起重冶金专用电动机功率选型分析与研究

王全伟，郑 广，胡一剑，赵广立，文 豪

(1.太原科技大学 机械工程学院，太原 030024;2.山西省特种设备监督检验研究院，太原 030024)

起重冶金专用电动机主要指机械行业和冶金行业起重设备和类似设备用电动机，在主系列YZR和YZ电动机的基础上，为了拓宽应用领域开发设计了很多派生系列产品，广泛应用在石油、化工、军工、航天等场合[1]。该类型的电动机普遍具有较大的过载能力、较高的机械强度和较好的动态性能特点，主要用来拖动起重机械设备的各种工作执行机构以实现特定工艺运转，是一种电力传动形式的驱动装置。

目前，起重冶金专用电动机的主系列机型为YZR和YZ系列电动机[2]，具有量大面广的使用特点。随着技术的不断进步，电动机在能效水平、控制精度、环保水平等方面都有了显著提高，出现了更新换代的升级产品和派生系列新产品。电动机应用的首要环节就是功率选型(容量选择)，国内起重机设计规范明确指出：在进行电动机容量选择时，必须对电动机的过载和发热能力进行计算与校验[3]。

国内外研究多集中在传热学、电磁学、多场耦合等机理性分析方面，国内电机选型时主要依靠电机制造厂商提供的不同工作制的功率换算系数。例如，仲崇健[4]对从国内起重冶金电动机的理论方面对不同工作制功率进行了换算系数确定；王欣[5]通过热网络模型和参数估计的方法，开展感应电机定子绕组的温升过程的研究；波兰学者[6]采用有限元方法对鼠笼电机进行了瞬态电磁和热耦合现象进行分析；徳国学者[7]针对磁阻电机提出一种铁损和热预测方法，用于磁阻电机的效率提升。

综合来看，对于在起重机工作机构使用的起重冶金专用电动机，关键因素在于如何合理确定和充分利用电动机的额定容量，同时满足电动机不过载和不过热的基本原则。因此，对于起重冶金专用电动机功率选型，应结合起重机机构的工作特点和载荷特征，从额定功率和发热功率角度出发，综合分析和研究专用电动机的选型设计。

1 起重冶金专用电动机的技术特征

1.1 起重机对电动机的特殊要求

交流系统具有结构简单、使用方便、性价比高等优势，在各种起重机上应用相当广泛(约占90%以上)[8]。其中，YZR系列三相异步绕线转子电动机常以转子回路外接电阻的形式来提升拖动性能，尤其能实现满负荷快速启动，适合满载率高的频繁启制动的场合；YZ系列笼型电动机构造和价格上具有较大优势，甚至可以直接启动，适合小容量的不频繁启制动的场合。除此之外，起重机上使用的电动机还具有满足其自身工作特点的许多特殊性方面。

1)适应起重机间歇动作、短时重复、周期循环的工作方式。起重机的工作循环本身就具有周期性，一个完整循环中的各工作机构也处于间歇往复的“启动→运转→制动”，表现为一定规律的负载持续率(FS).专用电动机专门制定了与起重机工作制度相类似的电动机工作制，主要以断续周期工作制S3为主，标准接电持续率(JC)的值为15%、25%、40%、60%、100%，每个标准JC与某一工作机构的FS对应。

2)适应起重机动载交替、频繁正逆、变化载荷的载荷工况。起重机起吊负载时常处于满载和空载之间，工作机构频繁正向和反向的“启动→运转→制动”，启制动过程中存在着冲击和振动现象(变幅应力循环作用为主)。专用电动机采用特殊设计，具有较大且足够的启动(堵转)转矩倍数(启动能力)和最大转矩倍数(过载能力)，可同时满足起重机满(超)负荷启动、频繁正逆运转以及主机载荷波动范围大的高性能要求。

3)适应起重机在特种设备方面的高安全可靠性和恶劣作业环境的特殊要求。专用电动机采用高等级绝缘材料(F和H)，能适应较高的工作环境温度(40 ℃和60 ℃)，可靠性寿命较高。转子采用较大长径比(L/D)从而转动惯量(Jd)相对较小，启动迅速的同时还可降低机械过渡过程的损耗。高密封要求和高防护等级(IP44或IP54)，可适应露天、粉尘、振动、噪音等恶劣作业环境，甚至是高温、化学(燃/爆)、辐射(热/电磁/核)等多种危险环境因素。

因此，电动机应具有较强的自适应性和较“软”的机械特性；当起重机载荷发生变化时，电动机的电磁转矩(T)和转速(n)能随之发生相应改变，电力拖动系统具有长期稳定运行的工作点。

1.2 电动机的额定功率

从设计角度来看，额定功率是指电动机在铭牌规定的额定运行状态下其轴上输出的机械功率。额定运行状态的电动机和负载数据正好与机械特性上的额定点一一对应。起重冶金专用电动机产品规格以断续周期工作制S3为设计基准，铭牌数据的机械功率在设计时是以标准JC值、规定CZ值、绝缘材料等级、标准环境温度、标准海拔等来工作条件来设计制造，如表1所示。

