特殊负载下的电机设计相关问题

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现在需要设计一中频发电机，为凸极同步式，独立系统运行。转速为2400，极数为20极，频率为400赫兹。电机工作情况如下：以135kw运行5分钟，然后以13kw运行25分钟，如此交替循环运行。13kw时作为400赫兹中频电源输出；135kw为两路输出，除了包括13kw的400赫兹中频电源输出，同时还包括135-13kw的整流负载输出。
另外，电机在整个负载变化过程中，电压均保持恒定为220V（线值），转速均保持为2400，拟选取自然冷却方式。
请问，电机额定设计功率选取多少千瓦？线负荷，磁负荷，电流密度如何选取？

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特别感谢long98194版主和dream-ttt会员的指导。现把他们的意见发过来，供大家参考，并讨论。
对于常规水轮发电机，存在如下过载倍数与过载时间的关系，见图

因为所设计的电机额定功率一定是低于135kw，而高于13kw，因此对于5分钟的135kw输出一定是过载运行，25分钟的13kw是欠载运行。对照表格，1.25倍的过载允许持续5分钟，所以电机额定功率取为135/1.25=108kw，而且25分钟的欠载运行还可以使电机温升降下来。

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我的看法如下：
1、108kw的额定设计功率，是否还有进一步减小的空间？我们希望电机体积越小越好，主要是空间限制的考虑，而不是成本。
2、108kw的额定设计功率，在5分钟的过载运行时间内温升上升较快，在另外的25分钟欠载运行是否让电机冷却下来，并进行下一个循环？如果不能保证这一点，那么会导致电机来不及降温而烧毁。也就是说25分钟是否足够，如果不足够，那就意味着108kw的设计功率不够，还要进一步提高才能保证电机安全。

还请各位达人发表意见，指导此电机设计，拜谢。

张老五

首先，不用看水轮机的过载能力标准，那是完全不同的东西。
其次，从电气的角度来说，无论是过载还是欠载，都要保持输出性能，这跟磁路和电路的设计有关，具体的我就不说了。
第三、从机械的角度来看，所有相关的机械强度，比如轴径、支撑、绑扎等，都应该按照最大输出时进行设计和计算。
第四、一般来说，过载，实际是一个发热的问题，所以，对于这样的周期性负载，完全可以用均方根电流进行折算。这台电机既然输出电压不变，那么用功率折算也是可以的。这样计算下来，差不多相当于56KW的恒载电机。
最后，这只是粗略的估算，实际上，温度计算是一件相当困难的事情，负载变了，可能散热条件也有变化，精确计算是很难的，仅供参考。

