王全偉，鄭 廣，胡一劍，趙廣立，文 豪

(1.太原科技大學 機械工程學院，太原 030024;2.山西省特種設備監(jiān)督檢驗研究院，太原 030024)

起重冶金專用電動機主要指機械行業(yè)和冶金行業(yè)起重設備和類似設備用電動機，在主系列YZR和YZ電動機的基礎上，為了拓寬應用領(lǐng)域開發(fā)設計了很多派生系列產(chǎn)品，廣泛應用在石油、化工、軍工、航天等場合[1]。該類型的電動機普遍具有較大的過載能力、較高的機械強度和較好的動態(tài)性能特點，主要用來拖動起重機械設備的各種工作執(zhí)行機構(gòu)以實現(xiàn)特定工藝運轉(zhuǎn)，是一種電力傳動形式的驅(qū)動裝置。

目前，起重冶金專用電動機的主系列機型為YZR和YZ系列電動機[2]，具有量大面廣的使用特點。隨著技術(shù)的不斷進步，電動機在能效水平、控制精度、環(huán)保水平等方面都有了顯著提高，出現(xiàn)了更新?lián)Q代的升級產(chǎn)品和派生系列新產(chǎn)品。電動機應用的首要環(huán)節(jié)就是功率選型(容量選擇)，國內(nèi)起重機設計規(guī)范明確指出：在進行電動機容量選擇時，必須對電動機的過載和發(fā)熱能力進行計算與校驗[3]。

國內(nèi)外研究多集中在傳熱學、電磁學、多場耦合等機理性分析方面，國內(nèi)電機選型時主要依靠電機制造廠商提供的不同工作制的功率換算系數(shù)。例如，仲崇健[4]對從國內(nèi)起重冶金電動機的理論方面對不同工作制功率進行了換算系數(shù)確定；王欣[5]通過熱網(wǎng)絡模型和參數(shù)估計的方法，開展感應電機定子繞組的溫升過程的研究；波蘭學者[6]采用有限元方法對鼠籠電機進行了瞬態(tài)電磁和熱耦合現(xiàn)象進行分析；徳國學者[7]針對磁阻電機提出一種鐵損和熱預測方法，用于磁阻電機的效率提升。

綜合來看，對于在起重機工作機構(gòu)使用的起重冶金專用電動機，關(guān)鍵因素在于如何合理確定和充分利用電動機的額定容量，同時滿足電動機不過載和不過熱的基本原則。因此，對于起重冶金專用電動機功率選型，應結(jié)合起重機機構(gòu)的工作特點和載荷特征，從額定功率和發(fā)熱功率角度出發(fā)，綜合分析和研究專用電動機的選型設計。

1 起重冶金專用電動機的技術(shù)特征

1.1 起重機對電動機的特殊要求

交流系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、性價比高等優(yōu)勢，在各種起重機上應用相當廣泛(約占90%以上)[8]。其中，YZR系列三相異步繞線轉(zhuǎn)子電動機常以轉(zhuǎn)子回路外接電阻的形式來提升拖動性能，尤其能實現(xiàn)滿負荷快速啟動，適合滿載率高的頻繁啟制動的場合；YZ系列籠型電動機構(gòu)造和價格上具有較大優(yōu)勢，甚至可以直接啟動，適合小容量的不頻繁啟制動的場合。除此之外，起重機上使用的電動機還具有滿足其自身工作特點的許多特殊性方面。

1)適應起重機間歇動作、短時重復、周期循環(huán)的工作方式。起重機的工作循環(huán)本身就具有周期性，一個完整循環(huán)中的各工作機構(gòu)也處于間歇往復的“啟動→運轉(zhuǎn)→制動”，表現(xiàn)為一定規(guī)律的負載持續(xù)率(FS).專用電動機專門制定了與起重機工作制度相類似的電動機工作制，主要以斷續(xù)周期工作制S3為主，標準接電持續(xù)率(JC)的值為15%、25%、40%、60%、100%，每個標準JC與某一工作機構(gòu)的FS對應。

2)適應起重機動載交替、頻繁正逆、變化載荷的載荷工況。起重機起吊負載時常處于滿載和空載之間，工作機構(gòu)頻繁正向和反向的“啟動→運轉(zhuǎn)→制動”，啟制動過程中存在著沖擊和振動現(xiàn)象(變幅應力循環(huán)作用為主)。專用電動機采用特殊設計，具有較大且足夠的啟動(堵轉(zhuǎn))轉(zhuǎn)矩倍數(shù)(啟動能力)和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)(過載能力)，可同時滿足起重機滿(超)負荷啟動、頻繁正逆運轉(zhuǎn)以及主機載荷波動范圍大的高性能要求。

