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各种电机在运行过程中都会产生损耗,这些损耗一方面降低了电机运行时的效率,另一方面损耗转变为热能,温度上升。电机温度与四周冷却介质温度之差,称为温升,它是电机的一项重要性能指标。
绝缘材料是电机中耐热性最差的局部。所以发热问题直接关系到电机的使用寿命和运行的牢靠性。为了限制发热对电机的影响,使电机的温度不超过确定的数值,一方面要把握电机各局部的损耗,使发热量削减;另一方面要改善电机的冷却系统,提高其传热和散热力气,从而把电机内部的热量很快地传导和散发出去。
电机的温升不仅打算于负载的大小,还与负载的持续时间有关,即与电动机的工作方式有关。依据电机在运行于不同的机械负载和不同的工作方式,有其相应的负载功率计算方式,通过负载功率即可完成对电动机的选择。电力拖动系统进展适宜的电机选择,才能保证系统牢靠工作和经济地运行。
电机的根本运行条件
GB755-2023《旋转电机定额和性能》中规定的电动机的根本运行条件包括:对海拔高度、环境温度、冷却介质和相对湿度的要求,电气条件,运行期间电压和频率的变化,电机的中点接地等规定。
海拔:一般不超过1000M。特别要求,如微特电机的运行的海拔高度可达2500~
31200m。
最高环境空气温度:电机运行地点的环境温度随季节而变化,一般不超过40℃。但一些专用电机可超过40℃,微特电机的最高环境温度为125℃。
最低环境温度:对已安装就位处于运行或断电停转电机,运行地点的最低环境温度为-15℃;对微特电机最低空气温度为-55℃。对于用水作为初级或次级冷却介质的电机的最低环境空气温度为5℃。
环境空气相对湿度:电机运行地点的最湿月份月平均最高相对湿度为90%,同时,该月月平均最低温度不高于25℃。
电压和电流的波形对称性:对于沟通电动机,其电源电压波形的正弦性畸变率不超过5%;对于多相电动机,电源电压的负序重量不超过5%〔长期运行〕%〔不超过几分钟的短式运行〕,且电压的零序重量不超过正序重量的1%。
运行期间电压的偏差:当电动机的电源电压〔如为沟通电源时,频率为额定〕在额定值的95%~105%之间变化,输出功率仍能维持额定值。当电压发生上述变化时,电机的性能和温升允许偏离规定。
运行期间的频率偏差:但沟通电机的频率〔电压为额定〕额定值的偏差不超过±1%
时,输出功率仍能维持额定值。
电压和频率同时发生偏差:电压和频率同时发生偏差〔两者偏差分别不超过±5%和
±1%〕,假设两者都是正值,且其和不超过6%;或两者均为负值,或分别为正值和负值,且其确定值之和不超过5%时,电机输出功率仍能维持额定值。
9、电机的中性点接地:沟通电机〔Y连结〕应能在中性点处于接地电位或接近接地电位的状况下连续运行。假设电机绕组的线端与中性点端的绝缘不同,应在电机的使用说明书中说明,未征得电机厂同意,不允许将电机的中性点接地或将多台电机的中性点相互连接。
电机的绝缘材料和允许温升
电机温升是衡量电机性能的一个重要指标,它表征电机的内部损耗,即表征
绝缘等级
A
最高容许温度/
C
最高容许温升/K
105
60
E
120
75
B
130
80
F
155
105
H
180
125
电机发热的物理量。电机内部耐热性最差的局部就是绝缘材料。
电动机的绝缘等级
电动机在运行中,由于损耗产生热量,使电动机的温度上升,电动机所能容许到达的最高温度取决于电动机所用绝缘材料的耐热程度,称为绝缘等级。电动机的绝缘系统大致分为:绝缘电磁线、槽绝缘、相间绝缘、浸渍漆、绕组引接线、接线绝缘端子等。不同的绝缘材料,其最高容许温度是不同的。电机中常用的绝缘材料,按其耐热力气,分为A、E、B、F和H等五级。电机绝缘耐热等级及温度限值见下表:
表10-1 电机绝缘材料的最高容许工作温度
以前电动机最常用的绝缘等级为B级,目前最常用的绝缘等级为F级,H级绝缘也正在间续被承受。
绝缘材料依据耐热等级分级,在其极限温度时,于正常运行条件下,应能保证长期使用。对于一般电机在正常运行条件下的使用期限约为20年,绝缘材料的使用寿命与使用温度的关系是,电机运行温度每增加10℃,绝缘寿命减半。
电机各局部的允许温升