表1 电动机的额定功率设计基准特征Tab.1 Design basis features of motor rated power

电动机工作制是指电动机通电工作时所承受的一系列上述负载状况类型的规定与说明，包括启动、电制动、空载、停机和断能及其持续时间和先后顺序等[9]。起重机为典型的断续周期工作制，其负载特点在工作性质上接近于S3断续周期工作制或者S4包括启动的断续周期工作制。周期性断续工作方式下电动机的负载和温升过程如图1所示。电动机在工作循环时间t内由通电时间tg和停机断能时间t0组成，接电持续率(负载持续率)JC值为(tg/t)的比值。S3的tg包含一段恒定负载运行时间，而S4的tg还需考虑对温升有显著影响的启动时间。

图1 周期性断续工作制下电动机的负载和温升过程Fig.1 Load and temperature rise process of motor under intermittent periodic-type

从使用角度来看，额定功率则是满足电动机发热温升限定的重要问题，要保证电动机在最大机械负载状态下既可以长期使用而又不会出现过热损毁现象，这体现了电动机在最大出力和使用寿命的综合能力指标。

从运行特点来看，额定功率并不是固定不变的，而是随着电动机发热(或冷却)过程与温升改变而改变。电动机额定功率对温升热平衡(发热量=散热量)是按照基准工作制来进行考虑并设计制造，当工作制、允许温升、环境温度、海拔高度等发生变化时(非标准情况)应进行额定功率修正，各种非标环境工况下功率修正系数一般由电机制造厂商在样本中提供为准。

2 专用电动机容量选择的关键因素

2.1 电动机和负载的功率对应关系

电动机选型的普遍规则通常是按在规定条件下的额定功率(PN)与负载功率(PL)具有对应和对等的关系来进行的，但是在起重机的机构功率选型中，PN和PL的对比匹配并不能完全对应或实质等效，体现在如下因素。

1)电动机工作制和JC值。当电动机工作制发生变化或者工作制相同但实际JC值不同时，应进行额定功率换算和修正，亦可按与基准工作制达到相同温升值的原则来确定和修正额定功率(PN)。电动机工作制和JC值应由起重机工作机构的负载持续率(FS)来确定。

2)机构系统惯量增加率C值。电力拖动系统中，机构系统的转矩和惯量应进行“多轴→单轴”的等效折算，折算后的惯量增加率(C=ΣJ/Jd=ΣGD2/GDd2)必然大于1.C值大小与机构零部件设计选型密切相关，并随着机构载荷状态(满载/空载)和负载性质(阻抗性/位能性)的不同而有较大变化，起升机构的C值要远小于运行机构。

3)每小时全启动次数Z值。工作机构实际启动次数，多数情况下会多于S3规定(Z>6次/h)但又达不到S4规定(Z<150次/h)；同时，在启动或制动过程中还存在着点动(不完全启动)和电制动的影响。此时，拖动系统的启动和制动过程将对电动机内部温升产生影响，既不能忽略不计(S3)却又未达到显著程度(S4).

4)稳态负载平均功率PS.起重冶金专用电动机在进行功率选择时(PN≤PL)，负载功率(PL)采用的是考虑起重机工作特点的稳态负载平均功率PS=GPj，G为具有统计性质的稳态负载平均系数(G≤1)，考虑了机构满载率以及空载运转的有利影响；Pj为机构负载的计算功率，一般取满载静功率(起升/运行)或者等效功率(回转/变幅)。

5)机构使用工况的数值统计。根据国内相关起重机负载持续情况的统计分析，机构的工作制、FS、CZ、G会对电动机额定功率选型尤其是发热功率产生很大影响。从使用情况来看，此项工作应由行业或企业来完成，运用统计学方法对机构进行逐日统计分析，但有时机构使用工况在工作日(8小时/天)中表现的重复性和规律性不强甚至具有一定的随机性。

起重机工作机构在进行电动机容量初选后，需根据机构实际载荷特点和电动机设计能力，进行过载能力和发热能力校验，从而满足电动机“不过载”和“不过热”的选型要求。

2.2 电动机额定功率选择问题

电动机额定功率选择是设计中容易忽视和出问题的关键环节，工程师在依据负载功率(PL)确定额定功率(PN)时，普遍存在以下两种情况。

1)电动机额定功率选择“过小”(“小马拉大车”)。工程师的设计经验不够或对机构使用工况的统计数据获取不足时，例如，机构使用等级和载荷工况(工作级别)，机构载荷变化及载荷组合(最大/等效负载功率)，FS(JC)、CZ、G值的合理确定；从而在电动机选型设计中可能会出现PN“过小”的极端情况。此时，电动机长期过载运行从而电流增大损耗增加，内部发热过大严重影响效率；启动转矩不足将导致拖动系统出现启动困难(甚至无法启动)，甚至可能出现绝缘损坏烧毁电动机的现象；当电动机启动频次过多且长期过载运行，拖动系统的经济性较差，缩短寿命或过早损毁，引发安全事故隐患。

