適用于API 541標(biāo)準(zhǔn)的鼠籠式感應(yīng)電動機(jī)的參數(shù)選擇

石曉薇

摘? 要? API 541為375kW（500HP）以上等級的電動機(jī)的通用規(guī)范。API 541內(nèi)分別介紹了在IEC及NEC兩套規(guī)范體系內(nèi)電動機(jī)的制造標(biāo)準(zhǔn)及參數(shù)選擇。本文針對在NEC標(biāo)準(zhǔn)下，簡述電動機(jī)各項參數(shù)及附件類別的選擇，常規(guī)測試的方法及相關(guān)要求。

關(guān)鍵詞? 鼠籠式感應(yīng)電動機(jī)、繞組、軸承、絕緣系統(tǒng)、測溫元件

1、概述

在國民生產(chǎn)生活中，電動機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為各種機(jī)械能的主要設(shè)備，電動機(jī)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)，商業(yè)，民用等諸多領(lǐng)域。大到三峽大壩，小到風(fēng)扇馬達(dá)，電動機(jī)作為各種設(shè)備的驅(qū)動動力，其穩(wěn)定性，方便性，可靠性，牢固性就顯得尤為重要。尤其近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大型電動機(jī)越來越多的被應(yīng)用于石油化工，電力等行業(yè)。如何選擇電動機(jī)的各項參數(shù)，使其合理的應(yīng)用于生產(chǎn)中，不僅關(guān)系到能源的經(jīng)濟(jì)合理利用，更直接關(guān)乎到生產(chǎn)人員的人身安全。

本文針對應(yīng)用在石油、化工及其他工業(yè)領(lǐng)域、適用于API 541標(biāo)準(zhǔn)的電動機(jī)從電氣參數(shù)的選擇，機(jī)械參數(shù)的選擇，各種附件的選擇及測試、試驗內(nèi)容等方面進(jìn)行簡要的介紹。

2、電動機(jī)的分類

電動機(jī)按照工作電源主要分為：交流電動機(jī)與直流電動機(jī)。直流電動機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為：無刷直流電動機(jī)和有刷直流電動機(jī)。交流電動機(jī)可分為：交流三相電動機(jī)和交流單相電動機(jī)。

電動機(jī)按照結(jié)構(gòu)和工作原理可劃分為：直流電動機(jī)、異步電動機(jī)、同步電動機(jī)。同步電動機(jī)可劃分為：永磁同步電動機(jī)，磁阻同步電動機(jī)和磁滯同步電動機(jī)。異步電動機(jī)可劃分為：感應(yīng)電動機(jī)和交流換向器電動機(jī)。其中感應(yīng)電動機(jī)又可劃分為：三相異步電動機(jī)、單相異步電動機(jī)和罩極異步電動機(jī)。

按照用途可劃分為：驅(qū)動用電動機(jī)和控制用電動機(jī)。驅(qū)動式電動機(jī)包括電動工具用電動機(jī)，家電用電動機(jī)，通用型機(jī)械設(shè)備用電動機(jī)等。控制用電動機(jī)可劃分為：步進(jìn)電動機(jī)和伺服電動機(jī)等。

按照轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可劃分為：籠型感應(yīng)電動機(jī)，繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機(jī)。

3、適用于API 541標(biāo)準(zhǔn)的電動機(jī)類型

API 541標(biāo)準(zhǔn)適用于：應(yīng)用于石油，化工及其他工業(yè)領(lǐng)域，375kW（500HP）及以上具有特殊用途的鼠籠式感應(yīng)電動機(jī)。同時也適用于感應(yīng)式發(fā)電機(jī)。

具有特殊用途通常是指電動機(jī)（發(fā)電機(jī)）具有一條或多條以下特征：

（1）設(shè)備需要在嚴(yán)酷環(huán)境下不間斷，連續(xù)運行，且通常無備機(jī)。

（2）轉(zhuǎn)速在1800 rpm以下且功率在2250kW（3000hp）以上。

（3）功率在600kW（800hp）及以上的雙極設(shè)備，且具有全封閉式外殼結(jié)構(gòu);功率在930kW（1250hp）及以上或極數(shù)多余2，且具有敞開式或半封閉式外殼結(jié)構(gòu)。

