起重机用电动机的选择和校验

前言 ：电动机的选择主要是指热容量的选择，它包括电动机的过载能力校验和发热校验。过载能力校验是验算电动机客服机构在短时间内可能出现的较大工作负荷的能力，而发热校验则是校验电动机在运行一段时间后绕组的温升是否超过规定的允许温升。

本文章结合起重机用电动机的初选和校验内容，详细介绍电动机的选择和校验。最后给予简单案例说明如何选择和校验电动机的步骤和方法。

一、起升机构电动机容量选择

起升机构电动机 是，启动惯性载荷较小，所需的加速力矩很小，只有满载荷稳定运行力矩的10%-20%，而电动机的平均气动力矩通常为电动机额定力矩的1.6-1.8倍，使得启动时间较短（约1-2S左右）。因此起升机构电动机在运行过程中可忽略启动过程，认为电动机处于S3工作制运行。

1、初选电动机  在起升机构中，电动机所需力矩等于满载起升的稳定力矩。则电动机功率可按起升静功率计算

                PN=PQ×Vq/1000/η

                式中 PQ—起升载荷（N）

                Vq—额定起升速度（m/s）

                η—机构总效率。

2、计算S3、JC=40%基准工作制下所需的电动机功率：Pn≥K PN

   式中：K——作业频繁系数，与机构工作级别对 应，见表1；

         Pn——S3、JC=40%下电动机额定功率。

3、电动机在不同工作制下功率值的折算

将S1工作制下的电动机功率值折算到S3 JC =40%或S3 JC =60%下的电动机功率值可  参考下式折算：

 P40≈1.15~1.2 PS1         P60≈1.05~1.1 PS1

 对于不同的电动机，其折算系数略有不同，若需知道准确折算值，需向制造商索取 。

对于双绳抓斗的提升机构和开闭机构，一般采用两套相同的驱动机构。在抓斗闭合完毕后起升瞬间，全部载荷有闭合电机承受。支持电动机由于卸载而转速升高，最后赶上闭合电动机并一起承受。因此两台同样大小的电动机的单机额定功率需要大于所需功率的一半，闭合电动机有短时间过载能力。规范规定，每一机构电动机静功率取值为总功率的0.66倍，就是考虑起升瞬间的载荷不均匀程度。

二、运行机构电动机容量选择

在运行机构中，运行阻力引起的满载稳定运行静阻力矩比电动机的额定力矩小很多。启动时必须克服移动质量和旋转质量所引起的惯性载荷，所需的加速力矩较大。运行机构的启动时间比起升机构启动时间要长，通常为3-8S。电动的运行属于包括启动的断续周期工作制S4.

运行机构电动机容量选择，除了考虑稳定运行静功率外，还必须考虑客服惯性载荷所需要的加速功率。在通常情况下，加速功率对电动机的选择具有极大影响。

1、计算稳态运行功率： PN=Pj×Vy/1000/η/m

 2、计算S3 JC=40%基准工作制下所需的电动机的  功率值：Pn≥K PN

      式中：K——综合运行速度所体现的作业频繁 程度和惯性功率对发热影响的综合因素系数，见表2。

    运行机构稳态运行功率（静阻功率）与总质  量（M）、速度、摩擦系数等有关，惯性功率与 总质量、速度、加速度（加速时间）有关，通常 速度取值也是基于作业频繁程度（工作级别）， 那么可以通过给稳态运行功率乘以大于1的综合因素系数K，以体现惯性功率与作业频繁率对电动机发热的影响，该系数也是经过了实践验证的。 

三、电动机的过载校验

    规范规定;”电动机的最大力矩或堵转力矩应保证机构启动的需要。”这就说明，电动的额定力矩应大于一定的数值，才能保证在任何情况下机构均能启动。因此力矩和功率成一定的比例，故在校验计算中，常以功率来表示。即所选电动机的额定功率应大于一定的数值，这个数值因机构而异，各机构因负载情况的不同而不同。这里介绍起升机构和运行机构的校验计算。

