(天津賽瑞機器設(shè)備有限公司，天津 300300)

0 引言

隨著大功率變頻器發(fā)展，越來越多的生產(chǎn)廠家對在工藝上有調(diào)速要求的電動機已經(jīng)傾向于使用交流變頻電機，交流變頻電機通過調(diào)整變頻器的頻率，可以得到所需要的速度，而且交流變頻調(diào)速電機有著許多的優(yōu)點，有逐步替代直流電機的趨勢，在這里不再詳述。

某公司的PQF機組是世界先進的鋼管軋制技術(shù)，Φ460mm熱軋無縫鋼管生產(chǎn)線上連軋管共有1～5機架，1#、4#機架主電機功率為800kW,2#、3#機架主電機功率為1000kW，5#機架主電機功率為400kW。以下根據(jù)無縫管軋制工藝要求就2#、3#機架1000kW主電機的設(shè)計思路和方法介紹如下。

1 電機選型

1.1 生產(chǎn)工藝對電動機的技術(shù)要求

某國外公司根據(jù)無縫管軋制工藝對此電機提出以下技術(shù)要求：驅(qū)動類型 ：單驅(qū)動；電機到減速箱速度(rpm)：360～720～1200；額定轉(zhuǎn)矩/速度(Nm)/(rpm)：13264 / 720；起動轉(zhuǎn)矩(Nm)：33160；最大轉(zhuǎn)矩(Nm)：33160；額定功率(kW)：1000(at720rpm)；過載能力：2.5倍(全速范圍內(nèi))；工作制：S9；旋轉(zhuǎn)方向：正反；安裝方式：IM B3 (1001)；防護等級：IP54；軋制周期(c/h)：90次/小時(40秒/次)；冷卻方式：IC0541；環(huán)境溫度(℃)：+5～+40(超過 55℃特殊情況下，降低軋制節(jié)奏)。

軋制工藝負載情況如下：最壞情況下載荷圖(基速時負載周期曲線)，見圖1。功率/速度-曲線，如圖2所示。轉(zhuǎn)矩/速度-曲線，如圖3所示。

圖1 最壞情況下載荷圖

圖2 功率/速度曲線圖

圖3 轉(zhuǎn)矩/速度曲線圖

1.2 電動機極數(shù)選擇及容量校驗

某公司根據(jù)連軋管工藝要求,已經(jīng)初步選取電動機額定功率為1000kW,這時的功率是在基速720rpm時的數(shù)值。針對恒功率區(qū)，還要對電動機容量進一步校驗, 對應(yīng)不同的頻率檢查是否符合工藝中的其它要求。

1.2.1 電機極數(shù)選擇

異步電動機同步轉(zhuǎn)速公式為

n=60f/p

(1)

從式(1)中可知，如果頻率可以自由改變，要想得到相應(yīng)轉(zhuǎn)速，對于電機的極數(shù)來說，可以任意選擇，見表1。

表1 不同極數(shù)對應(yīng)不同頻率

但通過電磁計算可以發(fā)現(xiàn)，4極和6極電機較易獲得較高的過載倍數(shù)和較高的功率因數(shù)。本電機的轉(zhuǎn)速范圍為360～720～1200rpm，720rpm時是基速，當選擇4極電機時，基速時頻率為24Hz，低速時頻率12Hz,高速時的頻率40Hz；當選用6極電機時，基數(shù)時頻率為36Hz，低速時的頻率為18Hz,高速時的頻率為60Hz。對于變頻器來說，一般中壓變頻范圍為8～75Hz(如ABB ACS6000裝置)，頻率接近工頻，能更好的發(fā)揮電動機的最大出力,對變頻器的選擇也有利，因此本電機選擇6極電機。

1.2.2 等效功率校核

根據(jù)上面工藝要求及載荷圖(圖1)中可以看到，連軋管電動機的工作制是S9，是屬于周期性的波動負載,電機初選額定功率PN為1000kW。對電動機進行功率校核，電動機等效功率可用按下式計算

Pd=[(Pj2Tj+Pm12Tm1+Pm22Tm2)/Tc]1/2

(2)

式中，Pd—等效功率；Pj—咬鋼時尖峰功率；Tj—尖峰功率持續(xù)時間；Pm1—軋制功率；Tm1—軋制時間；Pm2—空載功率；Tm2—空載時間；Tc—一個周期的時間。

按式(2)計算電動機的等效功率，在最壞載荷圖曲線上可用看到

Pj=2500kW；Tj=1s；Pm1=2000kW；Tm1=7s；Pm2=200kW；Tm2=32s；Tc=40s

代入式(2)，Pd=942.47kW

等效功率Pd小于電機的額定功率PN,初選電動機功率校核通過。

1.2.3 發(fā)熱校驗

對于電動機發(fā)熱校核一般應(yīng)用等效轉(zhuǎn)矩法進行校驗。對不要求調(diào)速的的電機，只校核基速下的參數(shù)就可以；而對于有調(diào)速要求的電機，因為在電機轉(zhuǎn)速上升后，轉(zhuǎn)矩會降低，所以除了校核基速下參數(shù)外，還要校核高速時的參數(shù)是否符合。參考圖2、圖3。