2)电动机额定功率选择“过大”(“大马拉小车”)。工程师的设计经验缺乏的同时，对机构载荷的估计偏大或设计中过于安全保守，反而在设计中又很容易出现PN“过大”的极端情况。此时，电动机长期欠载运行从而偏离了额定运转状态，降低了运行效率和功率因数；启动转矩过大将导致拖动系统出现启动迅猛(惯性冲击载荷)，传动零部件负荷增加影响经济寿命和可靠性；当电动机型号过大还会造成机构尺寸、自重以及成本增大，机构布置困难。

2.3 电动机的过载校核和发热验算

电动机额定功率选择“过小”会导致功率型号偏小，电动机即使勉强通过过载能力校验，却往往发热能力校验难以通过；电动机额定功率选择“过大”会导致功率型号偏大，电动机的过载能力校验和发热能力校验较容易通过，却又造成极大的浪费。

电动机过载能力校验是验算电动机克服机构在短时间内可能出现的较大工作负荷的能力，负载功率(PL)往往选择机构在最不利的载荷工况组合；电动机发热能力校验则是校验电动机在周期性间歇运行一段时间后的内部绕组温升是否合格，负载功率(PL)往往选择稳态负载平均功率PS，发热功率须考虑机构JC和CZ值的状态合理验算。起重冶金专用电动机的启动转矩和过载转矩倍数较大，经常出现过载能力容易保证而发热能力较难通过的现象，应进行发热功率计算和分析研究。

3 基于等值损耗法的电动机发热功率计算与分析

电动机在S3工作制、接电持续率(JC=40%)、无拖动惯量(C=1)、10 min相同工作周期(Z=6次/h)以及标准环境温度和海拔下，电动机的发热容量(PN)能比较容易的从试验中获得。当电动机每小时启动次数逐渐增多时(S3→S4)，其发热容量(PT)的确定应计入频繁启动过程中的发热因素，即电流动态负载及散热能力降低对温升过程的影响。

根据同型号电动机在S3与S4下的发热允许功率存在对应的折减关系(PS3=XPS4)，功率折减系数X的可采用等值损耗法来求解。等值损耗法的基本原理是保持S3和S4的总损耗值相等(QS3=QS4)；总损耗主要包括不变损耗(不随输出功率变化)和可变损耗(随输出功率变化)。同时，规定S3和S4的总运行时间、恒转矩负载特性、平均启动力矩、冷却系数等相应对等不变。功率折减系数X的具有如下关系[10]：

K=0

(1)

式中:nN为电动机额定转速(r/min)，PS3-JC为电动机在S3工作制某JC值时的功率(kW)，αS3-JC电动机在在S3工作制某JC值时损耗比(不变损耗/可变损耗)，hM为启动过程中平均冷却系数标幺值(启动过程平均冷却系数/额定转速时冷却系数)，K为电动机的平均启动力矩倍数。

对于某型号规格的电动机，根据电动机的铭牌数据以及原始设计技术参数，逐一确定发热计算公式，便可得到该电动机在S3工作值下的任意JC、CZ、K值时的发热容量(PT)，例如，YZR160L-6电动机，S3-JC40%，在不同CZ值、不同K值时的发热功率(PT)的动态变化如图2所示。

图2 YZR160L-6电动机的发热功率(S3-JC40%，不同CZ值、不同K值)Fig.2 Heating power of YZR160l-6 motor(S3-JC40%，different value of CZ and K)

通过图中三维坐标系(CZ、K、PT)数据的综合分析可以得出，通常CZ值在正常使用范围内(CZ≤1 500)时，K值变化对X值的影响不大(X≥0.5)；考虑实际的启动过程的拖动系统设计方案(YZR电动机的K常取为1.5～1.8)，K可取为1.7比较合理，这也是偏向较严的要求。

4 结论

通过起重冶金专用电动机功率选型分析与研究，可以总结出以下结论：

1)电动机的额定功率是变化的，随着工作制、允许温升、环境温度、海拔高度等变化而改变，各种非标环境工况下额定功率需要进行换算修正。

2)电动机铭牌数据的额定功率是在S3基准工作制、相同工作周期、规定接电(负载)持续率、标准环境工况下通过型式试验获得，但不能要求使用场合也完全遵循这一规定，要根据起重机机构的具体使用情况和场合来执行。

3)当机构使用工况与电动机设计工况不对应，尤其是需要计入频繁启动过程的发热影响时，根据某工作制固定JC值下的电动机，可进行任意CZ和K值的发热功率计算。