标准答案

基本同意老五的意见，并补充以下意见供参考：
1 完全同意老五的第一至第三条意见，希望楼主能认真体会。
2 你的这台电机在设计时除了考虑你一楼提到的额定功率如何选取的问题，还应该考虑中频、带非线性负载等因素，特别是带整流负载的因素建议你要给予充分重视。
3 现重点针对你所说的周期性负载的功率如何选取的问题：
3.1  首先应该知道电机带周期性负载时的平均温升与负载函数的关系，这个平均温升应该与负载函数的平方在一个周期内的平均值大概成正比，也就是说将负载函数的平方在一个周期时间内求积分，然后再除以一个周期内的时间。对于你这个特定例子，就是（135^2x5+13^2x25）/30=3178.33，即平均温升取决于3178.33这个值。
3.2  把3178.33折算成恒定功率即将其开平方得56.38kw。
3.3  上述两条说明了电机带你的周期性负载与带56.38kw的恒定负载其平均温升是相当的，但并不能就按56.38kw的恒定负载去进行电磁设计，因为在带你的周期性负载时电机的温升是一个锯齿形的曲线，前5分钟135kw时温升急剧上升，后25分钟13kw时缓慢下降，其温升平均值与带56.38kw恒定负载的温升相当，试想前5分钟的温升必然会高于这个平均温升，而此时也要确保最高温升不能超过相应绝缘等级的温升限。
3.4  那么接下来就是如何确定前5分钟的最高温升会比平均温升高多少的问题了。我们假设在前5分钟电机只发热而来不及散热（这是最严酷的），这时电机的温升就是电机的发热量除以电机的热容量，而你这台电机的热容量不知道，只能依靠经验值，我原来的公司曾做过大量的140kw左右的同步电机，根据本人的经验，通常在做温升试验时，当温升稳定后再过载110%前5分钟的温升上升很快，对F~H级绝缘这个“超额”温升大约为10K左右，假设你设计的电机采用F~H级绝缘，这样你若按上述56.38kw设计，就必须空出前5分钟带135kw负载的温升余量来，注意我前面说的是“温升稳定后再过载110%前5分钟的温升”大约是10K，而你若按56.38kw设计，温升稳定后再带135kw的负载相当于过载2.39倍，它会比1.1倍过载的温升高很多，约与2.39/1.1的平方成正比，即4.7倍，也就是说若按56.38kw设计，温升稳定后再带135kw的负载5分钟的温升为47k，因此若按56.38kw设计时温升限值必须比标准的温升限值低47k才能行，若按F极温升限值110k算，你若按56.38kw设计时温升限值必须是63k，那么我们应该采用多少恒定功率才能按正常的温升限值设计电机呢，根据功率平方与温升大致成正比的规律，大约按70kw的恒定负载去设计该电机较为合适。
4 以上是仅考虑了带标准正弦三相负载时的估算结果，没有考虑非线性负载的因素，若考虑到该因素建议你再放大一个系数，如果是不可控整流建议你放大到84kw，如果采用spwm策略控制各相电流的整流则适当放大到74kw即可。
5 机械结构设计必须按135kw设计。
6  至于线负荷，磁负荷，电流密度如何选取？可参照相应的冷却方式的规范选取即可，对IC01冷却方式，建议A取28~35A/mm;B取0.8左右；J取6~7A/mm*2。
7  注意由于频率较高，建议硅钢片选较高牌号的270或310，这个老张是内行，我就不班门弄斧了。

以上意见供参考！

张老五

回复 5# 标准答案


   标准答案兄你太牛了，简直佩服不已。
不过我还是有一点点的不同意见（貌似不同意见已经成了我的招牌）。
首先要说的是，5分钟过载时按绝热体计算是没有必要的。从工作状况来说，这台电机应该理解为处在周期性的发热-散热过程中，其过载发热的温度起点，恰好是散热过程的温度终点，也就是说，可以当作是整个周期上的温度最低点，此点并不等同于56KW时的额定温度点，实际上要比这个点更低一些。
其次，以上的计算也好考虑也好，都是按正常情况下的功率来算的，没有考虑散热因素。如果在功率不变的前提下加强散热，一样可以达到效果。换句话说，假设电机按56KW设计，但加强了散热能力后，从发热角度来说，这台电机也就跟70KW相当了。当然，我前面说的56KW只是粗略的估算，作个参考而已，其实我觉得放到70KW也是比较合适的，只不过我只是想想而已，拿不出依据来。
从散热角度来说，一是适当增加气隙，增大内风扇。二是有可能的话采用开启式的结构（既然已经决定了用自然冷却，那就不可能再用水冷或者水套冷却了）。三是要加强铁心同机座散热，考虑机座同铁心之间用过盈配合，甚至热套。四，机座本身的散热也要加强，考虑用树脂砂来做铸件，增加散热筋的数量等等，兰州电机厂有这样的技术，是引进西门子的。另外，也可以考虑用特殊的结构，比如美国佬喜欢的，reliance的那种，没有机座，直接用冲片压紧构成机座的，这样散热更好。
最后说说硅钢片的选择。这台电机频率达到了400HZ，那么用310还是不够。高频电机用的硅钢越薄越好，现在有0.2厚度的，20AT1200或者20AT1500，不过这两个牌号产量很少，不一定买得到，另外现在0.27或者0.3的硅钢也是如此，都还属于试生产状态。既然如此，那就买0.35的好了，用270或者250.此外，还有一种AH系列的硅钢，性能会更好些，B35AH250也许更合用。