（4）驅(qū)動高慣性負(fù)載。

（5）電源側(cè)采用變頻調(diào)速裝置。

（6）是一個感應(yīng)發(fā)電機(jī)。

（7）功率在375kW（500hp）及以上的垂直安裝設(shè)備。

（8）設(shè)備工作在異常惡劣的環(huán)境下。

4、API 541標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)各項電氣參數(shù)選擇

4.1 絕緣等級

絕緣系統(tǒng)是指：導(dǎo)體與支撐結(jié)構(gòu)部件及與之相關(guān)的絕緣材料組成的一個整體。絕緣系統(tǒng)的等級根據(jù)系統(tǒng)溫度的熱穩(wěn)定性而劃分為以下幾類：通常電動機(jī)和發(fā)電機(jī)使用四類絕緣系統(tǒng)，即A，B，F(xiàn)和H類。例如，F(xiàn)級絕緣系統(tǒng)：當(dāng)設(shè)備在溫升標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的F級溫度限制下運行時，具有足夠的熱穩(wěn)定性。

API 541標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，作為最低要求，絕緣系統(tǒng)應(yīng)滿足NEMA MG1或IEC 60034-1中要求的F級絕緣。且對于繞組電壓在6000V及以上的設(shè)備，應(yīng)使用帶有局部放電抑制劑的絕緣材料。

4.2 溫升等級

電動機(jī)的溫升是指在額定運行狀態(tài)下，電動機(jī)溫度高于環(huán)境溫度的數(shù)值。對于電動機(jī)允許的高于環(huán)境溫度（通常為40℃）的溫升，API 541標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：除非另作說明，不應(yīng)超過B級絕緣的溫升要求。當(dāng)設(shè)計環(huán)境溫度高于40℃時，允許的溫升應(yīng)相應(yīng)降低，以避免超過B級絕緣的總溫度限制（環(huán)境溫度，上升溫度，最熱點）。當(dāng)電動機(jī)在最高允許溫升下長期工作時，絕緣材料的物理、機(jī)械、化學(xué)和電氣性能不發(fā)生顯著的惡性變化，如果超過此溫度，電動機(jī)的絕緣材料將發(fā)生質(zhì)變，加速老化，大大影響電動機(jī)的正常使用壽命。

4.3 服務(wù)系數(shù)

電動機(jī)服務(wù)系數(shù)是衡量電動機(jī)連續(xù)負(fù)載工作能力的一個系數(shù)。服務(wù)系數(shù)可與電動機(jī)的額定功率相乘，以表示可以驅(qū)動的最大負(fù)載。服務(wù)系數(shù)的取值通常為：1.0/1.15/1.25/1.35等。如一臺額定功率為100kW的電動機(jī)，服務(wù)系數(shù)為1.15，則表示電動機(jī)可在115kW下短時運行。值得注意的是，在NEMA MG1中，當(dāng)電動機(jī)服務(wù)系數(shù)不同，對電動機(jī)溫升的限制數(shù)值也不相同。

在API 541標(biāo)準(zhǔn)中指出：當(dāng)電動機(jī)運行在大于其額定功率的條件下（即服務(wù)系數(shù)高于1）時，會縮短設(shè)備的使用壽命。所有工作在B級溫升的電動機(jī)通過具有F級絕緣性能以獲得在高于其額定功率條件下穩(wěn)定運行的能力（高于額定功率時電動機(jī)運行溫度更高）。這種較高的運行溫度，將會對設(shè)備的絕緣及其他部件的壽命產(chǎn)生不利的影響。因此，規(guī)范中規(guī)定，適用于API 541標(biāo)準(zhǔn)的電動機(jī)，只根據(jù)服務(wù)系數(shù)為1.0時選擇電動機(jī)的額定功率。

5、API 541標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)各項機(jī)械參數(shù)選擇

5.1 外殼形式

在API 541標(biāo)準(zhǔn)中，對電動機(jī)外殼的通用要求包括：

（1）外殼部件應(yīng)由鑄鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼或鋼板構(gòu)成。如買方同意，纖維增強(qiáng)材料可用于電動機(jī)的零部件（蓋子或非支撐部分）。所有外殼部件的最小剛度與標(biāo)稱厚度為3.0mm（1/8 in）的鋼板相同。

