唐慶華

(中國長江航運(yùn)集團(tuán)電機(jī)廠，湖北武漢430205)

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非標(biāo)準(zhǔn)頻率輥道用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的研發(fā)

唐慶華

(中國長江航運(yùn)集團(tuán)電機(jī)廠，湖北武漢430205)

摘要介紹了非標(biāo)準(zhǔn)頻率輥道電機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)YG低轉(zhuǎn)速電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，提出了非標(biāo)準(zhǔn)頻率電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)和制造過程中的關(guān)注焦點(diǎn)，提供了相應(yīng)的實(shí)例數(shù)據(jù)并進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，直聯(lián)式非標(biāo)準(zhǔn)頻率的輥道變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)可以廣泛的應(yīng)用于輥道生產(chǎn)線中。

關(guān)鍵詞輥道；變頻調(diào)速；電流；轉(zhuǎn)矩；溫升

0引言

在輥道領(lǐng)域里，傳統(tǒng)的YGA或者YGB系列低轉(zhuǎn)速輥道電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了被非標(biāo)準(zhǔn)頻率YGP輥道用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)所取代的趨勢。

根據(jù)《GB/T 21969—2008 YGP系列輥道用變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件》的要求，YGP系列標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)的額定電壓為380V，額定頻率為50Hz[1]，此兩項(xiàng)數(shù)值與國內(nèi)工頻電網(wǎng)相匹配。

然而伴隨著生產(chǎn)制造工藝和控制精度要求的提高，在新輥道生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)選型過程中，取消減速機(jī)而采用直聯(lián)式方式(電動(dòng)機(jī)通過接手與輥?zhàn)又苯玉詈下?lián)接)是越來越多。這些新的輥道設(shè)備中所配套的YGP輥道用變頻電機(jī)的頻率也都是非標(biāo)準(zhǔn)頻率。它們已經(jīng)被比較廣泛地使用于軋鋼現(xiàn)場的中厚板軋機(jī)輥道輸送、軋機(jī)前機(jī)架輥道電機(jī)等重要工段。電動(dòng)機(jī)在基準(zhǔn)頻率以下進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基準(zhǔn)頻率以上的恒功率區(qū)間一般很少運(yùn)行。

本文重點(diǎn)闡述了該類非標(biāo)準(zhǔn)頻率輥道電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及其電磁設(shè)計(jì)、制造過程，并舉例對(duì)比分析了非標(biāo)準(zhǔn)頻率電機(jī)與普通YGA電機(jī)的性能參數(shù)。

1非標(biāo)準(zhǔn)頻率輥道電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

輥道作為軋件輸送的主要設(shè)備，約占鋼廠軋鋼車間設(shè)備總數(shù)的40%左右，也是軋鋼車間中使用最多的設(shè)備。按主要用途輥道可分為工作輥道、輸入及輸出輥道、其他類型輥道三種。

傳統(tǒng)輥道線主要由導(dǎo)板、衛(wèi)板和若干個(gè)輥?zhàn)?，多臺(tái)輥道電機(jī)、傳動(dòng)軸，以及減速器和電控系統(tǒng)等部件組成(見圖1)。

圖1　輥道線組成簡圖

在以往的設(shè)計(jì)選型中，依照生產(chǎn)工藝的要求，由380V/50Hz工頻電源供電的16極或者20極YGA和YGB輥道電動(dòng)機(jī)大量使用于諸多鋼廠的傳統(tǒng)輥道生產(chǎn)線中。隨著新設(shè)計(jì)方法和新工藝的出現(xiàn)，以及變頻器模塊及其配套系統(tǒng)的價(jià)格的不斷下降，大量的非標(biāo)準(zhǔn)頻率YGP輥道變頻電動(dòng)機(jī)開始取代了上述YGA和YGB輥道電動(dòng)機(jī)。

根據(jù)已知的生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總，非標(biāo)準(zhǔn)頻率的YGP輥道變頻電動(dòng)機(jī)的極數(shù)以6極和8極居多，電動(dòng)機(jī)的中心高集中在200~355，其基準(zhǔn)頻率值根據(jù)傳輸速度不同從6.2Hz到30Hz不等。常見的基準(zhǔn)頻率有19Hz、25Hz、30Hz等(注：本文在后續(xù)描述中將這類基準(zhǔn)頻率低于50Hz的電機(jī)統(tǒng)稱為非標(biāo)準(zhǔn)頻率電機(jī)。)。選用非標(biāo)準(zhǔn)頻率變頻調(diào)速電機(jī)與傳統(tǒng)工頻供電的16極或者20極的YGA(或YGB)電機(jī)相比，主要具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