张老五

还想起一点东西
绝缘的温升限值从本质上来说是一个平均值，而不是瞬时值。而这台电机的温度曲线明显也是周期性的，所以最高点略高于限值，并非不可接受。从这点上说，是可以再放宽一点的。
最简单的办法，搞成H级绝缘好了，温升限值一下子可以放20K出来。

标准答案

1  其实我在5楼的说法在理论上存在许多不够严密的地方，其中老五所指正的两点完全赞同，一是5分钟过载并不是绝热过程；二是5分钟过载时，起始温度并不是56KW时的平均温度，而是比它要低。上述两点因素都会影响到按56kw设计必须空出前5分钟带135kw负载的温升余量，也就是说没有必要空出47k那么大的余量。
    2  个人认为对于第一点，5分钟过载过程中，由于时间比较短暂，电机的散热量可以基本上按平均温度下的5分钟散热量计算，又由于5分钟过载倍数较大，在这5分钟内发热量远大于散热量，因此按绝热考虑引起的误差是不大的。对于第二点，5分钟过载时起始温度并不是56KW时的平均温度，而是比它低，到底低多少取决于电机的热时间常数及一个周期的负载函数有关，从电机温升温度后的温度曲线看（可惜我不会画图，不能给出该曲线），可以近似地把5分钟发热阶段和25分钟散热阶段的前5分钟看做一个等腰三角形，而散热的后20分钟近似看做完全在低温点的一条水平线（这样近似虽有误差，但个人认为误差不会太大），这样前十分钟的平均温度为等腰三角形的中位线，后20分钟的平均温度为等腰三角形的底线，若将这两条线在30分钟的一个周期内平均，会得到整个30分钟周期内的平均温度线，该线距最低温度（即等腰三角形的底线）的差值应为等腰三角形高的1/6（等腰三角形的高即为电机在一个负载周期内最高温度和最低温度之差），这样我们就可以把我5楼中所说的47k的温升余量减小到40k左右。
    3  由于温升理论只是提供一个设计时需要考虑的思路，由于计算中作了许多简化计算的假设，而且热传递本来就是一个复杂的过程，因此理论计算的温升存在很大误差，不必太在意这个计算值，也不必太在意理论分析中某些细节的因素，只要不离谱就OK了。
    4 我5楼的分析中还有一个理论问题，就是在56kw基础上进一步增大容量到70kw的分析也存在一定的欠缺，那就是扩容到70kw同样要留一定的温升余量，因为135kw对70kw同样是过载的，5分钟过载温度同样要比70kw平均温度高，我没有指出这个余量应该留多少，其实我在自己推导是是留了10k的余量的。
    5  所有这些分析其实都要归结到电磁负荷的选取及散热结构设计上，这点老五已经讲的很详细了，严重赞同他的观点。最后再次感谢老五的指正！

angelar

天啦，这水平到了什么地步了呀，我不是很懂，慢慢学吧，

long98194

受教了，两位高手对温升和容量都进行严密的分析，但是有一点没有说到，就是磁路的饱和问题，如果是按70KW来设计，我认为各部分的磁密不能取值太高，若按常规来取值当电机运行在135KW时，将是什么状况？深度饱和？同时对电机的励磁要求也很高。

标准答案

回复 10# long98194

磁密大小与电机的负载关系不大或者说基本无关，如果说有点关系那也就是电流大了漏阻抗压降会大一点而已，磁密略高些。磁密主要与电压有关。不知你说的“当电机运行在135KW时，将是什么状况？深度饱和？”是从何说起。
当然当电机运行在135KW时，励磁电流会很大，因此励磁系统必须按135kw的负载设计。