1、 起升机构电动机的过载校验

（1）普通电动机的过载校验



式中：

Pn—基准接电持续率时，电动机额定功率（KW）

H—A系数：按电压损失（交流电机为15%，直流电机不考虑）、最大转矩或堵转转矩有允差（绕线转子异步电动机为10%，笼型异步电动机为15%，直流电机不考虑）、起升1.25倍额定载荷条件确定绕线转子异步电动机为2.1；笼型异步电动机为2.2，直流电机为1.4.

m—电动机个数。

Λm—基准接电持续率时，电动机转矩允许过载倍数。

PQ—起升载荷（N）；双绳抓斗电动机过载校验时，应考虑负载不均匀程度。

Vq—起升速度（m/s）

η—A机构总效率。

（2）变频电动机的过载校验

当机构设计完成电动机初选后，电气设计应对电动机进行过载和发热校验。电动机过载校验的准则是：所选电动机的最大加速（起动）转矩应不小于机构加速所需的最小加速转矩。当机构有部分（单个或单组）电动机运行或其他特殊工况要求时，一定要计算在这些特殊工况要求下所需的电动机的最小加速转矩值。当采用变频闭环矢量（或DTC）控制时，基速内可实现恒转矩控制。系统可做到以最大恒定转矩加速，而调压调速或其它针对绕线电动机的控制系统，其加速过程是延锯齿特性线进行的，所以过载校验时，要注意锯齿线根部对加速最大负载时的影响关系。

为了保证电动机的安全运行，电动机的最大运行（起动）转矩与颠覆转矩之间应保留30%的安全距离，即：

 Mmax/ λm/Mn≤1/1.3或Mmax≤0.8λm Mn

对于变频闭环矢量（或DTC）控制的电动机，可以不考虑电压波动对电动机最大起动转矩的影响。

 对于工作级别（M）较低的机构，由于初选时的系数K取值较小，所以要更加注意做好过载校验

在电动机初选时（见6.1.1.1.3.2）对变频电动机n=0时的最小起动转矩的要求是：

 Mdmin≥1.4MN……………………………（86）

但在实际应用中考虑到110%动载试验和125%静载试验对起动转矩的要求，通常情况下，选择Md=1.7MN，对于公式：

 Pn≥H/m/λm×PQ×Vq/1000/η…..（87）

变频电动机取H=2.2，其取值依据如下：

当所选电动机额定功率Pn=PN时，H的物理意义是：只要所选电动机的最大转矩倍数λm≥H，则过载校验通过，或者说，在Pn=PN时，H的取值是对所选电动机转矩倍数的最小要求值。因为，所选电动机的λm=2.2时，考虑最大运行转矩与颠覆转矩间留30%的安全距离，该电动机能够输出最大起动转矩为：

 Mmax=λm×MN/1.3=2.2×MN/1.3≈1.7MN

这就是H=2.2的来源。

    从过载校验公式（87）可以看出，仅从过载能力要求来讲，所选电动机额定功率值与其最大转矩过载倍数是可以相互转化的。

2、 运行机构电动机的过载校验

    轨道式运行机构电动机过载校验中变频调速电动机λAS的确定，在GB/T 3811-1983《起重机设计规范》中，运行机构电动机过载校验引入λAS概念，不同种类的电动机具有不同的λAS值，那么它的基础是认定不同种类的电动机一定可以产生λAS的平均加速转矩，而没有给出电动机的λm至少应是多大。比如：绕线电动机的λAS取1.7，实际上是认为绕线电动机的最大起动转矩约为2.2Med时，平均加速转矩可达1.7Med，这样电动机的λm应不小于2.5；对于变频调速电动机，通常情况下能达到1.7Med倍的加速转矩，这样变频电机的最大过载倍数λm应不小于1.7/0.8=2.2，式中0.8含义同上。

电动机的过载校验公式：

    PN≥1/m/λAS{[P∑(ω+ma)+PWⅡ]×Vy/1000/η+  ∑Jn2/91200/tq} …............................（88）