1.1　空載電流低，運(yùn)行電流小，系統(tǒng)效率高

YGA系列電機(jī)為保證合適的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，減小起動(dòng)電流，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)使用合金鋁鑄鋁的同時(shí)，還需要縮小轉(zhuǎn)子槽形尺寸，因而電機(jī)轉(zhuǎn)差率加大，轉(zhuǎn)子繞組損耗增大，效率降低。

對(duì)于傳統(tǒng)16極或者20極的YGA和YGB電機(jī)來說，由于電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)隨著極數(shù)的增多而降低,同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)差較大,效率偏低,所以它們的名義功率值雖然不大，但是滿載電流還是很大的。另外電機(jī)的功率因數(shù)還隨負(fù)載大小而變化。當(dāng)空載運(yùn)行時(shí),定子電流基本上就是激磁電流(其主要成分是無功的磁化電流)，所以空載時(shí)功率因數(shù)很低,約為0.1～0.2[2]。因此即使是輕載運(yùn)行,高極數(shù)的輥道電機(jī)由于功率因數(shù)和效率均低，最終空載電流偏大，空載運(yùn)行損耗過高。而這些損耗全部會(huì)經(jīng)由鐵心和機(jī)座之間的熱傳導(dǎo)，以發(fā)熱的方式進(jìn)行發(fā)散，這會(huì)導(dǎo)致表面溫度上升明顯。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，電機(jī)轉(zhuǎn)軸輸出的額定轉(zhuǎn)矩為

Tn=9550×PN/nN

(1)

式中，PN—電機(jī)額定功率；nN—電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為

nN=(1-s)×60×f/p

(2)

式中，s—電機(jī)轉(zhuǎn)差率；f—電機(jī)額定頻率；p—電機(jī)極對(duì)數(shù)。

從式(1)可以得出，在保持輸出轉(zhuǎn)矩不變的情況下，通過降低輸出轉(zhuǎn)速，可以降低電機(jī)的額定功率，從而間接降低電機(jī)滿載運(yùn)行電流。而且隨著電機(jī)滿載電流的降低，配套變頻器的容量也可以選小，系統(tǒng)整體造價(jià)降低。

而式(2)則表明：要想降低電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，可以通過降低電源頻率或者增加電機(jī)極對(duì)數(shù)兩種方式來實(shí)現(xiàn)。大量的試驗(yàn)證明，由于隨著頻率、磁密的增加，總損耗也在增大。頻率增加時(shí)渦流損耗增加的速度比磁滯損耗快，且渦流損耗在總損耗中所占的比率也在增大[3]。同時(shí)隨著頻率的降低，鐵心損耗也會(huì)降低，電機(jī)整體效率還會(huì)有進(jìn)一步提高。

所以非標(biāo)準(zhǔn)頻率電機(jī)具有空載電流低,運(yùn)行電流小,系統(tǒng)效率高的優(yōu)點(diǎn),這些積極因素對(duì)減少電機(jī)運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱量,使得電機(jī)維持良好的溫升狀況都是有益的。同時(shí)伴隨著電流的降低，電機(jī)損耗降低，系統(tǒng)用電量也將下降明顯，這對(duì)于長期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)工作且由上百臺(tái)電機(jī)組成的中厚板軋機(jī)輥道輸送線來說，必將帶來非常顯著的節(jié)能效果。

1.2　起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)電流小，過載能力強(qiáng)