3)適應起重機在特種設備方面的高安全可靠性和惡劣作業(yè)環(huán)境的特殊要求。專用電動機采用高等級絕緣材料(F和H)，能適應較高的工作環(huán)境溫度(40 ℃和60 ℃)，可靠性壽命較高。轉(zhuǎn)子采用較大長徑比(L/D)從而轉(zhuǎn)動慣量(Jd)相對較小，啟動迅速的同時還可降低機械過渡過程的損耗。高密封要求和高防護等級(IP44或IP54)，可適應露天、粉塵、振動、噪音等惡劣作業(yè)環(huán)境，甚至是高溫、化學(燃/爆)、輻射(熱/電磁/核)等多種危險環(huán)境因素。

因此，電動機應具有較強的自適應性和較“軟”的機械特性；當起重機載荷發(fā)生變化時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩(T)和轉(zhuǎn)速(n)能隨之發(fā)生相應改變，電力拖動系統(tǒng)具有長期穩(wěn)定運行的工作點。

1.2 電動機的額定功率

從設計角度來看，額定功率是指電動機在銘牌規(guī)定的額定運行狀態(tài)下其軸上輸出的機械功率。額定運行狀態(tài)的電動機和負載數(shù)據(jù)正好與機械特性上的額定點一一對應。起重冶金專用電動機產(chǎn)品規(guī)格以斷續(xù)周期工作制S3為設計基準，銘牌數(shù)據(jù)的機械功率在設計時是以標準JC值、規(guī)定CZ值、絕緣材料等級、標準環(huán)境溫度、標準海拔等來工作條件來設計制造，如表1所示。

表1 電動機的額定功率設計基準特征Tab.1 Design basis features of motor rated power

電動機工作制是指電動機通電工作時所承受的一系列上述負載狀況類型的規(guī)定與說明，包括啟動、電制動、空載、停機和斷能及其持續(xù)時間和先后順序等[9]。起重機為典型的斷續(xù)周期工作制，其負載特點在工作性質(zhì)上接近于S3斷續(xù)周期工作制或者S4包括啟動的斷續(xù)周期工作制。周期性斷續(xù)工作方式下電動機的負載和溫升過程如圖1所示。電動機在工作循環(huán)時間t內(nèi)由通電時間tg和停機斷能時間t0組成，接電持續(xù)率(負載持續(xù)率)JC值為(tg/t)的比值。S3的tg包含一段恒定負載運行時間，而S4的tg還需考慮對溫升有顯著影響的啟動時間。

圖1 周期性斷續(xù)工作制下電動機的負載和溫升過程Fig.1 Load and temperature rise process of motor under intermittent periodic-type

從使用角度來看，額定功率則是滿足電動機發(fā)熱溫升限定的重要問題，要保證電動機在最大機械負載狀態(tài)下既可以長期使用而又不會出現(xiàn)過熱損毀現(xiàn)象，這體現(xiàn)了電動機在最大出力和使用壽命的綜合能力指標。

從運行特點來看，額定功率并不是固定不變的，而是隨著電動機發(fā)熱(或冷卻)過程與溫升改變而改變。電動機額定功率對溫升熱平衡(發(fā)熱量=散熱量)是按照基準工作制來進行考慮并設計制造，當工作制、允許溫升、環(huán)境溫度、海拔高度等發(fā)生變化時(非標準情況)應進行額定功率修正，各種非標環(huán)境工況下功率修正系數(shù)一般由電機制造廠商在樣本中提供為準。

2 專用電動機容量選擇的關(guān)鍵因素

2.1 電動機和負載的功率對應關(guān)系

電動機選型的普遍規(guī)則通常是按在規(guī)定條件下的額定功率(PN)與負載功率(PL)具有對應和對等的關(guān)系來進行的，但是在起重機的機構(gòu)功率選型中，PN和PL的對比匹配并不能完全對應或?qū)嵸|(zhì)等效，體現(xiàn)在如下因素。

1)電動機工作制和JC值。當電動機工作制發(fā)生變化或者工作制相同但實際JC值不同時，應進行額定功率換算和修正，亦可按與基準工作制達到相同溫升值的原則來確定和修正額定功率(PN)。電動機工作制和JC值應由起重機工作機構(gòu)的負載持續(xù)率(FS)來確定。