从公式（88）可以看出：阻性功率P阻与惯性功率

    P惯之和除以电动机所能提供的平均加速转矩λAS，所选电动机功率值不小于该值，则过载校验通过。进行运行机构过载校验时，惯性功率的大小与设计所要求的加速时间有关，所以应合理选择加速时间，以选取合理的电动机功率。

二、校验和初选案例

1、起升电机初选举例

例1：某起升机构额定起重量100 t、吊具重5 t、额定起升速度6m/min、电动机额定转速730r/min、变频调速方式、供电电压380VAC、机构工作级别M7、机构总效率η=0.87、环境温度40℃、海拔低于1000m。

 1）稳态计算功率:

  PN=PQ×Vq/1000/η=(100+5)×6/6.12/0.87=118.3kw

 2）电动机基准工作制下的功率值：

1.2×118.3=142kw（S3 JC=40%）  

 3）电动机初选：

根据用户要求采用西门子变频电动机,折算到S1工作制下的功率为：PS1≥P40/1.2=142/1.2=118.3（kw）

选取：1LG4318—8AB  132 kw  S1

2、运行机构电动机初选举例

例1：桥式起重机小车运行机构自重200t、额定起重量550t、额定运行速度30m/min、机构工作级别M6、m=4台、总效率η=0.9、电动机额定转速975r/min、Kh=1、Kt=1。

 1）计算稳态运行功率（静阻功率）：

PN=Pj×Vy/1000/η/m

  =(10×1.5)(200+550)×30/6120/0.9/4=15.3KW

Pn≥KPN=1.2×15.3=18.36KW    (S3 JC40%)

2）初选电动机：

4台，型号：YZP200L-6 22 kw    S3 JC=40%

3、起升机构电动机过载校验举例

例1：对起升机构电动机初选中的例1进行过载校验。

已知：额定起重量105t，额定起升速度6m/min， η=0.87，m=1台，电动机：1LG4318—8AB 132kw  S1  λm=2.9。

按过载校验公式计算：

Pn≥H/m/λm×PQ×Vq/1000/η

=2.2/2.9×105×6/6.12/0.87=90KW

所选电动机Pn=132kw ≥ 90kw  过载校验通过。

五、电动机的发热校验

    对于YZR电动机仍可采用JC、CZ和G值进行发热校验。但对于变频电机和绕线电机均可依据机构工作级别所对应的等效接电持续率作为发热校验的依据。只要电机在机构相应等效接电持续率下的功率值大于机构的计算功率，则发热校验通过。

1、起升机构电动机发热校验

起升机构计算功率即为稳态运行功率（静功率）：

    PN=PQVq/1000/η…………………………（89）

    所选电动机在相应接电持续率下的功率值不小于计   算功率即Pn≥PN，则发热校验通过。

    由于起升机构要求进行110%动负荷和125%静负荷试验，在此，给出工作级别与接电持续率的对应取值关系，见表3，以供参考。

1、轨道式运行机构电动机发热校验

    运行机构电动机初选时是根据运行速度大小给稳态运行功率（阻性功率）乘以一个大于1的系数得出，且系数为离散值，为了更好更方便地对运行机构进行发热校验，经计算对比，当采用公式（90）计算时，所选电动机功率值相对合适。本方法作为校验方法，可在设计过程中进一步比照对比。

    运行机构计算功率为：

    PS=P阻+0.5P惯 --------------------------（90）   

    式中：PS-------计算功率

    P阻------阻性功率即稳态运行功率PN

    P惯------惯性功率即本标准公式（S.10)

    PS=1/m×{[P∑(ω+ma)+PWⅠ]×Vy/1000/η +∑Jn2/182400/tq}中的第二项    

    只要电机在机构相应接电持续率下的功率值Pn≥PS，则发热校验通过。

该方式使离散系数成为连续，使电动机的选择与校验用不同的方法相互验证。

由于P惯仍取决于加速时间ta或者说加速度a的选择，所以应参照电动机初选中所给出的速度与加速时间关系表选择加速时间，以计算合理的惯性功率。

参考文献

1、起重机设计规范

2、起重机电气技术手册

3、上海电动机选型样本

4、起重机机械设计手册