汽輪機(jī)盤車裝置電動(dòng)機(jī)的功率選擇

歐楚雄，盧平

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000)

0 前言

電動(dòng)機(jī)的功率選擇廣泛存在于各種工程應(yīng)用中，汽輪機(jī)盤車裝置電動(dòng)機(jī)的功率選擇就是一個(gè)典型的例子。選擇一個(gè)功率合適的盤車電動(dòng)機(jī)，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(jī)盤車裝置用的電動(dòng)機(jī)一般是交流異步電動(dòng)機(jī)，要選擇其功率等級(jí)，需要計(jì)算軸系的負(fù)載阻力矩，研究交流異步電動(dòng)機(jī)的力矩特性和汽輪機(jī)軸系的阻力矩變化過程，然后根據(jù)設(shè)備的負(fù)荷阻力矩需求和負(fù)載轉(zhuǎn)速，計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的理論功率。

汽輪機(jī)盤車裝置是典型的重載啟動(dòng)設(shè)備，啟動(dòng)時(shí)載荷很大，額定轉(zhuǎn)速下載荷則減小很多，約等于啟動(dòng)時(shí)載荷的一半。對(duì)于這類重載啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，需要分別計(jì)算并校核啟動(dòng)工況和額定工況下的電動(dòng)機(jī)功率。而對(duì)于其他應(yīng)用中的空載啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，則只需要考慮額定工況。

1 汽輪機(jī)軸系阻力矩計(jì)算

汽輪機(jī)盤車裝置需要盤動(dòng)整個(gè)汽輪發(fā)電機(jī)軸系，因而需要計(jì)算軸系的阻力矩，以作為盤車電動(dòng)機(jī)功率選擇的輸入條件，其計(jì)算公式見式（1）。

其中：

TB為負(fù)載設(shè)備阻力矩（軸系阻力矩），N·m；fn為軸承摩擦系數(shù)，kW；

Wn為軸承重力載荷，N；

dn為軸承直徑，m；

n為軸承編號(hào)。

以上公式為汽輪機(jī)軸系 （包含n個(gè)軸承）阻力矩計(jì)算的一般表達(dá)式。 軸系靜態(tài)啟動(dòng)時(shí)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(dòng)摩擦阻力矩。

2 交流異步電動(dòng)機(jī)的力矩特性

要選擇盤車電動(dòng)機(jī)的功率，必須要研究電動(dòng)機(jī)的特性曲線，交流異步電動(dòng)機(jī)的特性曲線如圖1所示 （橫坐標(biāo)為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為電動(dòng)機(jī)輸出力矩）。

圖1 異步電動(dòng)機(jī)的特性曲線圖

由上述交流電動(dòng)機(jī)的特性曲線進(jìn)行分析可以看出：

· 電動(dòng)機(jī)剛剛啟動(dòng)時(shí) （即電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為0時(shí)）的輸出力矩為Ts。

·電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，電動(dòng)機(jī)輸出力矩將不斷下降，并下降到一個(gè)啟動(dòng)過程的最小輸出力矩Tmin，Tmin/Tn=λ，λ稱為過載倍數(shù)，即電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中的最小輸出力矩與額定力矩的比值。

· 到達(dá)Tmin點(diǎn)后，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，電動(dòng)機(jī)輸出力矩將不斷增加，并將增加到最大輸出力矩Tmax。

· 到達(dá)Tmax點(diǎn)后，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，電動(dòng)機(jī)輸出力矩將不斷下降，此時(shí)電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。電動(dòng)機(jī)的額定工況也位于該區(qū)域，并輸出額定力矩Tn，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速。

·電動(dòng)機(jī)理論上運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速時(shí)的輸出力矩為0，事實(shí)上交流異步電動(dòng)機(jī)只有在外力的拖動(dòng)下才會(huì)達(dá)到同步轉(zhuǎn)速。

·電動(dòng)機(jī)從轉(zhuǎn)速0加速到額定轉(zhuǎn)速這個(gè)啟動(dòng)過程中，存在一個(gè)最小輸出力矩Tmin（可由廠家的電動(dòng)機(jī)力矩特性查得），這個(gè)啟動(dòng)過程中的最小輸出力矩Tmin將影響到重載啟動(dòng)裝置中電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)。理論上如果重載啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載阻力矩大于Tmin，則電動(dòng)機(jī)將無法順利加速至額定轉(zhuǎn)速。

·電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下可以提供額定輸出力矩Tn，這時(shí)若負(fù)載阻力矩增加或減小，電動(dòng)機(jī)將通過轉(zhuǎn)速微小的減小或增加來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)輸出力矩與負(fù)載阻力矩的匹配。若負(fù)載阻力矩增加到大于Tmax，則電動(dòng)機(jī)將發(fā)生堵轉(zhuǎn)，即電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將越過Tmax點(diǎn)并停轉(zhuǎn)，故Tmax又稱為堵轉(zhuǎn)力矩。

3 電動(dòng)機(jī)功率的基本計(jì)算公式

電動(dòng)機(jī)功率的基本計(jì)算公式見式 （2）。

其中：

Nt為電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算值，kW；

K為安全余量系數(shù)，建議取為1.4；

TB為負(fù)載設(shè)備阻力矩，N·m；

nt為負(fù)載設(shè)備轉(zhuǎn)速，r/min；

η為傳動(dòng)系統(tǒng)效率與電動(dòng)機(jī)效率之積。

由以上公式可以看出，電動(dòng)機(jī)功率和負(fù)載設(shè)備阻力矩與轉(zhuǎn)速的乘積成正比，和傳動(dòng)系統(tǒng)效率與電動(dòng)機(jī)效率的乘積成反比，K表示一定的設(shè)計(jì)安全余量。

