至德鋼業(yè)熱軋不銹鋼無縫鋼管1000kW變頻異步電動機(jī)設(shè)計(jì)

 浙江至德鋼業(yè)有限公司技術(shù)人員介紹了熱軋不銹鋼無縫鋼管連軋管用1000kW變頻電動機(jī)的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法，根據(jù)軋制工藝的技術(shù)要求，對該電機(jī)進(jìn)行選型和電磁設(shè)計(jì)，其中包括對電機(jī)容量的校驗(yàn)，過載能力的校驗(yàn)等，主要用于工程設(shè)計(jì)和制造。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(jī)已經(jīng)傾向于使用交流變頻電機(jī)，交流變頻電機(jī)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(jī)有著許多的優(yōu)點(diǎn)，有逐步替代直流電機(jī)的趨勢，在這里不再詳述。某公司的PQF機(jī)組是世界先進(jìn)的鋼管軋制技術(shù)，Φ460mm熱軋不銹鋼無縫鋼管生產(chǎn)線上連軋管共有1～5機(jī)架，1#、4#機(jī)架主電機(jī)功率為800kW，2#、3#機(jī)架主電機(jī)功率為1000kW，5#機(jī)架主電機(jī)功率為400kW。以下根據(jù)不銹鋼無縫管軋制工藝要求就2#、3#機(jī)架1000kW主電機(jī)的設(shè)計(jì)思路和方法介紹如下。

一、電機(jī)選型

  生產(chǎn)工藝對電動機(jī)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(jī)提出以下技術(shù)要求:驅(qū)動類型:單驅(qū)動;電機(jī)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(hù)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(fù)載情況如下:最壞情況下載荷圖(基速時負(fù)載周期曲線)，見圖。功率/速度-曲線，如圖所示。轉(zhuǎn)矩/速度-曲線，如圖所示。

二、電動機(jī)極數(shù)選擇及容量校驗(yàn)

 某公司根據(jù)連軋管工藝要求，已經(jīng)初步選取電動機(jī)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(jī)容量進(jìn)一步校驗(yàn)，對應(yīng)不同的頻率檢查是否符合工藝中的其它要求。

 1. 電機(jī)極數(shù)選擇

 異步電動機(jī)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(jī)的極數(shù)來說，可以任意選擇。但通過電磁計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，4極和6極電機(jī)較易獲得較高的過載倍數(shù)和較高的功率因數(shù)。本電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為360～720～1200rpm，720rpm時是基速，當(dāng)選擇4極電機(jī)時，基速時頻率為24Hz，低速時頻率12Hz，高速時的頻率40Hz;當(dāng)選用6極電機(jī)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(jī)的最大出力，對變頻器的選擇也有利，因此本電機(jī)選擇6極電機(jī)。

 2. 等效功率校核

 根據(jù)上面工藝要求及載荷圖中可以看到，連軋管電動機(jī)的工作制是S9，是屬于周期性的波動負(fù)載，電機(jī)初選額定功率PN為1000kW。對電動機(jī)進(jìn)行功率校核，電動機(jī)等效功率可用按下式計(jì)算

 Pd=［(Pj2 Tj+Pm1 2 Tm1+Pm2 2 Tm2)/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(jì)算電動機(jī)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(jī)的額定功率PN，初選電動機(jī)功率校核通過。

 3. 發(fā)熱校驗(yàn)

  對于電動機(jī)發(fā)熱校核一般應(yīng)用等效轉(zhuǎn)矩法進(jìn)行校驗(yàn)。對不要求調(diào)速的的電機(jī)，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(jī)，因?yàn)樵陔姍C(jī)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。轉(zhuǎn)矩與功率的關(guān)系式為MN=9550PN/n(3)式中，MN—電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，N·m;PN—電動機(jī)額定功率，kW;n—電動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。在額定點(diǎn)時(基速720rpm)MN=13263．89N·m等效轉(zhuǎn)矩Md為Md=［(Mj2 Tj+Mm1 2 Tm1+Mm2 2 Tm2)/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?；?20r/min時，Mj=33159．72N·m，Mm1=26527．78N·m，Mm2=2652．78N·m。代入式(4)，得Md=12500．82N·m，Md＜MN，基速時通過發(fā)熱校核。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 Tm1 2=720/1200×Tm1=4．2s Tm2 2=720/1200×Tm2=19．2s Mj2=720/1200×Mj=19895．83N·m Mm1 2=720/1200×Mm1=15916．7N·m Mm2 2=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＜MN2，所以高速時通過發(fā)熱校核。從上表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(jī)轉(zhuǎn)矩，因此發(fā)熱校驗(yàn)通過。

 4. 過載能力校核

  過載能力也就是指電動機(jī)的能承受的最大轉(zhuǎn)矩，它是異步電動機(jī)的重要性能指標(biāo)之一，對于調(diào)速電動機(jī)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(jī)的主磁通保持不變，電壓隨頻率作正比變化(低頻時進(jìn)行相應(yīng)電壓補(bǔ)償)，電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩不變;在恒功率(基速以上)運(yùn)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(jī)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-曲線和功率/速度-曲線上可以看到，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(jī)運(yùn)行時要保證能夠輸出如圖所示得功率、轉(zhuǎn)矩特性，因此要校核電動機(jī)的過載能力。

 由式計(jì)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(jī)原理，異步電動機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)制造好后，固定的常數(shù));U1—電機(jī)額定電壓(基速時);f1—額定頻率(基速時)。電動機(jī)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=(U1 2 f2 2 Km2)/(U2 2 f1 2 Km1)(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(dá)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(jìn)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=Km2 f2/f1=2.5×60/36=4.17所以在電磁計(jì)算時要對高速和低速兩個速度時的過載能力進(jìn)行校核，對于本電機(jī)在電磁設(shè)計(jì)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(jī)不帶負(fù)載起動，所以不用進(jìn)行最小起動轉(zhuǎn)矩和最大飛輪矩的校驗(yàn)。

三、選型

 根據(jù)防護(hù)等級要求為IP54，而且電機(jī)要經(jīng)常的有過載要求，對機(jī)座強(qiáng)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(jī)，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(dú)立風(fēng)扇外部強(qiáng)迫冷卻;結(jié)合電機(jī)的功率以及安裝型式要求，所選電機(jī)銘牌主要數(shù)據(jù):電機(jī)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(hù)等級:IP54;冷卻方式:IC416;絕緣等級:F。

 電機(jī)電磁設(shè)計(jì)根據(jù)前面對電機(jī)初步的選型，確定本電機(jī)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，其它數(shù)據(jù)如下表。應(yīng)用比較常用的上海電器科學(xué)研究所PSCＲ電磁設(shè)計(jì)軟件程序，對在基速和高速時分別用PSCＲ程序進(jìn)行電磁計(jì)算，計(jì)算后的性能參數(shù)見表。因低速是運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，可以不用再進(jìn)行電磁計(jì)算，電磁計(jì)算后所得轉(zhuǎn)矩/速度曲線如圖所示，通過以上的設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)上可以看出，能夠達(dá)到工藝要求的參數(shù)。

四、結(jié)語

 浙江至德鋼業(yè)有限公司通過實(shí)例介紹了1000kW變頻調(diào)速異步電動機(jī)的設(shè)計(jì)思路及方法，并應(yīng)用前面的方法進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)制造后，在1200rpm時的型式試驗(yàn)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(jì)算所得的數(shù)據(jù)基本吻合?，F(xiàn)已用到生產(chǎn)現(xiàn)場，完全符合軋制工藝的各項(xiàng)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(jī)的工程設(shè)計(jì)制造打下基礎(chǔ)。