轉(zhuǎn)矩與功率的關(guān)系式為

MN=9550PN/n

(3)

式中，MN—電機額定轉(zhuǎn)矩， N·m；PN—電動機額定功率，kW；n—電動機轉(zhuǎn)速，r/min。

在額定點時(基速720rpm)

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MN=13263.89 N·m

等效轉(zhuǎn)矩Md為

Md=[(Mj2Tj+Mm12Tm1+Mm22Tm2)/Tc]1/2

(4)

式中，Md—等效轉(zhuǎn)矩；Mj—咬鋼時轉(zhuǎn)矩，Mj=9550Pj/n；Tj—咬鋼是持續(xù)時間,Tj=1s；Mm1—正常軋制轉(zhuǎn)矩，Mm1=9550×Pm1/n；Tm1—軋制時間；Mm2—空載時轉(zhuǎn)矩，Mm2=9550Pm2/n；Tm2—空載時間；Tc—一個周期的時間。

基速720r/min時，Mj=33159.72 N·m，Mm1=26527.78 N·m，Mm2=2652.78 N·m 。

代入式(4)，得Md=12500.82 N·m，Md

高速1200r/min時，由于速度提高到1200r/min，因此一個周期的時間為

Tc2=720/1200×Tc=24s

Tj2=720/1200×Tj=0.6s

Tm12=720/1200×Tm1=4.2s

Tm22=720/1200×Tm2=19.2s

Mj2=720/1200×Mj=19895.83N·m

Mm12=720/1200×Mm1=15916.7N·m

Mm22=720/1200×Mm2=1591.67N·m

代入式(4)，得Md2=7500.54N·m

高速時額定轉(zhuǎn)矩(高速1200rpm)，MN2=9.55×PN/n2=7958.33N·m

MN2—恒功率高速時的額定轉(zhuǎn)矩，Md2

表2 發(fā)熱校核結(jié)果

從上表2可以看到基速和高速時的等效轉(zhuǎn)矩都小于相應(yīng)轉(zhuǎn)速的電機轉(zhuǎn)矩，因此發(fā)熱校驗通過。

1.2.4 過載能力校核

過載能力也就是指電動機的能承受的最大轉(zhuǎn)矩，它是異步電動機的重要性能指標之一，對于調(diào)速電動機而言，在恒轉(zhuǎn)矩(基速以下)調(diào)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩保持不變，電機的主磁通保持不變，電壓隨頻率作正比變化(低頻時進行相應(yīng)電壓補償)，電機最大轉(zhuǎn)矩不變；在恒功率(基速以上)運行時，功率保持不變，電壓一般保持不變，隨著頻率升高(磁通降低)，電動機輸出的最大轉(zhuǎn)矩會下降。因此，要做到恒功率調(diào)節(jié)還需考慮過載能力的影響。

從轉(zhuǎn)矩/速度-曲線(圖3)和功率/速度-曲線(圖2)上可以看到，基速時(720rpm)額定轉(zhuǎn)矩為13264N·m，高速時(1200rpm)額定轉(zhuǎn)矩7958.3N·m，基速時要求的最大轉(zhuǎn)矩為33160N·m，高速時要求的最大轉(zhuǎn)矩為20000N·m，也就是軋制工藝的要求在整個速度范圍內(nèi)都要滿足2.5倍以上的過載能力。720rpm以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)(轉(zhuǎn)矩過載2.5倍)，720rpm以上為恒功率區(qū)(功率過載2.5倍)，電動機運行時要保證能夠輸出如圖2、圖3所示得功率、轉(zhuǎn)矩特性，因此要校核電動機的過載能力。

由式(3)計算得

基速時，額定轉(zhuǎn)矩

MN=9550×1000/720=13263.89N·m

高速時，額定轉(zhuǎn)矩

MN2=9550×1000/1200=7958.3N·m

根據(jù)電機原理，異步電動機的最大轉(zhuǎn)矩有以下關(guān)系

Mmax=C(U1/f1)2

(5)

式中，Mmax—最大轉(zhuǎn)矩(基速時)；C—常數(shù)(電機設(shè)計制造好后，固定的常數(shù))；U1—電機額定電壓(基速時)；f1—額定頻率(基速時)。

電動機的恒功率調(diào)速段的最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩之間有以下關(guān)系

基速時，

MN=Mmax/Km1=C(U1/f1)2/Km1

(6)