4 汽輪機(jī)盤車裝置電動(dòng)機(jī)的功率選擇及校核

汽輪機(jī)盤車裝置屬于重載啟動(dòng)設(shè)備，這類設(shè)備電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)帶的是較大的啟動(dòng)阻力矩（靜摩擦阻力矩），而一旦設(shè)備順利啟動(dòng)，負(fù)載阻力矩則會(huì)迅速下降，變成相對(duì)較小的動(dòng)摩擦阻力矩。因而需要分別計(jì)算兩個(gè)狀態(tài)下的電動(dòng)機(jī)功率，即啟動(dòng)時(shí)的電動(dòng)機(jī)功率和額定轉(zhuǎn)速下的電動(dòng)機(jī)功率，取兩者之中的較大值作為最終的電動(dòng)機(jī)功率選擇值。

4.1 啟動(dòng)時(shí)的電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算及校核

4.1.1 電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算

盤車裝置電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的功率計(jì)算公式見式（3）。

其中：

Nt為電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算值，kW；

K為安全余量系數(shù)，建議取為1.4；

TB為負(fù)載設(shè)備阻力矩，N·m；

nt為負(fù)載設(shè)備轉(zhuǎn)速，r/min；

η為傳動(dòng)系統(tǒng)效率與電動(dòng)機(jī)效率之積；

λ為電動(dòng)機(jī)過載倍數(shù)。

將靜摩擦阻力矩代入以上公式就可得出啟動(dòng)時(shí)的電動(dòng)機(jī)功率計(jì)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(gè)電動(dòng)機(jī)過載倍數(shù)λ，即可以應(yīng)用電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的過載能力來克服啟動(dòng)時(shí)的重載。

4.1.2 電動(dòng)機(jī)功率選擇及校核

根據(jù)計(jì)算所得的啟動(dòng)時(shí)所需的電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算值Nt，可以按GB 4826－84 《電動(dòng)機(jī)功率等級(jí)》選擇相近的一個(gè)功率P1，該電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中輸出的最小力矩Tmin必須大于所需的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即滿足式（4）的要求。

其中：

Tmin為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中輸出的最小力矩，N·m；

TB'=TB×nt/nm為電動(dòng)機(jī)端的阻力矩， N·m；

TB為負(fù)載設(shè)備阻力矩，N·m；

nt為負(fù)載設(shè)備轉(zhuǎn)速，r/min；

nm為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min；

KS為保證電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)有足夠加速力矩的系數(shù)， 取 1.15～1.25；

Ku為啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)端電壓與額定電壓之比，取0.9。

4.2 額定狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算及校核

4.2.1 電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算

額定狀態(tài)下的電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算可按照式（2）計(jì)算，將額定狀態(tài)下的動(dòng)摩擦阻力矩代入式（2）則可計(jì)算出額定狀態(tài)下的電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算值Nt。

4.2.2 電動(dòng)機(jī)功率選擇及校核

根據(jù)額定狀態(tài)下的電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算值Nt，按照GB 4826－84《電動(dòng)機(jī)功率等級(jí)》選擇相近的一個(gè)功率P2，該電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩Tn必須大于額定狀態(tài)下的負(fù)載轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)額定輸出力矩；

TB'=TB×nt/nm為電動(dòng)機(jī)輸出端的阻力矩，N·m；

TB為負(fù)載設(shè)備阻力矩，N·m；

nt為負(fù)載設(shè)備轉(zhuǎn)速，r/min；

nm為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min；

1.4為安全系數(shù)，可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)調(diào)整。

4.3 電動(dòng)機(jī)功率最終確定

根據(jù)4.1及4.2，可以得到P1及P2兩個(gè)電動(dòng)機(jī)功率，然后取兩個(gè)功率中的較大者作為最終選擇的電動(dòng)機(jī)功率P，即P滿足以下公式的要求。

5 空載啟動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)的功率選擇

對(duì)于空載啟動(dòng)設(shè)備，如工業(yè)用的泵、壓縮機(jī)等設(shè)備的電動(dòng)機(jī)所經(jīng)歷的負(fù)載情況與重載啟動(dòng)裝置完全不同，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)是空載，基本上相當(dāng)于零負(fù)荷，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后才逐漸加載至額定載荷。因此對(duì)于空載啟動(dòng)設(shè)備所配的電動(dòng)機(jī)，不需要考慮啟動(dòng)過程，僅需要考慮額定狀態(tài)。空載啟動(dòng)設(shè)備的電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)功率。

6 交流電動(dòng)機(jī)的功率等級(jí)選擇標(biāo)準(zhǔn)

交流電動(dòng)機(jī)的功率等級(jí)不是隨意確定的，需按GB 4826選擇，250 kW以下的電動(dòng)機(jī)功率等級(jí)按表1選擇。

表1 250 kW以下電動(dòng)機(jī)功率等級(jí)單位：kW

250 kW以上的電動(dòng)機(jī)功率等級(jí)按表2選擇：

表2 250 kW以上電動(dòng)機(jī)功率等級(jí)單位：kW

7 結(jié)束語

電動(dòng)機(jī)功率需根據(jù)電動(dòng)機(jī)的使用過程來選擇，即需要區(qū)分重載啟動(dòng)和空載啟動(dòng)兩種類型。汽輪機(jī)盤車裝置屬于重載啟動(dòng)設(shè)備，應(yīng)該同時(shí)考慮啟動(dòng)狀態(tài)和額定狀態(tài)來選擇電動(dòng)機(jī)的功率等級(jí)，而對(duì)于空載啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，則只需考慮額定狀態(tài)。

[1]徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

[2]國家標(biāo)準(zhǔn)局.GB 4826-1984電動(dòng)機(jī)功率等級(jí)[S].1984.