通過合理的設(shè)計(jì)，起動(dòng)過程中，在變頻器允許范圍內(nèi)在保持起動(dòng)電流不超過2倍電機(jī)額定電流的條件下，非標(biāo)準(zhǔn)頻率電機(jī)在1Hz左右時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到1.5~2倍，電機(jī)起動(dòng)加速響應(yīng)快，加載時(shí)間更短。而且結(jié)合變頻器曲線的選取，電機(jī)在基準(zhǔn)頻率以下進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，整個(gè)低頻區(qū)間運(yùn)行更平穩(wěn)。電機(jī)在基準(zhǔn)頻率點(diǎn)的過載能力可以達(dá)到3~3.5倍。個(gè)別情況下經(jīng)特殊設(shè)計(jì)，電機(jī)過載能力還可以達(dá)到更高。所以，非標(biāo)準(zhǔn)頻率電機(jī)的機(jī)械性能明顯要好于常規(guī)的16極或者20極的YGA(YGB)電機(jī)。

1.3　設(shè)備維護(hù)簡單，故障少，設(shè)備運(yùn)行更平滑

取消減速機(jī)后，傳動(dòng)系統(tǒng)中可能存在的機(jī)械故障隱患點(diǎn)也自然減少一個(gè)，整個(gè)輥道系統(tǒng)傳動(dòng)更簡潔，整體機(jī)械效率更高。同時(shí)設(shè)備的安裝、調(diào)試方面更加便利，設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)工作更簡單。

另外，通過變頻器模塊的自學(xué)習(xí)功能，我們可以選擇一條最佳的運(yùn)行曲線，以驅(qū)動(dòng)非標(biāo)準(zhǔn)頻率電機(jī)在整個(gè)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)間運(yùn)行平滑，控制精度更高。

2電磁設(shè)計(jì)

結(jié)合本文從氣隙選取、定轉(zhuǎn)子槽配合、磁密、電密取值和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)等方面淺談非標(biāo)準(zhǔn)頻率電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)基本規(guī)范。

2.1　氣隙δ的選取

當(dāng)氣隙過小時(shí)，除影響電機(jī)的機(jī)械可靠性外，還會(huì)使諧波磁場及諧波漏抗增大，導(dǎo)致起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩減小，諧波轉(zhuǎn)矩和附加損耗增加。另外氣隙過小時(shí)，定轉(zhuǎn)子內(nèi)部空氣對(duì)流不通暢，熱傳導(dǎo)效率低，這對(duì)完全依靠機(jī)座表面散熱筋來與外界進(jìn)行熱交換的輥道電機(jī)尤為不利，很有可能會(huì)帶來溫升過高的不良后果。

通常情況下，中心高355以內(nèi)的非標(biāo)準(zhǔn)頻率電機(jī)氣隙一般按0.45～0.8mm進(jìn)行選取(根據(jù)電機(jī)大小進(jìn)行分檔，小機(jī)座號(hào)取較小值，大機(jī)座號(hào)取較大值)。

2.2　定轉(zhuǎn)子槽配合及繞組設(shè)計(jì)

8極非標(biāo)準(zhǔn)頻率電機(jī)常用的定子槽數(shù)Q1與轉(zhuǎn)子槽數(shù)Q2的配合為72/58或者72/86。定子鐵心和鑄鋁轉(zhuǎn)子均不采用斜槽設(shè)計(jì)。

定子繞組采用雙層疊繞組型式，在選擇節(jié)距時(shí)，從電機(jī)具有良好的電氣性能和節(jié)約導(dǎo)線材料方面考慮，通常選取定子繞組節(jié)距為y=7或者y=8，以更好地削弱磁勢的5次和7次諧波分量，改善磁勢與電勢波形，使電機(jī)的電氣性能更好[2]。

由于不需要刻意去改善電機(jī)的起動(dòng)性能，所以轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)的鑄鋁填充材料均為純鋁，轉(zhuǎn)子損耗更小。

2.3　磁密、電密的選取

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，非標(biāo)準(zhǔn)頻率輥道變頻電機(jī)的磁密大致按以下范圍取值，見表1。

表1　非標(biāo)準(zhǔn)頻率輥道變頻電機(jī)的磁密取值

電流密度的合理選取對(duì)電機(jī)的性能及成本非常關(guān)鍵。一般情況下我們將定子電流密度控制在3A/mm2以內(nèi)，轉(zhuǎn)子電流密度控制在2.5A/mm2以內(nèi)。

2.4　最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)