（2）導(dǎo)流板應(yīng)由耐腐蝕材料制成，或應(yīng)具有耐腐蝕電鍍處理。

（3）當(dāng)電動機(jī)需要啟動前吹掃時，設(shè)備應(yīng)具備可進(jìn)行有效吹掃的條件。供貨商應(yīng)在數(shù)據(jù)單中明確允許的最大吹掃壓力。

（4）除非另作說明，電壓等級為6kV級以上的設(shè)備應(yīng)具有全封閉風(fēng)扇冷卻（TEFC），空氣-空氣冷卻（TEAAC）或水-空氣冷卻（TEWAC）外殼。

適用于NEMA標(biāo)準(zhǔn)的電動機(jī)與適用于IEC標(biāo)準(zhǔn)的電動機(jī)，對于外殼形式的表述方法并不相同，但具有對應(yīng)形式，具體參見圖1。

在圖1中可以看出，對于采用自然風(fēng)冷型外殼的電動機(jī)，NEMA標(biāo)準(zhǔn)中表示為TEFC，IEC標(biāo)準(zhǔn)中表示為IC411;但電動機(jī)外殼的防護(hù)等級，NEMA標(biāo)準(zhǔn)與IEC標(biāo)準(zhǔn)均采用IP等級來表示。

5.2 軸承形式

電動機(jī)中常用的軸承形式為滾動軸承與滑動軸承。滾動軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架組成。當(dāng)內(nèi)外圈之間相對旋轉(zhuǎn)時，滾動粒沿著滾道滾動?；瑒虞S承主要分為軸瓦和軸頸，利用潤滑膜將滑動表面分開而不發(fā)生直接接觸。圖二與圖三分別表示了滾動軸承與滑動軸承的結(jié)構(gòu)。

滾動軸承的主要特點為摩擦阻力小，起動快，效率高，在中速下承載能力較高。但滾動軸承的徑向尺寸較大、減震能力較差、高速時壽命低、噪聲較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在保養(yǎng)和維修時較困難?；瑒虞S承則具有工作平穩(wěn)、壽命長、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡單、承載能力大，適用于重載場合等優(yōu)點，且油膜具有一定的吸震能力。但滑動軸承起動摩擦阻力較大，潤滑劑的維護(hù)要求較高。

在API 541標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，如無特殊說明，水平安裝的電動機(jī)應(yīng)采用液體動壓徑向軸承（如滑動軸承或傾斜軸瓦軸承），且軸承座應(yīng)配有迷宮式軸承密封。當(dāng)滿足特定條件時，也可使用滾動軸承。當(dāng)滿足特定條件時，垂直安裝的電動機(jī)應(yīng)使用滾動軸承。

5.3 潤滑形式

電動機(jī)根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，通常采用潤滑油或潤滑脂進(jìn)行潤滑。良好的電動機(jī)軸承潤滑是減小軸承磨損和摩擦，延長軸承的疲勞壽命的有效措施。采用潤滑脂時，可以防止外部的灰塵等異物進(jìn)入軸承，起到封閉的作用，同時還有防止金屬腐蝕的作用。選用潤滑脂時要注意每種潤滑脂的特性，滴點，錐入度，氧化安定性和低溫性能，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境合理選擇。采用潤滑油時，特別是采用油霧潤滑和噴油潤滑時，潤滑油能帶走軸承內(nèi)部的大部分摩擦產(chǎn)生的熱量，起到有效的散熱作用。

在API 541標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：液體動壓軸承應(yīng)采用碳?xì)浠衔镉?，并根?jù)供貨商的建議采用油環(huán)潤滑。油環(huán)下部需浸沒在潤滑油中，從油環(huán)的下緣上方起，最小的浸沒深度為6mm（0.25 in）。如果軸承的圓周速度超過了使用油環(huán)潤滑的極限，則應(yīng)使用壓力（強(qiáng)制）潤滑。當(dāng)被驅(qū)動設(shè)備（如泵）需要強(qiáng)制潤滑系統(tǒng)時，電動機(jī)的軸承潤滑油可從同一潤滑系統(tǒng)中取得。

