机冷却过程 的温升变化曲线

7.1.2 电动机的工作制

为了在不同情况下方便用户选择电动机功率并使所选的电动 机得到充分利用，根据电动机工作时的发热特点，把电

动机分成 连续、短时、周期断续三种工作制。 (1)连续工作制 连续工作制是指电动机带额定负载运行时，运行时间tL很长， 电动机的温升可以达到稳态温升的工作方式。连续工作制电动机 在铭牌上标注S1或一般不在铭牌上标明工作制，连续工作制的电 动机在生产实际中的使用很广泛。 (2)短时工作制 短时工作制是指电动机带额定负载运行时，运行时间tL很短， 使电动机的温升达不到稳态温升；停机时间t0很长，使电动机的 温升可以降到零的工作方式。短时工作制的电动机铭牌上的标注 为 S2 , 我 国 的 短 时 工 作 制 电 动 机 的 运 行 时 间 有 15min, 30min, 60min, 90min四种定额。拖动闸门的电动机常采用短时工作制电 动机。

(3)周期断续工作制 周期断续工作制是指电动机带额定负载运行时，运行时间tL很短，使电 动机的温升达不到稳态温升；停止时间t0也很短，使电动机的温升降不到零， 工作周期小于10min的工作方式。工作时间占工作周期的百分比称为负载持 续率，用FC %表示。 tL FC %= t L t0 ×100 % (7-2) 我国的周期断续工作制电动机的负载持续率有15%、25%、40%、60% 四种定额。周期断续工作制的电动机铭牌上的标注为S3。要求频繁启动、 制动的电动机常采用周期断续工作制电动机，如拖动电梯、起重机的电动 机等。 图7.3是三种工作制电动机的温升变化曲线。

(a)连续工作制 (b)短时工作制 (c)周期断续工作制

图7.3 电动机三种工作制的温升变化曲线

电动机额定功率的选择是根据实际的生产机械负载图计算出 负载功率PL,然后根据PL预选电动机，最后校验预选电动机的过 载能力和启动能力。 1.负载功率的确定 由于实际的生产机械负载大多是随时间周期变化的负载，现 以此类负载为例说明。 (1)静负载功率的确定 Fv 对直线运动的生产机械，有 P 10 (7-3) 式中 FL ―― 生产机械的静负载力

v ―― 生产机械的线速度 对旋转运动的生产机械，有 Tn P (7-4) 9 550 式中 FL ――静负载转矩 n ――转速L 3 LL L

7.1.3 电动机额定功率的选择

(2)周期变化负载的平均功率 图7.4是一个周期内变动 的生产机械负载图，据此图得 出变化负载的平均功率为 Pt P t P t (7-5) P 1 1 2 2 n n LPj

t t t1 2

n

式中 P , P ,...,P 载功率1 2 n

――各段静负n

t , t ,...,t1 2

―― 各 段 负

载的持续时间

图7.4 周期变化负载图

2.电动机额定功率的预选电动机吸收电源的功率既要转换为机械功率供给负 载，又要消耗在电动机内部。电动机内部有不变损耗和 可变损耗。不变损耗不随负载电流的变化而

变化，可变 损耗

与负载电流有关、与负载电流平方成正比。负载电 流增大时，可变损耗要增大，电动机的额定功率也要相 应地选大些。式(7-5)没有反映出启、制动时因负载 电流增加而要求预选电动机额定功率增大的问题。实际 预选电动机额定功率时，应先将 PLPj 扩大1.1―1.6倍，再 行预选。使 P (1.1 ― 1.6)P (7-6) 系数1.1―1.6的取值由实际起、制动时间占整个工 作周期的比重来决定。所占比重大时，系数可适当取得 大一些。N LPj

各种工作制电动机的发热校验的方法基本相同，有以下四种， 现以连续工作制电动机为例加以说明。 (1)平均损耗法 首先，根据预选电动机的效率曲线，计算出电动机带各段 负载时对应的损耗功率 P , P ,..., P ,然后计算平均损耗功率 pLPj 。P LPj

p t p t p t t t t1 1 2 2 n 1 2 n

1

2

n

n

只要电动机带负载时的实际平均损耗功率 pLPj 小于或等于其 额定损耗 p N ,即 p P ,则电动机运行时实际达到的稳态温 升 w 不会超过其额定温升 N ,即 ,电动机的发热条件得 到充分利用。 (2)等效电流法 假定不变损耗和电阻均为常数，则电动机带各段负载时的 损耗与其对应的电动机电流平方成正比，由式(7-7)得等效电 流 I t I t I t I (7-7) t t t

