汽轮机盘车装置电动机的功率选择

2018-07-03欧楚雄卢平

东方汽轮机 2018年2期

欧楚雄，卢平

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

0 前言

电动机的功率选择广泛存在于各种工程应用中，汽轮机盘车装置电动机的功率选择就是一个典型的例子。选择一个功率合适的盘车电动机，可以在保证盘车装置性能的前提下，尽可能地降低制造及采购成本。汽轮机盘车装置用的电动机一般是交流异步电动机，要选择其功率等级，需要计算轴系的负载阻力矩，研究交流异步电动机的力矩特性和汽轮机轴系的阻力矩变化过程，然后根据设备的负荷阻力矩需求和负载转速，计算出电动机的理论功率。

汽轮机盘车装置是典型的重载启动设备，启动时载荷很大，额定转速下载荷则减小很多，约等于启动时载荷的一半。对于这类重载启动的电动机，需要分别计算并校核启动工况和额定工况下的电动机功率。而对于其他应用中的空载启动的电动机，则只需要考虑额定工况。

1 汽轮机轴系阻力矩计算

汽轮机盘车装置需要盘动整个汽轮发电机轴系，因而需要计算轴系的阻力矩，以作为盘车电动机功率选择的输入条件，其计算公式见式（1）。

其中：

TB为负载设备阻力矩（轴系阻力矩），N·m；fn为轴承摩擦系数，kW；

Wn为轴承重力载荷，N；

dn为轴承直径，m；

n为轴承编号。

以上公式为汽轮机轴系（包含n个轴承）阻力矩计算的一般表达式。轴系静态启动时的阻力矩即为静摩擦阻力矩，而正常盘车状态下的阻力矩为动摩擦阻力矩。

2 交流异步电动机的力矩特性

要选择盘车电动机的功率，必须要研究电动机的特性曲线，交流异步电动机的特性曲线如图1所示（横坐标为电动机转速，纵坐标为电动机输出力矩）。

图1 异步电动机的特性曲线图

由上述交流电动机的特性曲线进行分析可以看出：

· 电动机刚刚启动时（即电动机转速为0时）的输出力矩为Ts。

·电动机启动后，随着电动机转速的升高，电动机输出力矩将不断下降，并下降到一个启动过程的最小输出力矩Tmin，Tmin/Tn=λ，λ称为过载倍数，即电动机启动过程中的最小输出力矩与额定力矩的比值。

· 到达Tmin点后，随着电动机转速的升高，电动机输出力矩将不断增加，并将增加到最大输出力矩Tmax。

· 到达Tmax点后，随着电动机转速的升高，电动机输出力矩将不断下降，此时电动机处于稳定运行区域。电动机的额定工况也位于该区域，并输出额定力矩Tn，此时电动机转速为额定转速。

·电动机理论上运行在同步转速时的输出力矩为0，事实上交流异步电动机只有在外力的拖动下才会达到同步转速。

·电动机从转速0加速到额定转速这个启动过程中，存在一个最小输出力矩Tmin（可由厂家的电动机力矩特性查得），这个启动过程中的最小输出力矩Tmin将影响到重载启动装置中电动机的启动。理论上如果重载启动电动机的负载阻力矩大于Tmin，则电动机将无法顺利加速至额定转速。

·电动机在额定转速下可以提供额定输出力矩Tn，这时若负载阻力矩增加或减小，电动机将通过转速微小的减小或增加来实现电动机输出力矩与负载阻力矩的匹配。若负载阻力矩增加到大于Tmax，则电动机将发生堵转，即电动机转速将越过Tmax点并停转，故Tmax又称为堵转力矩。

3 电动机功率的基本计算公式

电动机功率的基本计算公式见式（2）。

其中：

Nt为电动机功率计算值，kW；

K为安全余量系数，建议取为1.4；

TB为负载设备阻力矩，N·m；

nt为负载设备转速，r/min；

η为传动系统效率与电动机效率之积。

由以上公式可以看出，电动机功率和负载设备阻力矩与转速的乘积成正比，和传动系统效率与电动机效率的乘积成反比，K表示一定的设计安全余量。

4 汽轮机盘车装置电动机的功率选择及校核

汽轮机盘车装置属于重载启动设备，这类设备电动机启动时带的是较大的启动阻力矩（静摩擦阻力矩），而一旦设备顺利启动，负载阻力矩则会迅速下降，变成相对较小的动摩擦阻力矩。因而需要分别计算两个状态下的电动机功率，即启动时的电动机功率和额定转速下的电动机功率，取两者之中的较大值作为最终的电动机功率选择值。

4.1 启动时的电动机功率计算及校核

4.1.1 电动机功率计算

盘车装置电动机启动时的功率计算公式见式（3）。

其中：

Nt为电动机功率计算值，kW；

K为安全余量系数，建议取为1.4；

TB为负载设备阻力矩，N·m；

nt为负载设备转速，r/min；

η为传动系统效率与电动机效率之积；

λ为电动机过载倍数。

将静摩擦阻力矩代入以上公式就可得出启动时的电动机功率计算值。由以上公式可知，与公式（2）的差别仅仅是在分母中引入了一个电动机过载倍数λ，即可以应用电动机启动时的过载能力来克服启动时的重载。

4.1.2 电动机功率选择及校核

根据计算所得的启动时所需的电动机功率计算值Nt，可以按GB 4826－84 《电动机功率等级》选择相近的一个功率P1，该电动机启动过程中输出的最小力矩Tmin必须大于所需的最大负载转矩，即满足式（4）的要求。

其中：

Tmin为电动机启动过程中输出的最小力矩，N·m；

TB'=TB×nt/nm为电动机端的阻力矩， N·m；

TB为负载设备阻力矩，N·m；

nt为负载设备转速，r/min；

nm为电动机额定转速，r/min；

KS为保证电动机启动时有足够加速力矩的系数，取 1.15～1.25；

Ku为启动时电动机端电压与额定电压之比，取0.9。

4.2 额定状态下电动机功率计算及校核

4.2.1 电动机功率计算

额定状态下的电动机功率计算可按照式（2）计算，将额定状态下的动摩擦阻力矩代入式（2）则可计算出额定状态下的电动机功率计算值Nt。

4.2.2 电动机功率选择及校核

根据额定状态下的电动机功率计算值Nt，按照GB 4826－84《电动机功率等级》选择相近的一个功率P2，该电动机的额定转矩Tn必须大于额定状态下的负载转矩并留有一定的安全余量，即满足式（5）的要求。

Tn=9550×P2/nm为电动机额定输出力矩；

TB'=TB×nt/nm为电动机输出端的阻力矩，N·m；

TB为负载设备阻力矩，N·m；

nt为负载设备转速，r/min；

nm为电动机额定转速，r/min；

1.4为安全系数，可根据工程经验适当调整。

4.3 电动机功率最终确定

根据4.1及4.2，可以得到P1及P2两个电动机功率，然后取两个功率中的较大者作为最终选择的电动机功率P，即P满足以下公式的要求。

5 空载启动的交流电动机的功率选择

对于空载启动设备，如工业用的泵、压缩机等设备的电动机所经历的负载情况与重载启动装置完全不同，电动机启动时是空载，基本上相当于零负荷，达到额定转速后才逐渐加载至额定载荷。因此对于空载启动设备所配的电动机，不需要考虑启动过程，仅需要考虑额定状态。空载启动设备的电动机功率选择及校核只需要按照4.2章节的方式得出额定状态下的功率P2，然后取P=P2就可以得出最终的电动机功率。