冷轧开卷机非标电机的选择

（中冶南方工程技术有限公司电气自动化设计所，湖北武汉 430223）

引言

开卷机是冷轧生产的重要设备，为保证产品质量和带材的张力控制精度[1-2]，需要进行精确的卷径计算和张力控制[3-4]。在冷轧生产中，开卷机随着卷径的不断变化需要超频运行[5]，电机需要有一定的过载能力[6]，并且开卷机的负载曲线呈恒功率特性。因此，在选择开卷机电机时，需要注意选择电机的额定频率和额定转矩。如果选择工频50 Hz 的开卷机，电机功率选择会很大，其电机在工频以下很浪费，并且其变频器的选择也会很大，其造价成本会很高。为了节约成本，提高电机的利用率，达到节能降耗的目的，需要根据现场的开卷机恒功率负载特性曲线，选择小于工频50 Hz 的额定频率，并考虑其额定转矩的非标电机。

1 负载的恒转矩与恒功率特性

恒转矩调速是指当速度变化时负载转矩基本保持不变；恒功率调速是指速度变化时负载功率基本保持不变。根据负载特性曲线，并结合负载的转矩和功率来选择电动机和变频器。

恒转矩负载的特点是负载转矩与转速无关，任何转速下转矩总保持恒定或基本恒定。应用场合比如传送带、搅拌机，挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机等位能负载，恒转矩负载曲线如图1所示。

恒功率负载的特点是功率基本上与转速成反比，这就是所谓的恒功率负载。负载的恒功率性质应该是在一定的速度变化范围而言的。当转速很低时，受机械强度的限制，在转矩不可能无限增大的情况下，在低速下转变为恒转矩性质。应用场合比如机床主轴和轧机、造纸机、卷取机、开卷机等负载。恒功率负载曲线如图2所示。

图1 恒转矩负载曲线

图2 恒功率负载曲线

负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有影响，电动机在恒磁通调速时，最大容许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁调速时，最大容许输出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。如果电动机的恒转矩和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围一致时，即所谓“匹配”的情况下，电动机的容量和变频器均最小。

2 开卷机恒功率负载特性分析

在冷轧生产中，开卷机在运行时，线速度和张力基本保持不变。因此，当随着开卷机的运行，开卷机钢卷的卷径不停地减小，为了保持线速度恒定，电机转速不停地增加；为了保持带钢张力恒定，电机的输出转矩不停地减小。通过下面的公式可以证明开卷机的恒功率负载特性。

式中：P－功率；

Tq－电机输出转矩;

N－电机转速；

T－带钢的实际张力；

D－钢卷直径；

i－减速比；

V－带钢的实际线速度。

开卷机运行时带钢的张力和线速度恒定，由式(4)可以看出转速增加时，开卷机的功率保持不变，因此开卷机是恒功率负载。

3 开卷机的标准电机与非标电机

3.1 标准电机的开卷机

开卷机速度小于额定速度50 Hz 时，标准电机的输出转矩是额定转矩，此段是恒转矩段。当速度超过额定速度50 Hz 时，超频运行，标准电机随着速度增加，输出转矩不断减小，此段是恒功率段。标准电机的开卷机曲线如图3所示。在恒转矩段和恒功率段其过载能力基本保持不变。

图3 标准电机的开卷机曲线

由于开卷机负载特性曲线是恒功率特性，当选择标准电机时，电机在0～50 Hz 内的恒转矩段需要匹配开卷机负载，要求其电机驱动的能力很大。因此，造成了开卷机标准电机选择上功率的浪费。

3.2 非标电机的开卷机

开卷机速度小于额定速度50 Hz 时，非标电机的输出转矩一部分是恒转矩段，另一部分是恒功率段。当速度超过额定速度50 Hz 时，超频运行，都是恒功率段。非标电机的开卷机曲线如图4所示。非标电机的过载能力随着转速的上升逐渐下降。

由于开卷机负载特性曲线是恒功率特性，因此需要考虑非标电机恒功率段可以较好的匹配开卷机负载，有效地利用非标电机的功率。

式中：U－输出电压；

Ce－电动势常数；

φ－主磁通；

CT－转矩常数；

Ia－电枢电流。

图4 非标电机的开卷机曲线

在0～16 Hz 之间，电机工作在恒转矩段，输出电压为270 V。随着速度的增加，电机允许长时间输出的转矩不变，电机的最大过载转矩保持不变。

在16～35 Hz 之间，电机工作在恒功率段，输出电压也由270 V 变为380 V。随着速度的增加，电机允许长时间输出的转矩随着速度的增加逐渐减小，电机的最大过载转矩也在逐渐减少。由式(5)可知，速度增加，电压相应增加，可以保持磁通φ不变。因此由于磁通φ不变，电机的过载能力没有减小。

在35～50 Hz 之间，电机工作在恒功率段，输出电压为380 V。随着速度的增加，电机允许长时间输出的转矩随着速度的增加逐渐减小，电机的最大过载转矩也在逐渐减少。由式(5)可知，速度增加，电压保持不变，磁通φ相应减小。因此由于磁通φ减小，电机的过载能力下降。

在50～60 Hz 之间，电机工作在恒功率段，其过程与35～50 Hz 之间基本相同。由于磁通φ持续减小，电机的过载能力进一步下降。

4 开卷机非标电机结果分析

根据图3 列出标准电机的频率、速度、电压、转矩、最大转矩和转矩过载倍数，如表1所示。

表1 开卷机标准电机对应表

表1 所示的开卷机标准电机，其额定频率是50 Hz,额定转速是1490 r∕min，额定电压是380 V，额定转矩是4712 N·m，利用公式(1)计算标准电机额定功率P1为735 kW。

根据图4 列出非标电机的频率、速度、电压、转矩、最大转矩和转矩过载倍数，如表2所示。

表2 开卷机非标电机对应表

表2 所示开卷机标准电机，其额定频率是16 Hz,额定转速是456 r∕min，额定电压是270 V，额定转矩是4712 N·m，利用公式(1)计算非标电机额定功率P2为225 kW。

在冷轧机组中，针对相同的开卷机负载，P1≫P2，开卷机选择标准电机的功率远远大于开卷机选择非标电机的功率。因此，从有效节约成本，提高电机利用率，降低电机和变频器的功率，为节约成本，达到节能降耗方面的综合考虑，开卷机需要选择非标电机。