只要 I I ,则电动机的发热校验通过。 注意：深槽和双笼转子异步机不能采用等效电流法进行发 热校验，因为其不变损耗和电阻在启、制动期间不是常数。LPj Nw w2 2 2 1 1 2 2 n n dx 1 2 n

dx

N

(3)等效转矩法 假定不变损耗、电阻、主磁通及异步电动机的功率因数为常数时，则 电动机带各段负载时的电动机电流与其对应的电磁转矩 T , T ,...,T , 成正 比，由式(7-7)得等效转矩 T t T t T t T (7-8) t t t 只要 T T ,则电动机的发热校验通过。 注意：串励直流电动机、复励直流电动机不能用等效转矩法进行发热 校验，因为其负载变化时的主磁通不为常数。经常启、制动的异步电动机 也不能用等效转矩法进行发热校验，因为其启、制动时的功率因数不为常 数。 (4)等效功率法 假定不变损耗、电阻、主磁通、异步电动机的功率因数、转速为常数 时，则电动机带各段负载时的转矩与其对应的输出功率 P , P ,..., P 成正比， , 由式(7-8)得等效功率 P t P t P t P (7-9) t t t 只要 P P ,则电动机的发热校验通过。 注意：需要频繁启动、制动时，一般不用等效功率法进行发热校验； 只有次数很少的启、制动时，应先把启、制动各段对应的功率修正为 ， n P P 再进行发热校验，其中，n

为各启、制动阶段平均转速，且 。 n2 2

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

n n

i

i

N

对自冷式连续工作制电动机，因启、制动及 停车时的速度变化而使散热条件变差，以致电动 机的发热量增加。应将式(7-5)~式(7-9)的 分母中的启、制动时间乘以启、制动冷却恶化系 数 ,停车时间乘以停车冷却恶化系数 ,然后再 进行发热校验。对直流电动机，取 = 0.75、 = 0.5,对交流电动机，取 = 0.5、 =0.25。

电动机的额定功率 PN ,是指电动机在标准环境温 度(40℃)、在规定的工作制和定额下，能够连续输出 的最大机械功率，以保证其使用寿命。 如果所有的实际情况与规定条件相同，只要电动机 的额定功率 PN大于负载的实际功率 P ,就会使电动机 运行时实际达到的稳态温升 w 约等于额定温升 N ,既 能使电动机的发热条件得到充分利用，又能使电动机达 到规定的使用年限。但是，实际情况与规定的条件往往 不尽相同。在保证电动机能达到规定的使用年限的前提 下，如果实际环境温度与标准环境温度不同、实际工作 制与规定的工作方式不同、实际的短时定额与规定的短 时定额不同、实际的断续定额与规定的断续定额不同， 那么在选择电动机的额定功率PN 时，可先对电动机的 额定功率 PN 进行修正，使电动机的额定功率 PN 小于或 大于实际负载功率 P 。L L

3.电动机额定功率的修正

这样选择电动机，不会因额定功率 PN 选得过大而使电动机的发热条件得 不到充分利用，也不会因额定功率 PN 选得过小而导致电动机过载运行而缩短 使用年限、甚至损坏。 连续工作制的电动机按连续工作制工作时，实际环境温度 不等于40℃时， PN 电动机额定功率 的修正值 40 P P 1 ( k 1) P (7-10) 式中 N ――额定温升 k――损耗比，即不变损耗与可变损耗之比 通过式(7-10)即可计算电动机在实际环温 时的额定功率 PN ,显然 40℃时，P P ; 40℃时， P 。 P 根据理论计算和实践，在周围环境温度不同时，电动机的额定功率可按表 7.2相应增减。' N N L N

N

N

N

N

表7.2 不同环境温度下，电动机额定功率的修正环境 温度 电机增减的百分 数 30℃ +8% 35℃ +5% 40℃ 0 45℃ -5% 50℃ -12.5% 55℃ -25%

连续工作制的电动机按短时工作方式运行时，电动机额定功 1 k e 率 PN 的修正值PN 为 P P P 1 e (7-11) t L / T ' N N t L / T L

连续工作制的电动机按周期断续工作方式运行时，电动机额 t t 定功率PN 的修正值 PN 为 P P P t (7-12) 短时工作制电动机的实

际工作时间 与短时定额 不同时， t 电动机额定功率 PN 的修正值PN 为 P P P t (7-13) 周期断续工作制电动机的实际负载持续率FCL%与断续定额 FCN%不同时，电动机额定功率 PN 的修正值 PN 为 FC % P P P (7-14) FC % 另外，短时工作制电动机与周期断续工作制电动机可以在一 定条件下相互替用，短时定额与断续定额的对应关系近似为：30 min相当于是15%,60 min相当于25%,90 min相当于40%。' L 0 N N L L ' N N N L L' N N N L L