根據(jù)《GB/T 21969—2008 YGP系列輥道用變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件》中4.5條的要求，電動(dòng)機(jī)在額定電壓和額定頻率下，基準(zhǔn)工作制時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩對(duì)額定轉(zhuǎn)矩之比的保證值對(duì)于11kW以內(nèi)應(yīng)不低2.5倍，11kW以上應(yīng)不低于3倍[1]。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，非標(biāo)準(zhǔn)頻率電動(dòng)機(jī)一般最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)按3.0~3.5倍左右設(shè)計(jì)。對(duì)于運(yùn)轉(zhuǎn)過程中過轉(zhuǎn)矩次數(shù)較多、短時(shí)過轉(zhuǎn)矩能力要求高的工況，則按4.0~4.5倍左右的最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3制造

從電機(jī)制造的標(biāo)準(zhǔn)化和一致性來考慮，非標(biāo)準(zhǔn)頻率電機(jī)的結(jié)構(gòu)件和定轉(zhuǎn)子鐵心三圓尺寸均與傳統(tǒng)YGA/YGB電機(jī)一致。主要是在定子繞組和鑄鋁轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)上進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整設(shè)計(jì)。

對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)頻率電機(jī)而言，除了對(duì)其電氣性能需要特殊關(guān)注以外，對(duì)它的防護(hù)等級(jí)也要加強(qiáng)注意。在一般情況下，大多數(shù)的電機(jī)防護(hù)等級(jí)為IP54。但是在很多軋鋼現(xiàn)場的關(guān)鍵工段，考慮到水蒸汽長期存在，并且在檢修過程中經(jīng)常用高壓水槍沖洗電機(jī)表面的灰塵，這些地方的電機(jī)防護(hù)等級(jí)需要調(diào)整為IP55或者IP56。

對(duì)于IP55的防護(hù)等級(jí)，在IP54密封處理的基礎(chǔ)上增加以下措施。

(1)出線盒座底部、出線盒蓋、觀察窗蓋、端蓋止口加工環(huán)形溝槽，先在溝槽內(nèi)均勻涂抹厭氧密封膠，然后再上硅膠O型密封圈后安裝到位；

(2)出線盒座和高端蓋上的金屬出線套的螺紋外側(cè)均勻涂抹厭氧密封膠后旋緊固定到位。

對(duì)于IP56的防護(hù)等級(jí)，在IP55密封處理的基礎(chǔ)上增加以下措施。

(1)增加一個(gè)迷宮式甩水環(huán)在骨架油封前端，甩水環(huán)與軸為小過盈熱套配合，以軸用彈性擋圈進(jìn)行軸向定位；

(2)軸承內(nèi)蓋的絲孔不鉆穿，軸承外蓋鉆孔后表面锪孔，聯(lián)接螺栓上增加硅膠O形密封圈；

(3)適量增加端蓋與機(jī)座之間、軸承內(nèi)外蓋之間以及出線盒座、蓋之間的聯(lián)接螺栓數(shù)量。[4]

我公司根據(jù)客戶要求設(shè)計(jì)制造了兩款非標(biāo)準(zhǔn)頻率電機(jī)，以取代在某軋鋼廠熱送線螺紋鋼生產(chǎn)線電氣化改造項(xiàng)目上面所使用數(shù)臺(tái)YGA 20極輥道電動(dòng)機(jī)。原輥道電機(jī)在軋鋼廠生產(chǎn)任務(wù)不飽滿的情況下，試車過程中已經(jīng)出現(xiàn)機(jī)座表面溫度過高(現(xiàn)場測量接近100°)并呈不斷上升趨勢。我們?yōu)樵摴驹O(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)頻率電機(jī)為額定電壓380V，基準(zhǔn)頻率25Hz。

下面將兩款(分別命名為1#和2#)非標(biāo)準(zhǔn)頻率電機(jī)性能參數(shù)設(shè)計(jì)值與需要替換的常規(guī)輥道電機(jī)性能參數(shù)測量值列表進(jìn)行對(duì)比，見表2、表3。

表2　1#電機(jī)參數(shù)對(duì)比表

表3　2#電機(jī)參數(shù)對(duì)比表(1)

從表2和表3可以看出，雖然標(biāo)稱功率比普通YGa電機(jī)要大很多，但是兩款非標(biāo)準(zhǔn)頻率YGP電機(jī)的空載電流比原20極輥道電機(jī)卻要小了一半左右，相反地非標(biāo)準(zhǔn)頻率電機(jī)的額定電流也有較大的降低，同時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)出轉(zhuǎn)矩值提升幅度大，過載能力強(qiáng)，機(jī)械特性硬。

