歐楚雄，盧平

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

0 前言

電動機的功率選擇廣泛存在于各種工程應用中，汽輪機盤車裝置電動機的功率選擇就是一個典型的例子。選擇一個功率合適的盤車電動機，可以在保證盤車裝置性能的前提下，盡可能地降低制造及采購成本。汽輪機盤車裝置用的電動機一般是交流異步電動機，要選擇其功率等級，需要計算軸系的負載阻力矩，研究交流異步電動機的力矩特性和汽輪機軸系的阻力矩變化過程，然后根據設備的負荷阻力矩需求和負載轉速，計算出電動機的理論功率。

汽輪機盤車裝置是典型的重載啟動設備，啟動時載荷很大，額定轉速下載荷則減小很多，約等于啟動時載荷的一半。對于這類重載啟動的電動機，需要分別計算并校核啟動工況和額定工況下的電動機功率。而對于其他應用中的空載啟動的電動機，則只需要考慮額定工況。

1 汽輪機軸系阻力矩計算

汽輪機盤車裝置需要盤動整個汽輪發(fā)電機軸系，因而需要計算軸系的阻力矩，以作為盤車電動機功率選擇的輸入條件，其計算公式見式（1）。

其中：

TB為負載設備阻力矩（軸系阻力矩），N·m；fn為軸承摩擦系數，kW；

Wn為軸承重力載荷，N；

dn為軸承直徑，m；

n為軸承編號。

以上公式為汽輪機軸系 （包含n個軸承）阻力矩計算的一般表達式。 軸系靜態(tài)啟動時的阻力矩即為靜摩擦阻力矩，而正常盤車狀態(tài)下的阻力矩為動摩擦阻力矩。

2 交流異步電動機的力矩特性

要選擇盤車電動機的功率，必須要研究電動機的特性曲線，交流異步電動機的特性曲線如圖1所示 （橫坐標為電動機轉速，縱坐標為電動機輸出力矩）。

圖1 異步電動機的特性曲線圖

由上述交流電動機的特性曲線進行分析可以看出：

· 電動機剛剛啟動時 （即電動機轉速為0時）的輸出力矩為Ts。

·電動機啟動后，隨著電動機轉速的升高，電動機輸出力矩將不斷下降，并下降到一個啟動過程的最小輸出力矩Tmin，Tmin/Tn=λ，λ稱為過載倍數，即電動機啟動過程中的最小輸出力矩與額定力矩的比值。

· 到達Tmin點后，隨著電動機轉速的升高，電動機輸出力矩將不斷增加，并將增加到最大輸出力矩Tmax。

· 到達Tmax點后，隨著電動機轉速的升高，電動機輸出力矩將不斷下降，此時電動機處于穩(wěn)定運行區(qū)域。電動機的額定工況也位于該區(qū)域，并輸出額定力矩Tn，此時電動機轉速為額定轉速。

·電動機理論上運行在同步轉速時的輸出力矩為0，事實上交流異步電動機只有在外力的拖動下才會達到同步轉速。

·電動機從轉速0加速到額定轉速這個啟動過程中，存在一個最小輸出力矩Tmin（可由廠家的電動機力矩特性查得），這個啟動過程中的最小輸出力矩Tmin將影響到重載啟動裝置中電動機的啟動。理論上如果重載啟動電動機的負載阻力矩大于Tmin，則電動機將無法順利加速至額定轉速。

·電動機在額定轉速下可以提供額定輸出力矩Tn，這時若負載阻力矩增加或減小，電動機將通過轉速微小的減小或增加來實現(xiàn)電動機輸出力矩與負載阻力矩的匹配。若負載阻力矩增加到大于Tmax，則電動機將發(fā)生堵轉，即電動機轉速將越過Tmax點并停轉，故Tmax又稱為堵轉力矩。

3 電動機功率的基本計算公式

電動機功率的基本計算公式見式 （2）。

其中：

Nt為電動機功率計算值，kW；

K為安全余量系數，建議取為1.4；

TB為負載設備阻力矩，N·m；

nt為負載設備轉速，r/min；

η為傳動系統(tǒng)效率與電動機效率之積。

由以上公式可以看出，電動機功率和負載設備阻力矩與轉速的乘積成正比，和傳動系統(tǒng)效率與電動機效率的乘積成反比，K表示一定的設計安全余量。

4 汽輪機盤車裝置電動機的功率選擇及校核

汽輪機盤車裝置屬于重載啟動設備，這類設備電動機啟動時帶的是較大的啟動阻力矩（靜摩擦阻力矩），而一旦設備順利啟動，負載阻力矩則會迅速下降，變成相對較小的動摩擦阻力矩。因而需要分別計算兩個狀態(tài)下的電動機功率，即啟動時的電動機功率和額定轉速下的電動機功率，取兩者之中的較大值作為最終的電動機功率選擇值。

