特种钢冷轧主轧机变频异步电动机的设计

0 引言

特种钢冷轧主轧机项目是欧洲40年来首家无化石工艺炼钢厂,旨在以氢气炼钢替代传统燃煤炼焦炉的非化石能源钢厂,此种炼钢的二氧化碳排放量较先前的生产工艺减少95%,使得钢铁生产实现二氧化碳近零排放。业主提出多种规格轧机变频异步电机需做成一个电机,可在后续生产维护、备件及备机准备上减少数量,更贴近环保理念。我公司针对用户需求及变频异步电机特点,开发了不同功率不同转速的轧机变频异步电机可采用同一规格电机,此变频异步电机设计得到用户认可,为我公司电机进驻欧洲发达国家奠定了基础。

1 变频异步电机调速原理及设计目的

1.1 变频电机

变频电机为0-基速为恒转矩调速、基速-高速为恒功率调速,在基速-高速之间有一个理论点,此点电机的磁通开始降低故称此点为弱磁点。此点转矩与基速转矩相同,电压与高速相同。具体变频异步电机调速曲线可见图1,此图中表示出了异步变频电机整体调速过程及原理,其中弱磁点为曲线中虚拟点。

图1 变频异步电机调速曲线

1.2 特种钢冷轧主轧机变频电机

特种钢冷轧主轧机变频电机一般形式采用5个轧机异步变频电机和2个卷取异步变频电机,5台轧机异步变频电机分为S1～S5,一般是S1为一种类型,S2～S5为另一种类型,2台卷取异步变频电机为同一规格电机。本文主要介绍5台特种钢冷轧主轧机变频异步电机的S1～S5的两种规格设计成为一个规格的异步变频电机。

2 特种钢冷轧主轧机变频异步电动机的设计

根据公司项目,S1到S5轧机变频异步电机的具体设计要求见表1。

表1 设计具体要求

通过上述表格可以看出S1为低功率且高速是基速的3倍,S2～S5为高功率且高速是基速的3倍,S1基速时的转矩与S2～S5基速时的转矩基本相同且在各自的转速跨度均为3倍,这使得在理论上将上述异步变频电机设计为同一电机存在可能。由于要采用同一个电机且基于异步变频电机调速原理曲线,S1与S2～S5的变频调速曲线就必须是同一个,这就使得在选择计算方案时电机的变频调速曲线初始点必须要选择S1的基速即为341rpm、结束点必须要选择S2～S5的高速即为1500rpm,此时S2～S5的高速是S1的基速的4.4倍,这使得在计算方案时就存在了巨大的难度。

本电机在初始计算时选择6极电机,因为6极电机可以在341～1500rpm这么宽的速度范围内更好的选择频率,低频率不至于过低导致低频振动,高频率也不是很高从而避免高频噪声,具体设计方案见表2。

表2 设计方案

此版电机设计方案弱磁点频率为25.75Hz,将初版计算方案提交业主审批时,出现了与变频器选型不匹配的问题。由于业主选择了ABB中压变频器,而ABB中压变频器在上述弱磁点频率下的选型:115%倍额定功率的电流允许值最大仅为1160A,这就导致了上述的计算方案不能使用。而ABB建议电机选择4极方案,选择4极方案可以使得弱磁点频率在24Hz以下,这样ABB变频器可以承受更高的电流值,在115%倍额定功率下是1650A。

电机选择4极方案就要在S1基速时选择更低的频率,由于变频电机调速原理导致选择更低的频率就要相应选择更低的电压,而基速时的低电压与高速时的电压跨度大会导致电机定子外径、定转子气隙、转子内径、定转子槽配合、定子电流密度、转子电流密度的选择进一步受到限制,使得电机的电磁方案设计难度增大。而具体的难点分为以下几点。

(1)根据异步电机变频调速原理:

U基速/U弱磁=n基速/n弱磁=f基速/f弱磁

式中,U—电机电压;n—电机转速;f—电机频率。

即使选择4极电机,电机的基速电压也不能选择的太低,如果太低会导致弱磁点频率变大,如果增大到24Hz以上也是不允许的。而且电压过低会导致定转子电流密度变大、电机热负荷过高从而电机发热严重。

(2)选择4极电机现有的定转子冲片内外径、定转子气隙、定转子槽配合均不能满足要求,上述数据的选择也是困难重重,既要保证定子冲片外径、转子冲片内径的合理性,又要定转子气隙在跨距如此之大的情况下运转稳定,还要保证定转子槽配合能满足电磁数据要求。

(3)4极方案电机频率必然变低,电机的低频振动的解决也是难点之一。通过之前电机定子机座固有频率的研究,在结构特定位置上增设加强筋,能有效解约低频振动问题。本项目电机也采用此种结构。

(4)跨度大的调速范围及变频器输出的谐波存在,会导致电机轴电流的产生,轴电流产生就会导致轴承表面点蚀进而轴承损坏,所以轴承必须经过绝缘处理,最终选择轴伸端与非轴伸端双侧均绝缘。

(5)电机轴承形式的选择也是关键,如此大容量、宽调速的异步电机必须选择滑动轴承,而且需要有高、低压油进行润滑,高压油负责对电机起到顶起作用保证低速时不磨损轴瓦,低压油负责对电机轴承轴瓦进行冷却。

最终在经过大量的计算后,计算出了最终方案,具体方案见表3。

表3 方案参数

上述4极方案的弱磁点频率为17.6Hz,满足ABB提出的弱磁点频率要小于24Hz的要求。

3 结语

此种新形式的特种钢冷轧主轧机异步变频电机的设计及研究的成功,代表了公司在变频调速领域向前迈进了坚实的一步。为后续在国内外推广此种新形式的特种钢冷轧主轧机变频异步电机也打下坚实的基础,对公司持续稳定的开拓发展冷轧变频异步电机市场提供了有力保障。