參考文獻(xiàn)根據(jù)[1]中型式試驗(yàn)的相關(guān)要求，分別對(duì)1#和2#電機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)測值與設(shè)計(jì)值吻合度好。按照S1連續(xù)工作制全功率做熱試驗(yàn)，電機(jī)繞組溫升值分別為65K和80K。另外在控制起動(dòng)電流不超過2倍額定電流的情況下，兩款電機(jī)1Hz時(shí)的低頻起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)均大于2倍額定轉(zhuǎn)矩。

這兩款非標(biāo)準(zhǔn)頻率電機(jī)到現(xiàn)場裝機(jī)后經(jīng)現(xiàn)場連續(xù)監(jiān)測，在實(shí)際負(fù)荷情況已經(jīng)接近滿負(fù)荷的情況下，電機(jī)機(jī)座外殼溫度約在50℃～60℃區(qū)間波動(dòng)，電流波動(dòng)小，電機(jī)機(jī)械性能好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，非標(biāo)準(zhǔn)頻率電機(jī)整體性能明顯優(yōu)于現(xiàn)場原有YGA 20極輥道電動(dòng)機(jī)，鋼廠在使用過程中非常滿意。

4結(jié)語

總之,我們可以通過采用特殊非標(biāo)準(zhǔn)頻率的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使輥道變頻電動(dòng)機(jī)具有空載電流小、滿載電流低、過載能力強(qiáng)和低頻起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)勢。同時(shí)這樣的方案還可以減少機(jī)械傳遞環(huán)節(jié)，簡化控制要求和減少設(shè)備運(yùn)行的維護(hù)保養(yǎng)頻次，提高結(jié)構(gòu)整體運(yùn)行效率。另外，由于運(yùn)行電流的降低，配套變頻器的容量可以相應(yīng)變小，再加上減速機(jī)的取消，整個(gè)輥道傳動(dòng)系統(tǒng)的投資也同樣降低，這對(duì)投資者來說是一個(gè)多贏的局面。

直聯(lián)式非標(biāo)準(zhǔn)頻率的輥道變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)將在輥道生產(chǎn)線中得到廣泛的應(yīng)用。由于工業(yè)布局的理念不同，對(duì)于軋鋼現(xiàn)場各工段而言，其工藝要求千差萬別,對(duì)輥道電機(jī)的具體要求也是各種各樣。我們可以根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的轉(zhuǎn)速和負(fù)載運(yùn)行曲線要求,有針對(duì)性地設(shè)計(jì)各種特殊基準(zhǔn)頻率的非標(biāo)準(zhǔn)頻率電機(jī),從而使電動(dòng)機(jī)能夠獲得更好機(jī)械性能。

[1]GB/T 21969—2008 YGP系列輥道用變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件.

[2]湯蘊(yùn)璆.電機(jī)學(xué)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3]崔楊，胡虔生，黃允凱.任意頻率正弦波條件下鐵磁材料損耗的計(jì)算.微電機(jī)，2007.8.

[4]唐慶華，淺談船用起重用繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與制造.防爆電機(jī)，2015.5.

Development of Variable-Frequency Adjustable-Speed Roller Table

Motor with Non-Standard Frequency

TangQinghua

(China Changjiang National Shipping Group Motor Factory, Wuhan 430205, China)

AbstractThis paper introduces the advantages of non-standard frequency roller table motors compared with traditional YG series low-speed motors, puts forward the focus of attention in electromagnetic design and manufacturing processes of the motor, and provides the corresponding instance data and comparison analysis. Practical application results show that direct-connected variable-frequency adjustable-speed roller table motor with non-standard frequency can be widely used in roller table production line.

Key wordsRoller table；variable-frequency adjustable-speed；current；torque；temperature rise

收稿日期：2015-10-14

作者簡介：唐慶華男1976年生；畢業(yè)于湖南工程學(xué)院，起重冶金及屏蔽電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)委員，現(xiàn)從事電機(jī)設(shè)計(jì)及技術(shù)管理工作.

中圖分類號(hào)：TM301.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-7281(2015)06-0023-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.06.08