6、API 541標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)各項附件選擇

6.1 接線盒

根據(jù)電動機(jī)的配置及設(shè)計的不同，可能會有多個接線盒在電動機(jī)本體上引出。包括主接線盒，加熱器接線盒，測溫RTD接線盒，震動檢測接線盒，CT接線盒等等。在API 541標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：主接線盒應(yīng)由最小厚度為3mm（0.125 in）的鋼板制成，且最小尺寸和可利用的體積不得小于 NEMA MG1中第20部分規(guī)定的II型端子外殼規(guī)定的數(shù)值。銅母線和隔離絕緣子的尺寸應(yīng)能保證當(dāng)電動機(jī)電流為額定值125%時的溫升不超過90℃（194 ℉）。主接線端子引出的接線盒應(yīng)能承受指定MVA（故障開始后半個周期內(nèi)），持續(xù)時間為0.1s內(nèi)三相故障所產(chǎn)生的壓力。對于額定電壓在601V以上的電動機(jī)，其他附件的引出端子接線盒應(yīng)與主接線盒分開設(shè)置。對于電流互感器和電壓互感器的二次引線，如果與主電源線采取了適當(dāng)?shù)奈锢矸指畲胧?，允許與主電源端子由同一接線盒引出。

當(dāng)主接線盒中配置避雷器時，在避雷器與定子鐵心之間應(yīng)設(shè)置低阻抗接地路徑。當(dāng)主接線盒中配置差動電流互感器時，互感器二次側(cè)引線應(yīng)遠(yuǎn)離高壓電動機(jī)主引線，采取物理隔離，以防止意外接觸。若電動機(jī)配置了軸承溫度檢測及軸承振動檢測元件時，應(yīng)提供單獨的接線盒。

6.2 溫度檢測元件

電動機(jī)內(nèi)的測溫元件主要是安裝在定子繞組上的測溫元件、安裝在軸承上的測溫元件。

API 541標(biāo)準(zhǔn)中要求，定子繞組需配置電阻溫度檢測元件（RTD）。RTD應(yīng)為鉑材質(zhì)，三線制，在0℃時電阻為100Ω，符合EN 60751，B類。這些元件應(yīng)具有聚四氟乙烯絕緣，絞合，銅鍍錫，且橫截面不小于0.4mm2（22AWG）的引線。引線應(yīng)滿足NFPA 70或IEC 60079中的要求。定子繞組每項應(yīng)至少裝設(shè)三只測溫元件，適當(dāng)?shù)姆植荚诙ㄗ永@組槽周圍。為防止被損壞，所有測溫元件的引線在制造和運輸過程中應(yīng)加以保護(hù)。供貨商的圖紙上要顯示定子繞組上測溫元件的數(shù)量、位置及端子排連接等信息。

對于具有液體動壓徑向軸承和推力軸承的電動機(jī)，應(yīng)配置軸承測溫元件，每軸至少一只。測溫元件應(yīng)能測量軸承金屬的溫度，軸承測溫元件的安裝應(yīng)保證不影響軸承絕緣的完整性。除另作說明外，軸承上安裝的RTD與定子繞組上安裝的RTD規(guī)格要求相同。需要注意的是，在API 670（震動、軸向位置和軸承溫度檢測系統(tǒng)）中，對于大部分電動機(jī)軸承，每軸需要配置兩只測溫元件。當(dāng)每軸需要配置兩只測溫元件時，優(yōu)先考慮配置兩只單獨的檢測元件傳感器，如果軸承上空間受到限制，也可考慮使用一只雙元件傳感器來代替兩只單元件傳感器。

6.3 加熱器

電動機(jī)加熱有防止電動機(jī)受潮的作用，如果電動機(jī)長時間放置不用，在使用前要先通電加熱去除潮氣，以免在通電時損壞電動機(jī)。API 541標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：當(dāng)用戶有要求時，電動機(jī)應(yīng)配備具有完整接線的加熱器，并引出至單獨的接線盒。加熱器嚴(yán)禁有外露的元件。加熱器應(yīng)安裝在外殼內(nèi)易拆卸和更換的位置，且應(yīng)保證所有帶電部分不易觸碰。除非另有規(guī)定，加熱器元件的表面溫度不得超過160℃（320℉），加熱器元件溫度標(biāo)識應(yīng)為T3或者更低。不可采用任何與定子繞組表面有接觸的類型的加熱器。加熱器應(yīng)保持電動機(jī)繞組的溫度高于環(huán)境溫度5℃（9℉）。