2)機構(gòu)系統(tǒng)慣量增加率C值。電力拖動系統(tǒng)中，機構(gòu)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和慣量應進行“多軸→單軸”的等效折算，折算后的慣量增加率(C=ΣJ/Jd=ΣGD2/GDd2)必然大于1.C值大小與機構(gòu)零部件設計選型密切相關(guān)，并隨著機構(gòu)載荷狀態(tài)(滿載/空載)和負載性質(zhì)(阻抗性/位能性)的不同而有較大變化，起升機構(gòu)的C值要遠小于運行機構(gòu)。

3)每小時全啟動次數(shù)Z值。工作機構(gòu)實際啟動次數(shù)，多數(shù)情況下會多于S3規(guī)定(Z>6次/h)但又達不到S4規(guī)定(Z<150次/h)；同時，在啟動或制動過程中還存在著點動(不完全啟動)和電制動的影響。此時，拖動系統(tǒng)的啟動和制動過程將對電動機內(nèi)部溫升產(chǎn)生影響，既不能忽略不計(S3)卻又未達到顯著程度(S4).

4)穩(wěn)態(tài)負載平均功率PS.起重冶金專用電動機在進行功率選擇時(PN≤PL)，負載功率(PL)采用的是考慮起重機工作特點的穩(wěn)態(tài)負載平均功率PS=GPj，G為具有統(tǒng)計性質(zhì)的穩(wěn)態(tài)負載平均系數(shù)(G≤1)，考慮了機構(gòu)滿載率以及空載運轉(zhuǎn)的有利影響；Pj為機構(gòu)負載的計算功率，一般取滿載靜功率(起升/運行)或者等效功率(回轉(zhuǎn)/變幅)。

5)機構(gòu)使用工況的數(shù)值統(tǒng)計。根據(jù)國內(nèi)相關(guān)起重機負載持續(xù)情況的統(tǒng)計分析，機構(gòu)的工作制、FS、CZ、G會對電動機額定功率選型尤其是發(fā)熱功率產(chǎn)生很大影響。從使用情況來看，此項工作應由行業(yè)或企業(yè)來完成，運用統(tǒng)計學方法對機構(gòu)進行逐日統(tǒng)計分析，但有時機構(gòu)使用工況在工作日(8小時/天)中表現(xiàn)的重復性和規(guī)律性不強甚至具有一定的隨機性。

起重機工作機構(gòu)在進行電動機容量初選后，需根據(jù)機構(gòu)實際載荷特點和電動機設計能力，進行過載能力和發(fā)熱能力校驗，從而滿足電動機“不過載”和“不過熱”的選型要求。

2.2 電動機額定功率選擇問題

電動機額定功率選擇是設計中容易忽視和出問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，工程師在依據(jù)負載功率(PL)確定額定功率(PN)時，普遍存在以下兩種情況。

1)電動機額定功率選擇“過小”(“小馬拉大車”)。工程師的設計經(jīng)驗不夠或?qū)C構(gòu)使用工況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)獲取不足時，例如，機構(gòu)使用等級和載荷工況(工作級別)，機構(gòu)載荷變化及載荷組合(最大/等效負載功率)，F(xiàn)S(JC)、CZ、G值的合理確定；從而在電動機選型設計中可能會出現(xiàn)PN“過小”的極端情況。此時，電動機長期過載運行從而電流增大損耗增加，內(nèi)部發(fā)熱過大嚴重影響效率；啟動轉(zhuǎn)矩不足將導致拖動系統(tǒng)出現(xiàn)啟動困難(甚至無法啟動)，甚至可能出現(xiàn)絕緣損壞燒毀電動機的現(xiàn)象；當電動機啟動頻次過多且長期過載運行，拖動系統(tǒng)的經(jīng)濟性較差，縮短壽命或過早損毀，引發(fā)安全事故隱患。

2)電動機額定功率選擇“過大”(“大馬拉小車”)。工程師的設計經(jīng)驗缺乏的同時，對機構(gòu)載荷的估計偏大或設計中過于安全保守，反而在設計中又很容易出現(xiàn)PN“過大”的極端情況。此時，電動機長期欠載運行從而偏離了額定運轉(zhuǎn)狀態(tài)，降低了運行效率和功率因數(shù)；啟動轉(zhuǎn)矩過大將導致拖動系統(tǒng)出現(xiàn)啟動迅猛(慣性沖擊載荷)，傳動零部件負荷增加影響經(jīng)濟壽命和可靠性；當電動機型號過大還會造成機構(gòu)尺寸、自重以及成本增大，機構(gòu)布置困難。

2.3 電動機的過載校核和發(fā)熱驗算

電動機額定功率選擇“過小”會導致功率型號偏小，電動機即使勉強通過過載能力校驗，卻往往發(fā)熱能力校驗難以通過；電動機額定功率選擇“過大”會導致功率型號偏大，電動機的過載能力校驗和發(fā)熱能力校驗較容易通過，卻又造成極大的浪費。

