热轧无缝钢管1000kW变频异步电动机设计

(天津赛瑞机器设备有限公司，天津 300300)

0 引言

随着大功率变频器发展，越来越多的生产厂家对在工艺上有调速要求的电动机已经倾向于使用交流变频电机，交流变频电机通过调整变频器的频率，可以得到所需要的速度，而且交流变频调速电机有着许多的优点，有逐步替代直流电机的趋势，在这里不再详述。

某公司的PQF机组是世界先进的钢管轧制技术，Φ460mm热轧无缝钢管生产线上连轧管共有1～5机架，1#、4#机架主电机功率为800kW,2#、3#机架主电机功率为1000kW，5#机架主电机功率为400kW。以下根据无缝管轧制工艺要求就2#、3#机架1000kW主电机的设计思路和方法介绍如下。

1 电机选型

1.1 生产工艺对电动机的技术要求

某国外公司根据无缝管轧制工艺对此电机提出以下技术要求：驱动类型 ：单驱动；电机到减速箱速度(rpm)：360～720～1200；额定转矩/速度(Nm)/(rpm)：13264 / 720；起动转矩(Nm)：33160；最大转矩(Nm)：33160；额定功率(kW)：1000(at720rpm)；过载能力：2.5倍(全速范围内)；工作制：S9；旋转方向：正反；安装方式：IM B3 (1001)；防护等级：IP54；轧制周期(c/h)：90次/小时(40秒/次)；冷却方式：IC0541；环境温度(℃)：+5～+40(超过 55℃特殊情况下，降低轧制节奏)。

轧制工艺负载情况如下：最坏情况下载荷图(基速时负载周期曲线)，见图1。功率/速度-曲线，如图2所示。转矩/速度-曲线，如图3所示。

图1 最坏情况下载荷图

图2 功率/速度曲线图

图3 转矩/速度曲线图

1.2 电动机极数选择及容量校验

某公司根据连轧管工艺要求,已经初步选取电动机额定功率为1000kW,这时的功率是在基速720rpm时的数值。针对恒功率区，还要对电动机容量进一步校验, 对应不同的频率检查是否符合工艺中的其它要求。

1.2.1 电机极数选择

异步电动机同步转速公式为

n=60f/p

(1)

从式(1)中可知，如果频率可以自由改变，要想得到相应转速，对于电机的极数来说，可以任意选择，见表1。

表1 不同极数对应不同频率

但通过电磁计算可以发现，4极和6极电机较易获得较高的过载倍数和较高的功率因数。本电机的转速范围为360～720～1200rpm，720rpm时是基速，当选择4极电机时，基速时频率为24Hz，低速时频率12Hz,高速时的频率40Hz；当选用6极电机时，基数时频率为36Hz，低速时的频率为18Hz,高速时的频率为60Hz。对于变频器来说，一般中压变频范围为8～75Hz(如ABB ACS6000装置)，频率接近工频，能更好的发挥电动机的最大出力,对变频器的选择也有利，因此本电机选择6极电机。

1.2.2 等效功率校核

根据上面工艺要求及载荷图(图1)中可以看到，连轧管电动机的工作制是S9，是属于周期性的波动负载,电机初选额定功率PN为1000kW。对电动机进行功率校核，电动机等效功率可用按下式计算

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

(2)

式中，Pd—等效功率；Pj—咬钢时尖峰功率；Tj—尖峰功率持续时间；Pm1—轧制功率；Tm1—轧制时间；Pm2—空载功率；Tm2—空载时间；Tc—一个周期的时间。

按式(2)计算电动机的等效功率，在最坏载荷图曲线上可用看到

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小于电机的额定功率PN,初选电动机功率校核通过。

1.2.3 发热校验

对于电动机发热校核一般应用等效转矩法进行校验。对不要求调速的的电机，只校核基速下的参数就可以；而对于有调速要求的电机，因为在电机转速上升后，转矩会降低，所以除了校核基速下参数外，还要校核高速时的参数是否符合。参考图2、图3。

转矩与功率的关系式为

MN=9550PN/n

(3)

式中，MN—电机额定转矩， N·m；PN—电动机额定功率，kW；n—电动机转速，r/min。

在额定点时(基速720rpm)

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MN=13263.89 N·m

等效转矩Md为

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

(4)

式中，Md—等效转矩；Mj—咬钢时转矩，Mj=9550Pj/n；Tj—咬钢是持续时间,Tj=1s；Mm1—正常轧制转矩，Mm1=9550×Pm1/n；Tm1—轧制时间；Mm2—空载时转矩，Mm2=9550Pm2/n；Tm2—空载时间；Tc—一个周期的时间。

基速720r/min时，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时，由于速度提高到1200r/min，因此一个周期的时间为

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

高速时额定转矩(高速1200rpm)，MN2=9.55×PN/n2=7958.33N·m

MN2—恒功率高速时的额定转矩，Md2

表2 发热校核结果

从上表2可以看到基速和高速时的等效转矩都小于相应转速的电机转矩，因此发热校验通过。

1.2.4 过载能力校核

过载能力也就是指电动机的能承受的最大转矩，它是异步电动机的重要性能指标之一，对于调速电动机而言，在恒转矩(基速以下)调速范围内，转矩保持不变，电机的主磁通保持不变，电压随频率作正比变化(低频时进行相应电压补偿)，电机最大转矩不变；在恒功率(基速以上)运行时，功率保持不变，电压一般保持不变，随着频率升高(磁通降低)，电动机输出的最大转矩会下降。因此，要做到恒功率调节还需考虑过载能力的影响。