电机温度与四周冷却介质的温度 之差称为电机温升,用 表示,即
〔9-4〕
表示电机发热及散热状况的是温升,而不是温度。
当电机所用的绝缘材料确定后,电机的最高允许温度就确定了,此时温升的限值就取决于冷却介质的温度。一般电机中冷却介质是空气,它的温度随地区及季节而不同,为了制造出能在全国各地全年都能适用的电机,并明确统一的检查标准,国家标准规定:冷却空气的温度定为40oC。在此环境温度下,电机绕组的温升限值:E级绝缘为75oC,B级绝缘为80oC。
电机运行时,输出功率越大,则电流和损耗越大,温度越就越高,但最高温度不得超过绝缘的最高允许温度。因此,电机容许的长期最大输出功率〔即电机的容量或额定功率〕受绝缘的最高允许温度限制,或者说容量由绝缘的最高允许温度所打算。电机铭牌上所说明的额定功率就是指在标准的环境温度〔我国规定为40oC〕和规定的工作方式下,其温度不超过绝缘的最高允许温度时的最大输出功率。
电动机的工作方式
电动机工作时,负载持续时间的长短对电机的发热状况影响较大,对正确选择电动机的功率也有影响。电动机的工作制就是对电动机承受负载状况的说明。国家标准把电动机的工作制分为S1~S9共9类。下面介绍常用的S1、S2、S3三种工作制。
连续工作制〔S1〕
连续工作制是指电动机在恒定负载下持续运行,其工作时间足以使电机的温升到达稳定温升。纺织机、造纸机等很多连续工作的生产机械都选用连续工作制电动机。其典型负载图和温升曲线如图10-1所示。
对于连续工作制的电动机,我们取使其稳定温升τss恰好等于容许最高温升时的输出功率作为额定功率。
P
τ
P
τss
τR
O t t
R
图10-2短时工作制电动机的负载及温升曲线
短时工作制〔S2〕
短时工作制是指电动机拖动恒定负载在给定的时间内运行。该运行时间缺乏以使电动机到达稳定温升,随之即断电停转足够时间,使电动机冷却到与冷却介质的温差在2K以内。其典型负载图及温升曲线如图10-2所示。短时工作制标准时限为10min、30min、60min、90min。
为了充分利用电动机,用于短时工作制的电动机在规定的运行时间内应到达容许温升,并依据这个原则规定电动机的额定功率,即依据电动机拖动恒定负载运行,取在规定的运行时间内实际到达的最高温升恰好等于容许最高温升时的输出功率,作为电动机的额定功率。
断续周期工作制〔S3〕
电动机按一系列一样的工作周期运行,周期时间一般不大于10min,每一周期包括一段恒定负载运行时间tR,一段断电停机时间tS,但tS及tR都较短,tR时间内电动机不能到达稳定温升,而在tS时间内温升也未下跌到零,下一工作周期即已开头。这样,每经过一个周期tR+tS,温升便有所上升,经过假设干周期后,电动机的温升即在一个稳定的小范围内波动。其典型负载图和温升曲线如图10-3所示。
P
τm
t
R
t
t
S
t
R
R
t
S
τ
P
τss
O t
图10-3断续周期工作制电动机的典型负载图及温升曲线
不同工作制下电动机的功率选择
正确地选择电动机的额定功率格外重要。假设额定功率选小了,电动机常常在过载状态下运行,会使它因过热而过早地损坏;还有可能承受不了冲击负载或造成起动困难。额定功率选得过大也不合理,此时不仅增加了设备投资,而且由于电动机常常在欠载下运行,其效
率及功率因数等力能指标变差,铺张了电能,增加了供电设备的容量,使综合经济效益下降。确定电动机额定功率时主要考虑以下因素:一个是电动机的发热及温升;另一个是电动
机的短时过载力气。对于笼型异步电动机还应考虑起动力气。确定电动机额定功率的最根本的方法是依据机械负载变化的规律,绘制电动机的负载图,然后依据电动机的负载图计算电动机的发热和温升曲线,从而确定电动机的额定功率。所谓负载图,是指功率或转矩与时间的关系图。
ΔP
ΔP
1
ΔP
n
ΔP
3
τ
n
τ1
τ
τ3
2
ΔP
2
τ
1 2 3 t
O t t t t
n
图10-4周期性变化负载下连续工作制电动机的负载图及温升曲线
1〕连续工作制电动机额定功率的选择
恒定负载连续工作制电动机额定功率的选择
在选择连续恒定负载的电动机时,只要计算出负载所需功率P,选择一台额定功率P
L N