4.1 啟動時的電動機功率計算及校核

4.1.1 電動機功率計算

盤車裝置電動機啟動時的功率計算公式見式（3）。

其中：

Nt為電動機功率計算值，kW；

K為安全余量系數，建議取為1.4；

TB為負載設備阻力矩，N·m；

nt為負載設備轉速，r/min；

η為傳動系統(tǒng)效率與電動機效率之積；

λ為電動機過載倍數。

將靜摩擦阻力矩代入以上公式就可得出啟動時的電動機功率計算值。由以上公式可知，與公式（2）的差別僅僅是在分母中引入了一個電動機過載倍數λ，即可以應用電動機啟動時的過載能力來克服啟動時的重載。

4.1.2 電動機功率選擇及校核

根據計算所得的啟動時所需的電動機功率計算值Nt，可以按GB 4826－84 《電動機功率等級》選擇相近的一個功率P1，該電動機啟動過程中輸出的最小力矩Tmin必須大于所需的最大負載轉矩，即滿足式（4）的要求。

其中：

Tmin為電動機啟動過程中輸出的最小力矩，N·m；

TB'=TB×nt/nm為電動機端的阻力矩， N·m；

TB為負載設備阻力矩，N·m；

nt為負載設備轉速，r/min；

nm為電動機額定轉速，r/min；

KS為保證電動機啟動時有足夠加速力矩的系數， 取 1.15～1.25；

Ku為啟動時電動機端電壓與額定電壓之比，取0.9。

4.2 額定狀態(tài)下電動機功率計算及校核

4.2.1 電動機功率計算

額定狀態(tài)下的電動機功率計算可按照式（2）計算，將額定狀態(tài)下的動摩擦阻力矩代入式（2）則可計算出額定狀態(tài)下的電動機功率計算值Nt。

4.2.2 電動機功率選擇及校核

根據額定狀態(tài)下的電動機功率計算值Nt，按照GB 4826－84《電動機功率等級》選擇相近的一個功率P2，該電動機的額定轉矩Tn必須大于額定狀態(tài)下的負載轉矩并留有一定的安全余量，即滿足式（5）的要求。

Tn=9550×P2/nm為電動機額定輸出力矩；

TB'=TB×nt/nm為電動機輸出端的阻力矩，N·m；

TB為負載設備阻力矩，N·m；

nt為負載設備轉速，r/min；

nm為電動機額定轉速，r/min；

1.4為安全系數，可根據工程經驗適當調整。

4.3 電動機功率最終確定

根據4.1及4.2，可以得到P1及P2兩個電動機功率，然后取兩個功率中的較大者作為最終選擇的電動機功率P，即P滿足以下公式的要求。

5 空載啟動的交流電動機的功率選擇

對于空載啟動設備，如工業(yè)用的泵、壓縮機等設備的電動機所經歷的負載情況與重載啟動裝置完全不同，電動機啟動時是空載，基本上相當于零負荷，達到額定轉速后才逐漸加載至額定載荷。因此對于空載啟動設備所配的電動機，不需要考慮啟動過程，僅需要考慮額定狀態(tài)?？蛰d啟動設備的電動機功率選擇及校核只需要按照4.2章節(jié)的方式得出額定狀態(tài)下的功率P2，然后取P=P2就可以得出最終的電動機功率。

6 交流電動機的功率等級選擇標準

交流電動機的功率等級不是隨意確定的，需按GB 4826選擇，250 kW以下的電動機功率等級按表1選擇。

表1 250 kW以下電動機功率等級單位：kW

250 kW以上的電動機功率等級按表2選擇：

表2 250 kW以上電動機功率等級單位：kW

7 結束語

電動機功率需根據電動機的使用過程來選擇，即需要區(qū)分重載啟動和空載啟動兩種類型。汽輪機盤車裝置屬于重載啟動設備，應該同時考慮啟動狀態(tài)和額定狀態(tài)來選擇電動機的功率等級，而對于空載啟動的電動機，則只需考慮額定狀態(tài)。

[1]徐灝.機械設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1991.

[2]國家標準局.GB 4826-1984電動機功率等級[S].1984.