電動機過載能力校驗是驗算電動機克服機構(gòu)在短時間內(nèi)可能出現(xiàn)的較大工作負荷的能力，負載功率(PL)往往選擇機構(gòu)在最不利的載荷工況組合；電動機發(fā)熱能力校驗則是校驗電動機在周期性間歇運行一段時間后的內(nèi)部繞組溫升是否合格，負載功率(PL)往往選擇穩(wěn)態(tài)負載平均功率PS，發(fā)熱功率須考慮機構(gòu)JC和CZ值的狀態(tài)合理驗算。起重冶金專用電動機的啟動轉(zhuǎn)矩和過載轉(zhuǎn)矩倍數(shù)較大，經(jīng)常出現(xiàn)過載能力容易保證而發(fā)熱能力較難通過的現(xiàn)象，應進行發(fā)熱功率計算和分析研究。

3 基于等值損耗法的電動機發(fā)熱功率計算與分析

電動機在S3工作制、接電持續(xù)率(JC=40%)、無拖動慣量(C=1)、10 min相同工作周期(Z=6次/h)以及標準環(huán)境溫度和海拔下，電動機的發(fā)熱容量(PN)能比較容易的從試驗中獲得。當電動機每小時啟動次數(shù)逐漸增多時(S3→S4)，其發(fā)熱容量(PT)的確定應計入頻繁啟動過程中的發(fā)熱因素，即電流動態(tài)負載及散熱能力降低對溫升過程的影響。

根據(jù)同型號電動機在S3與S4下的發(fā)熱允許功率存在對應的折減關(guān)系(PS3=XPS4)，功率折減系數(shù)X的可采用等值損耗法來求解。等值損耗法的基本原理是保持S3和S4的總損耗值相等(QS3=QS4)；總損耗主要包括不變損耗(不隨輸出功率變化)和可變損耗(隨輸出功率變化)。同時，規(guī)定S3和S4的總運行時間、恒轉(zhuǎn)矩負載特性、平均啟動力矩、冷卻系數(shù)等相應對等不變。功率折減系數(shù)X的具有如下關(guān)系[10]：

K=0

(1)

式中:nN為電動機額定轉(zhuǎn)速(r/min)，PS3-JC為電動機在S3工作制某JC值時的功率(kW)，αS3-JC電動機在在S3工作制某JC值時損耗比(不變損耗/可變損耗)，hM為啟動過程中平均冷卻系數(shù)標幺值(啟動過程平均冷卻系數(shù)/額定轉(zhuǎn)速時冷卻系數(shù))，K為電動機的平均啟動力矩倍數(shù)。

對于某型號規(guī)格的電動機，根據(jù)電動機的銘牌數(shù)據(jù)以及原始設計技術(shù)參數(shù)，逐一確定發(fā)熱計算公式，便可得到該電動機在S3工作值下的任意JC、CZ、K值時的發(fā)熱容量(PT)，例如，YZR160L-6電動機，S3-JC40%，在不同CZ值、不同K值時的發(fā)熱功率(PT)的動態(tài)變化如圖2所示。

圖2 YZR160L-6電動機的發(fā)熱功率(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)

通過圖中三維坐標系(CZ、K、PT)數(shù)據(jù)的綜合分析可以得出，通常CZ值在正常使用范圍內(nèi)(CZ≤1 500)時，K值變化對X值的影響不大(X≥0.5)；考慮實際的啟動過程的拖動系統(tǒng)設計方案(YZR電動機的K常取為1.5～1.8)，K可取為1.7比較合理，這也是偏向較嚴的要求。

4 結(jié)論

通過起重冶金專用電動機功率選型分析與研究，可以總結(jié)出以下結(jié)論：

1)電動機的額定功率是變化的，隨著工作制、允許溫升、環(huán)境溫度、海拔高度等變化而改變，各種非標環(huán)境工況下額定功率需要進行換算修正。

2)電動機銘牌數(shù)據(jù)的額定功率是在S3基準工作制、相同工作周期、規(guī)定接電(負載)持續(xù)率、標準環(huán)境工況下通過型式試驗獲得，但不能要求使用場合也完全遵循這一規(guī)定，要根據(jù)起重機機構(gòu)的具體使用情況和場合來執(zhí)行。

3)當機構(gòu)使用工況與電動機設計工況不對應，尤其是需要計入頻繁啟動過程的發(fā)熱影響時，根據(jù)某工作制固定JC值下的電動機，可進行任意CZ和K值的發(fā)熱功率計算。