从转矩/速度-曲线(图3)和功率/速度-曲线(图2)上可以看到，基速时(720rpm)额定转矩为13264N·m，高速时(1200rpm)额定转矩7958.3N·m，基速时要求的最大转矩为33160N·m，高速时要求的最大转矩为20000N·m，也就是轧制工艺的要求在整个速度范围内都要满足2.5倍以上的过载能力。720rpm以下为恒转矩区(转矩过载2.5倍)，720rpm以上为恒功率区(功率过载2.5倍)，电动机运行时要保证能够输出如图2、图3所示得功率、转矩特性，因此要校核电动机的过载能力。

由式(3)计算得

基速时，额定转矩

MN=9550×1000/720=13263.89N·m

高速时，额定转矩

MN2=9550×1000/1200=7958.3N·m

根据电机原理，异步电动机的最大转矩有以下关系

Mmax=C(U1/f1)2

(5)

式中，Mmax—最大转矩(基速时)；C—常数(电机设计制造好后，固定的常数)；U1—电机额定电压(基速时)；f1—额定频率(基速时)。

电动机的恒功率调速段的最大转矩和额定转矩之间有以下关系

基速时，

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

(6)

高速时，

MN2=Mmax2/Km2=C×(U2/f2)2/Km2

(7)

式中，Km1—基速时最大转矩倍数；U2—高速时电压；f2—高速时频率；Mmax2—高速时最大转矩；Km2—高速时最大转矩倍数。

MN/MN2=(U12f22Km2)/(U22f12Km1)

(8)

又由于恒功率调速时，功率不变，PN=P2

基速时

MN=9550×PN/n1=9550×PN/(60f1/p)

高速时

MN2=9550×P2/n2=9550×P2/(60f2/p)

MN/MN2=f2/f1

(9)

根据式(8)、式(9)得到下式

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

(10)

在U1=U2情况下

Km2/Km1=f1/f2

(11)

一般情况下，在恒功率区，保持电压恒定不变。从式(11)可以看到，频率f1升到f2时，则过载倍数由Km1降为Km2。轧管工艺要求中规定在整个轧管速度范围内都要求达到2.5倍的过载，所以要对全速范围内的载荷能力都要进行校核，因此，高速时的过载倍数Km2要保证在2.5以上，基数时的过载倍数就为

Km1=Km2f2/f1=2.5×60/36=4.17

所以在电磁计算时要对高速和低速两个速度时的过载能力进行校核，对于本电机在电磁设计时就要求高速时最大转矩倍数Km2在2.5倍以上，根据式(11)在基速时就要保证在4.17倍以上。

因在工艺过程中电动机不带负载起动，所以不用进行最小起动转矩和最大飞轮矩的校验。

1.3 选型

根据防护等级要求为IP54，而且电机要经常的有过载要求，对机座强度上要求较高，因此选择带散热筋的紧凑型结构；由于是变频电机，速度要变化，如选择在轴上装风叶冷却，会因转速的变化，影响风扇的冷却效果，因此选择为由独立风扇外部强迫冷却；结合电机的功率以及安装型式要求，所选电机铭牌主要数据：电机型号：560-6；额定功率：1000/1000kW；额定电压：690/690V；额定电流：1027.9/959A；额定频率：36.2/60.3Hz；额定转速：720.5/1200rpm；功率因数：0.85/0.91；恒功率范围：36.2～60.3Hz；恒转矩范围：18.2～36.2Hz；防护等级：IP54；冷却方式：IC416；绝缘等级：F。

2 电机电磁设计

根据前面对电机初步的选型，确定本电机相关铁心及线圈数据，选用50WW470硅钢片，转子选用铜条转子，定转子槽型如图4、图5，其它数据如下表3。

图4 定子槽型

图5 转子槽型

名称数值定子外径(mm)950定子内径(mm)670转子内径(mm)349气隙(mm)2铁芯总长(mm)830槽配合72/86定子节距10定子每槽导体数13定子线规2-3.55×5.6定子接法6△

应用比较常用的上海电器科学研究所PSCR电磁设计软件程序，对在基速和高速时分别用PSCR程序进行电磁计算，计算后的性能参数见表4。

表4 电磁计算性能参数表

因低速是运行在恒转矩区域，可以不用再进行电磁计算,电磁计算后所得转矩/速度曲线如图6所示，通过以上的设计计算参数上可以看出，能够达到工艺要求的参数。

图6 电磁计算转矩/速度曲线

3 结语

本文通过实例介绍了1000kW变频调速异步电动机的设计思路及方法，并应用前面的方法进行电机设计制造后，在1200rpm时的型式试验测得最大转矩倍数为2.7，功率因数为0.916，效率为96.72%，定子绕组温升86K，和电磁计算所得的数据基本吻合。现已用到生产现场，完全符合轧制工艺的各项要求，证明以上方法完全可行，为以后其它类似轧钢用变频电动机的工程设计制造打下基础。