（中冶南方工程技術有限公司電氣自動化設計所，湖北武漢 430223）

引言

開卷機是冷軋生產(chǎn)的重要設備，為保證產(chǎn)品質(zhì)量和帶材的張力控制精度[1-2]，需要進行精確的卷徑計算和張力控制[3-4]。在冷軋生產(chǎn)中，開卷機隨著卷徑的不斷變化需要超頻運行[5]，電機需要有一定的過載能力[6]，并且開卷機的負載曲線呈恒功率特性。因此，在選擇開卷機電機時，需要注意選擇電機的額定頻率和額定轉矩。如果選擇工頻50 Hz 的開卷機，電機功率選擇會很大，其電機在工頻以下很浪費，并且其變頻器的選擇也會很大，其造價成本會很高。為了節(jié)約成本，提高電機的利用率，達到節(jié)能降耗的目的，需要根據(jù)現(xiàn)場的開卷機恒功率負載特性曲線，選擇小于工頻50 Hz 的額定頻率，并考慮其額定轉矩的非標電機。

1 負載的恒轉矩與恒功率特性

恒轉矩調(diào)速是指當速度變化時負載轉矩基本保持不變；恒功率調(diào)速是指速度變化時負載功率基本保持不變。根據(jù)負載特性曲線，并結合負載的轉矩和功率來選擇電動機和變頻器。

恒轉矩負載的特點是負載轉矩與轉速無關，任何轉速下轉矩總保持恒定或基本恒定。應用場合比如傳送帶、攪拌機，擠壓機等摩擦類負載以及吊車、提升機等位能負載，恒轉矩負載曲線如圖1所示。

恒功率負載的特點是功率基本上與轉速成反比，這就是所謂的恒功率負載。負載的恒功率性質(zhì)應該是在一定的速度變化范圍而言的。當轉速很低時，受機械強度的限制，在轉矩不可能無限增大的情況下，在低速下轉變?yōu)楹戕D矩性質(zhì)。應用場合比如機床主軸和軋機、造紙機、卷取機、開卷機等負載。恒功率負載曲線如圖2所示。

圖1 恒轉矩負載曲線

圖2 恒功率負載曲線

負載的恒功率區(qū)和恒轉矩區(qū)對傳動方案的選擇有影響，電動機在恒磁通調(diào)速時，最大容許輸出轉矩不變，屬于恒轉矩調(diào)速；而在弱磁調(diào)速時，最大容許輸出轉矩與速度成反比，屬于恒功率調(diào)速。如果電動機的恒轉矩和恒功率調(diào)速的范圍與負載的恒轉矩和恒功率范圍一致時，即所謂“匹配”的情況下，電動機的容量和變頻器均最小。

2 開卷機恒功率負載特性分析

在冷軋生產(chǎn)中，開卷機在運行時，線速度和張力基本保持不變。因此，當隨著開卷機的運行，開卷機鋼卷的卷徑不停地減小，為了保持線速度恒定，電機轉速不停地增加；為了保持帶鋼張力恒定，電機的輸出轉矩不停地減小。通過下面的公式可以證明開卷機的恒功率負載特性。

式中：P－功率；

Tq－電機輸出轉矩;

N－電機轉速；

T－帶鋼的實際張力；

D－鋼卷直徑；

i－減速比；

V－帶鋼的實際線速度。

開卷機運行時帶鋼的張力和線速度恒定，由式(4)可以看出轉速增加時，開卷機的功率保持不變，因此開卷機是恒功率負載。

3 開卷機的標準電機與非標電機

3.1 標準電機的開卷機

開卷機速度小于額定速度50 Hz 時，標準電機的輸出轉矩是額定轉矩，此段是恒轉矩段。當速度超過額定速度50 Hz 時，超頻運行，標準電機隨著速度增加，輸出轉矩不斷減小，此段是恒功率段。標準電機的開卷機曲線如圖3所示。在恒轉矩段和恒功率段其過載能力基本保持不變。

圖3 標準電機的開卷機曲線

由于開卷機負載特性曲線是恒功率特性，當選擇標準電機時，電機在0～50 Hz 內(nèi)的恒轉矩段需要匹配開卷機負載，要求其電機驅動的能力很大。因此，造成了開卷機標準電機選擇上功率的浪費。

3.2 非標電機的開卷機

開卷機速度小于額定速度50 Hz 時，非標電機的輸出轉矩一部分是恒轉矩段，另一部分是恒功率段。當速度超過額定速度50 Hz 時，超頻運行，都是恒功率段。非標電機的開卷機曲線如圖4所示。非標電機的過載能力隨著轉速的上升逐漸下降。

由于開卷機負載特性曲線是恒功率特性，因此需要考慮非標電機恒功率段可以較好的匹配開卷機負載，有效地利用非標電機的功率。

式中：U－輸出電壓；

Ce－電動勢常數(shù)；

φ－主磁通；

CT－轉矩常數(shù)；

Ia－電樞電流。

圖4 非標電機的開卷機曲線

在0～16 Hz 之間，電機工作在恒轉矩段，輸出電壓為270 V。隨著速度的增加，電機允許長時間輸出的轉矩不變，電機的最大過載轉矩保持不變。

在16～35 Hz 之間，電機工作在恒功率段，輸出電壓也由270 V 變?yōu)?80 V。隨著速度的增加，電機允許長時間輸出的轉矩隨著速度的增加逐漸減小，電機的最大過載轉矩也在逐漸減少。由式(5)可知，速度增加，電壓相應增加，可以保持磁通φ不變。因此由于磁通φ不變，電機的過載能力沒有減小。

在35～50 Hz 之間，電機工作在恒功率段，輸出電壓為380 V。隨著速度的增加，電機允許長時間輸出的轉矩隨著速度的增加逐漸減小，電機的最大過載轉矩也在逐漸減少。由式(5)可知，速度增加，電壓保持不變，磁通φ相應減小。因此由于磁通φ減小，電機的過載能力下降。

在50～60 Hz 之間，電機工作在恒功率段，其過程與35～50 Hz 之間基本相同。由于磁通φ持續(xù)減小，電機的過載能力進一步下降。

4 開卷機非標電機結果分析

根據(jù)圖3 列出標準電機的頻率、速度、電壓、轉矩、最大轉矩和轉矩過載倍數(shù)，如表1所示。

表1 開卷機標準電機對應表

表1 所示的開卷機標準電機，其額定頻率是50 Hz,額定轉速是1490 r∕min，額定電壓是380 V，額定轉矩是4712 N·m，利用公式(1)計算標準電機額定功率P1為735 kW。

根據(jù)圖4 列出非標電機的頻率、速度、電壓、轉矩、最大轉矩和轉矩過載倍數(shù)，如表2所示。

表2 開卷機非標電機對應表

表2 所示開卷機標準電機，其額定頻率是16 Hz,額定轉速是456 r∕min，額定電壓是270 V，額定轉矩是4712 N·m，利用公式(1)計算非標電機額定功率P2為225 kW。

在冷軋機組中，針對相同的開卷機負載，P1?P2，開卷機選擇標準電機的功率遠遠大于開卷機選擇非標電機的功率。因此，從有效節(jié)約成本，提高電機利用率，降低電機和變頻器的功率，為節(jié)約成本，達到節(jié)能降耗方面的綜合考慮，開卷機需要選擇非標電機。