略大于P的连续工作制电动机即可,不必进展发热校核。对起动比较困难〔静阻转矩大或
L
带有较大的飞轮力矩〕而承受笼型异步电动机或同步电动机的场合,应校验其起动力气。
变值负载下电动机容量的选择
考虑到在过度过程中电机的电流较正常工作时大,而可变损耗与电流平方成正比,故电机发热较严峻。但平均功率P和平均转矩M中没有反映过度过程中电机发热加剧的状况,
zd zd
因此,电机额定功率按下式预选
Pe=(~)P
zd
在上式中,假设过渡过程在整个工作工程中占较大比重时,则系数(~)应选偏大
的数值。
对于短时工作制和重复短时工作制电动机容量的选择比较简洁,对于长时工作制,其校验也是比较简洁,在此就不一一介绍。但人们在工程实践中,总结出了某些生产机械选择电动机功率的有用方法。这些方法比较简洁,但有确定的局限性。如:统计分析法:
这种方法是将同类型生产机械所选用的电动机功率进展统计分析,找出电动机功率和该类生产机械主要参数之间的关系,再依据实际状况,定出相应的指数。例如我国的机械制造工业已经总结出了不同类型机床主传动电动机功率P的统计分析公式如下:
①车床
式中D——工件的最大直径m
②立式车床
式中D——工件的最大直径m
③摇臂钻床
P=(kW)
P=(kW)
P=(kW)
式中D——最大钻孔直径mm
④外圆磨床
式中B——砂轮宽度mm
P=(kW)
K——考虑砂轮主轴承受不同轴承时的系数,当承受滚动轴承时K=~,假设承受滑动轴承时K=~。
⑤、卧式镗床
P=(kW)
式中D——镗杆直径mm
⑥龙门刨床
式中B——工作台宽度mm
例如:我国C660车床的工件最大直径为1250mm,用上列公式计算出的主拖动电动机的功率为P=×=52kW。实际选用Pe=60kW的电动机。实际证明,所选用的电动机是适宜的。
电动机额定数据的选择
电动机的选择,除确定电动机的额定功率外,还需依据生产机械的技术要求、技术经济指标和工作环境等条件,合理地选择电动机的类型、外部构造形式、额定电压和额定转速。
电动机类型的选择
选择电动机类型的原则是在满足生产机械对过载力气、起动力气、调速性能指标及运行状态等各方面要求的前提下,优先选用构造简洁、运行牢靠、维护便利、价格廉价的电动机。
对起动、制动及调速无特别要求的一般生产机械,如机床、水泵、风机等,应选用笼型异步电动机。
对需要分级调速的生产机械,如某些机床、电梯等,可选用多速异步电动机。
对起动、制动比较频繁,要求起动、制动转矩大,但对调速性能要求不高,调速范围不宽的生产机械,可选用绕线转子异步电动机。
当生产机械的功率较大又不需要调速时,多承受同步电动机。
对要求调速范围宽、调速平滑、对拖动系统过渡过程有特别要求的生产机械,可选用他励直流电动机
电动机额定电压的选择
电动机的额定电压主要依据电动机运行场合配电电网的电压等级而定。我国中、小型三相异步电动机的额定电压通常为220V、380V、660V、3000V和6000V。额定功率大于100kW的电动机,选用3000V和6000V;小型电动机,选用380V;煤矿用的生产机械常承受380/660V的电动机。直流电动机的额定电压一般为110V、220V和440V。
国际上大多数国家的电源频率都是50Hz,而美洲国家如美国、加拿大、巴西、哥伦比亚以及台湾和韩国的电源频率都是60Hz。其电压有:460V、575V、2300V、4000V、6600V、13200V等。
电动机额定转速的选择
额定功率一样的电动机,额定转速高时,其体积小,价格低,由于生产机械的转速有确定的要求,电动机转速越高,传动机构的传动比就越大,导致传动机构简洁,增加了设备本钱和修理费用。因此,应综合考虑电动机和生产机械两方面的各种因素后再确定较为合理的
电动机额定转速。
对连续运转的生产机械,可从设备初投资,占地面积和运行维护费用等方面考虑,确定几个不同的额定转速,进展比较,最终选定适宜的传动比和电动机的额定转速。
常常起动,制动和反转,但过渡过程时间对生产率影响不大的生产机械,主要依据过渡过程能量最小的条件来选择电动机的额定转速。
电动机常常起动,制动和反转,且过渡过程持续时间对生产率影响较大,则主要依据过渡过程时间最短的条件来选择电动机的额定转速。