起重机用电动机额定功率的修正

2013-08-01高志柯

太原科技大学学报 2013年2期

高志柯，文豪，陈璞，马亮

(1.太原科技大学机械工程学院，太原030024;2.山西省电机制造有限公司，太原030012;3.海南航空技术有限公司，海口571126)

根据起重机械的工作性能和构造特点，很大程度上取决于驱动装置。驱动装置是构成起重机械的重要组成部分，因此，对于设计人员来说，合理选择驱动装置很重要。

在起重机械上电力驱动是最主要的驱动形式，其中关于电动机的选择十分重要，尤其是电动机额定功率的选择，如果按照理论计算结果直接选取电动机的额定功率，在实际中就会出现两种情况，即选“大’(大马拉小车)[1]和选”小”(小马拉大车)[2-3]，这是不可取的，往往需要与工程实际相结合，根据实际情况对电动机的额定功率值进行合理的修正，才能符合实际需要，达到既经济，又可靠。

以往的论文只研究了电动机选择问题，没有具体针对起重机械上电动机功率的具体影响因素，而起重机工作的温度环境各种各样，有高有低，比如冶金用起重机，在其工作环境下的温度会高很多，所以有必要研究不同环境温度下，对起重冶金用电动机额定功率的修正。

1 电动机的额定功率值

电动机的功率是指电动机实际所带负载的能力。电动机铭牌上所标的额定功率是指电动机在标准环境温度(一般环境为40℃，冶金环境H级绝缘等级时为60℃)和海拔高度小于1 000 m时，电动机带额定负载连续工作时轴上的输出功率。

从电动机的内部结构来看，与各类金属零部件相比，电动机的绝缘材料是受发热影响最大、耐热最薄弱的环节[4]。绝缘材料的允许温度，就是电动机的允许温度;绝缘材料的寿命，一般也就是电动机的寿命;绝缘材料的允许温升是电动机温度与周围环境的差值[5]，电动机的额定功率就是确保绝缘材料不过热的输出功率，绝缘材料的等级不同，电动机的额定功率也不同。电动机常用的绝缘材料等级分为 A、E、B、F、H 五种[6]，如表1 所示。

任何一台电动机在实现机电能量转换的过程中都要产生损耗，总有一部分能量损耗在电动机内部，并转化为热能QN，即额定损耗，使电动机的温度升高[7]。

设电动机长期额定负载运行达到稳定温升(τW=τmax)时的额定功率PN为:

表1 绝缘材料与温升Tab.1 Insulation materials and temperature rise

而电动机的额定损耗为:

由此可知电动机额定功率的影响因素:

1)绝缘材料允许温升τmax:提高绝缘材料等级以增大稳态温升τW，可以提高电动机的额定功率，这是目前的发展趋势。

2)电动机散热系数A:对同一台电动机，采用加装冷却风扇或带散热筋的机壳等措施来改善散热条件，可以提高电动机的额定功率。

3)电动机额定效率ηN:降低电动机损耗以提高其效率可以增大额定功率;

由公式(1)和(2)可推出:

2 环境温度对电动机额定功率值的修正

我国地域广大，西高东低，南热北寒，四季气温变化大，电机运行时的周围介质温度不可能正好是40℃，如果按铭牌上电动机的容量来选择，可能欠载也可能过载，长期欠载和过载都不好。如果容量选小了，电动机过载运行，使电动机温度超过允许的限度，造成电动机过早损坏;如果容量选的过大，电动机容量不能被充分利用，效率较低，运行费用高，不经济[8]。因此，必须让电动机在工作过程中，功率被充分利用，达到国家规定的标准温升。

由上述因素可知，绝缘材料允许温升的改变会对电动机额定功率的产生一定的影响，下面针对此种情况做如下分析:

电动机常年在高海拔(海拔高度1 000 m～4 000 m)地区工作时，以对流为主要散热方式的电动机，散热条件变差，导致电动机绝缘材料最高允许温升限值随海拔高度升高而降低，其最高允许温升限值降低率为:在1 000 m的基础上每超过100 m下降原有温升限值(表1)的1%[9]，见表2.

表2 绝缘材料的允许温升修正值Tab.2 The modified value of allowable temperature rise of insulation materials

国内相关标准规定:与上述温升补偿量相对应的电动机运行地点的假定最高环境空气温度(即假定标准环境温度)如表3所示(以最高环境空气温度为40℃、海拔不超过1 000 m为基准)。

表3 假定的最高环境空气温度[10]Tab.3 The assumption of the top environment air temperature

若实际工作环境温度θ(非标准环境温度)或海拔高度长年都比较高(或低)，从充分利用电动机的容量出发，应对电动机的额定功率值进行修正。

α—不变损耗Pf和额定负载下的可变损耗Pb之比，其值因电动机而异，一般情况下:普通直流电动机 α=1～1.5，冶金专用直流电动机 α=0.5～0.9，起重冶金专用中、小型三相绕线式异步电动机α=0.45～0.6，起重冶金专用大型三相绕线式异步电动机α=0.9～1.0，普通鼠笼式三相异步电动机α=0.5～0.7.

表4 修正后的绝缘材料允许温度Tab.4 Allowable temperature rise of insulation materials after modification

3 实例分析

表5，表6是在不同绝缘等级、随海拔高度和温度变化的电动机功率的修正。

表5 绝缘等级为F级、额定功率为10 kW、海拔小于1 000 m、α=0.5时对电机功率修正Tab.5 Modification of the motor rated power when insulation grade is F，motor rated power is 10 kW，height＜1 000 m，α=0.5

当海拔高度大于1 000 m时，绝缘材料允许温升修正如表2，周围标准环境温度修正如表3，在此基础上应对电动机的额定功率值进行重新修正。例如:当海拔2 000 m时，假定标准环境温度为30℃，F级绝缘材料的允许温度为134℃.

表6 绝缘等级为F级，额定功率为10 kW、海拔高度大于1 000 m小于2 000 m、α=0.5时对电机功率修正Tab.6 Modification of the motor rated power when insulation grade is F，motor rated power is 10 kW，1 000 m ＜height＜2 000 m，α=0.5