高速時，

MN2=Mmax2/Km2=C×(U2/f2)2/Km2

(7)

式中，Km1—基速時最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)；U2—高速時電壓；f2—高速時頻率；Mmax2—高速時最大轉(zhuǎn)矩；Km2—高速時最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)。

MN/MN2=(U12f22Km2)/(U22f12Km1)

(8)

又由于恒功率調(diào)速時，功率不變，PN=P2

基速時

MN=9550×PN/n1=9550×PN/(60f1/p)

高速時

MN2=9550×P2/n2=9550×P2/(60f2/p)

MN/MN2=f2/f1

(9)

根據(jù)式(8)、式(9)得到下式

(U2/U2)2=(f2Km2)/(f1Km1)

(10)

在U1=U2情況下

Km2/Km1=f1/f2

(11)

一般情況下，在恒功率區(qū)，保持電壓恒定不變。從式(11)可以看到，頻率f1升到f2時，則過載倍數(shù)由Km1降為Km2。軋管工藝要求中規(guī)定在整個軋管速度范圍內(nèi)都要求達到2.5倍的過載，所以要對全速范圍內(nèi)的載荷能力都要進行校核，因此，高速時的過載倍數(shù)Km2要保證在2.5以上，基數(shù)時的過載倍數(shù)就為

Km1=Km2f2/f1=2.5×60/36=4.17

所以在電磁計算時要對高速和低速兩個速度時的過載能力進行校核，對于本電機在電磁設(shè)計時就要求高速時最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Km2在2.5倍以上，根據(jù)式(11)在基速時就要保證在4.17倍以上。

因在工藝過程中電動機不帶負載起動，所以不用進行最小起動轉(zhuǎn)矩和最大飛輪矩的校驗。

1.3 選型

根據(jù)防護等級要求為IP54，而且電機要經(jīng)常的有過載要求，對機座強度上要求較高，因此選擇帶散熱筋的緊湊型結(jié)構(gòu)；由于是變頻電機，速度要變化，如選擇在軸上裝風(fēng)葉冷卻，會因轉(zhuǎn)速的變化，影響風(fēng)扇的冷卻效果，因此選擇為由獨立風(fēng)扇外部強迫冷卻；結(jié)合電機的功率以及安裝型式要求，所選電機銘牌主要數(shù)據(jù)：電機型號：560-6；額定功率：1000/1000kW；額定電壓：690/690V；額定電流：1027.9/959A；額定頻率：36.2/60.3Hz；額定轉(zhuǎn)速：720.5/1200rpm；功率因數(shù)：0.85/0.91；恒功率范圍：36.2～60.3Hz；恒轉(zhuǎn)矩范圍：18.2～36.2Hz；防護等級：IP54；冷卻方式：IC416；絕緣等級：F。

2 電機電磁設(shè)計

根據(jù)前面對電機初步的選型，確定本電機相關(guān)鐵心及線圈數(shù)據(jù)，選用50WW470硅鋼片，轉(zhuǎn)子選用銅條轉(zhuǎn)子，定轉(zhuǎn)子槽型如圖4、圖5，其它數(shù)據(jù)如下表3。

圖4 定子槽型

圖5 轉(zhuǎn)子槽型

名稱數(shù)值定子外徑(mm)950定子內(nèi)徑(mm)670轉(zhuǎn)子內(nèi)徑(mm)349氣隙(mm)2鐵芯總長(mm)830槽配合72/86定子節(jié)距10定子每槽導(dǎo)體數(shù)13定子線規(guī)2-3.55×5.6定子接法6△

應(yīng)用比較常用的上海電器科學(xué)研究所PSCR電磁設(shè)計軟件程序，對在基速和高速時分別用PSCR程序進行電磁計算，計算后的性能參數(shù)見表4。

表4 電磁計算性能參數(shù)表

因低速是運行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，可以不用再進行電磁計算,電磁計算后所得轉(zhuǎn)矩/速度曲線如圖6所示，通過以上的設(shè)計計算參數(shù)上可以看出，能夠達到工藝要求的參數(shù)。

圖6 電磁計算轉(zhuǎn)矩/速度曲線

3 結(jié)語

本文通過實例介紹了1000kW變頻調(diào)速異步電動機的設(shè)計思路及方法，并應(yīng)用前面的方法進行電機設(shè)計制造后，在1200rpm時的型式試驗測得最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為2.7，功率因數(shù)為0.916，效率為96.72%，定子繞組溫升86K，和電磁計算所得的數(shù)據(jù)基本吻合。現(xiàn)已用到生產(chǎn)現(xiàn)場，完全符合軋制工藝的各項要求，證明以上方法完全可行，為以后其它類似軋鋼用變頻電動機的工程設(shè)計制造打下基礎(chǔ)。