天涯浪子

拜读了！收获很大！2楼及3楼的说法相当的有道理，从等效发热来说该工作制也就相当于56KW左右的电机长期运行，对一般的F级绝缘B级温升考核的电机来说，一般都有1.25倍运行2小时温升不超过F级温升的考核吧，楼主要求的工作制的下的一个工作循环的等效发热要远小于1.25倍运行2小时的发热量，而且135kw运行5分钟，虽然温升速度比较快，但远没达到稳定发热，如果通风良好以及电机的热容量比较大的话，温升应该不会很高，定子绕组温升速度可以这么估算=K*K*Pcu1÷160（绝热），K为过载倍数，Pcu1为定子铜耗kw（小型电机约为额定功率的15%左右），假设所选的额定功率为56KW，那么定子绕组的温升为=2.411×2.411×56×0.15÷160×5×60=91.5K，计算主要是在没有进行电磁计算时做的估算。
励磁绕组的温升一定要考虑到135KW时的励磁电流了。
这么多的极数，电机体积应该也不小了，定子外径会比较大，不然那么多的磁极就摆布下了，转速还这么高，转子的机械强度千万不可忽视了。为什么不做成隐极的呢，那么电机就小多了，如果是做成隐极的话，定子外径用760mm就可以了。
硅钢片能用0.35mm的最好了，但是价格比较高，用0.5mm的270或310应该就可以，磁密算的低一点（1.1T以下），问题不大，铁耗对电机温升的影响还是相当大的，这一点楼主一定也要考虑的。
建议楼主按75kw左右来做电磁计算，对于短时过载可以按下面的公式来计算135kw  5分钟 的定子绕组发热情况：K×K×Pcu1×Ta÷C÷Gcu1=温升(K),K为过载倍数，Pcu1为定子铜耗（w），C为铜的比热（取380），Gcu1为定子铜重，Ta为短时过载时间，如果短时过载比较短可以按绝热考虑，对于楼主的这个工作方式，135kw时5分钟，就不能按绝热来考虑了，时间越长散出去的热量就越多，保守可取上述计算值的80%进行取值。时间越长打的折扣就越多，那么上述公式就不适用了。仅供参考！

天涯浪子

不知道发电机的功率因数是多少？

long98194

回复 11# 标准答案


    谢谢师爷指正！

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回复 13# 天涯浪子


    按照0.8设计

张老五

回复 10# long98194


    这跟饱和关系不大。实际上，频率越高，饱和度反而越低。主要考虑还是铁耗问题。一般50-470的材料，在1.5T时的铁损值大概是4.2-4.3W左右。但即便是35-270的材料，在400HZ和1.5T时，铁损会增加到30W以上。50-470估计要到50W了。所以我建议采用35-270或者250，并且把磁密取低点，取在1T左右，此时的铁损大概是16.5W，已经很高了，但再取低，电机体积就太大了，总要求得个平衡才行

long98194

回复  long98194

磁密大小与电机的负载关系不大或者说基本无关，如果说有点关系那也就是电流大了漏阻抗 ...
标准答案 发表于 2010-9-24 11:24

                               
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    我想说的饱和是指当按70KW来设计发电机励磁系统时，电机负载加大到135KW时，必须加大励磁才能维持电机额定电压的输出，如果原70KW时空载特性曲线工作接近于饱和段，故电压上升率相对比较慢，而楼主的电机作为电源，对电压要求比较高，因此各部分的磁密不能取值太高

标准答案

一台电机一旦做好，其空载特性就固定不变了，无论它带多大负载其空载特性是一样一样的！

long98194

回复 19# 标准答案


    师爷没理解我的意思，汗！我是说电机的空载特性曲线性线上较普通电机要好，不然将影响电压调整的上升率，从影响其作为电源的稳定性

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    师爷没理解我的意思，汗！我是说电机的空载特性曲线性线上较普通电机要好，不然将 ...
long98194 发表于 2010-9-25 14:11

                               
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龙版主，我这台电机在空载特性曲线上，工作点应该是不变的，因为负载在变化的时候，电压保持恒定。