非標準頻率輥道用變頻調速電動機的研發

唐慶華

(中國長江航運集團電機廠，湖北武漢430205)

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非標準頻率輥道用變頻調速電動機的研發

唐慶華

(中國長江航運集團電機廠，湖北武漢430205)

摘要介紹了非標準頻率輥道電機相對于傳統YG低轉速電機的優點，提出了非標準頻率電動機的電磁設計和制造過程中的關注焦點，提供了相應的實例數據并進行對比分析。實際應用結果表明，直聯式非標準頻率的輥道變頻調速電動機可以廣泛的應用于輥道生產線中。

關鍵詞輥道；變頻調速；電流；轉矩；溫升

0引言

在輥道領域里，傳統的YGA或者YGB系列低轉速輥道電動機出現了被非標準頻率YGP輥道用變頻調速電動機所取代的趨勢。

根據《GB/T 21969—2008 YGP系列輥道用變頻調速三相異步電動機技術條件》的要求，YGP系列標準電動機的額定電壓為380V，額定頻率為50Hz[1]，此兩項數值與國內工頻電網相匹配。

然而伴隨著生產制造工藝和控制精度要求的提高，在新輥道生產線的設計選型過程中，取消減速機而采用直聯式方式(電動機通過接手與輥子直接耦合聯接)是越來越多。這些新的輥道設備中所配套的YGP輥道用變頻電機的頻率也都是非標準頻率。它們已經被比較廣泛地使用于軋鋼現場的中厚板軋機輥道輸送、軋機前機架輥道電機等重要工段。電動機在基準頻率以下進行恒轉矩調速，基準頻率以上的恒功率區間一般很少運行。

本文重點闡述了該類非標準頻率輥道電機的優點及其電磁設計、制造過程，并舉例對比分析了非標準頻率電機與普通YGA電機的性能參數。

1非標準頻率輥道電機的優點

輥道作為軋件輸送的主要設備，約占鋼廠軋鋼車間設備總數的40%左右，也是軋鋼車間中使用最多的設備。按主要用途輥道可分為工作輥道、輸入及輸出輥道、其他類型輥道三種。

傳統輥道線主要由導板、衛板和若干個輥子，多臺輥道電機、傳動軸，以及減速器和電控系統等部件組成(見圖1)。

圖1　輥道線組成簡圖

在以往的設計選型中，依照生產工藝的要求，由380V/50Hz工頻電源供電的16極或者20極YGA和YGB輥道電動機大量使用于諸多鋼廠的傳統輥道生產線中。隨著新設計方法和新工藝的出現，以及變頻器模塊及其配套系統的價格的不斷下降，大量的非標準頻率YGP輥道變頻電動機開始取代了上述YGA和YGB輥道電動機。

根據已知的生產數據統計匯總，非標準頻率的YGP輥道變頻電動機的極數以6極和8極居多，電動機的中心高集中在200~355，其基準頻率值根據傳輸速度不同從6.2Hz到30Hz不等。常見的基準頻率有19Hz、25Hz、30Hz等(注：本文在后續描述中將這類基準頻率低于50Hz的電機統稱為非標準頻率電機。)。選用非標準頻率變頻調速電機與傳統工頻供電的16極或者20極的YGA(或YGB)電機相比，主要具有以下幾個優點。

1.1　空載電流低，運行電流小，系統效率高

YGA系列電機為保證合適的堵轉轉矩，減小起動電流，在轉子導條和端環使用合金鋁鑄鋁的同時，還需要縮小轉子槽形尺寸，因而電機轉差率加大，轉子繞組損耗增大，效率降低。

對于傳統16極或者20極的YGA和YGB電機來說，由于電動機的功率因數隨著極數的增多而降低,同時電機轉差較大,效率偏低,所以它們的名義功率值雖然不大，但是滿載電流還是很大的。另外電機的功率因數還隨負載大小而變化。當空載運行時,定子電流基本上就是激磁電流(其主要成分是無功的磁化電流)，所以空載時功率因數很低,約為0.1～0.2[2]。因此即使是輕載運行,高極數的輥道電機由于功率因數和效率均低，最終空載電流偏大，空載運行損耗過高。而這些損耗全部會經由鐵心和機座之間的熱傳導，以發熱的方式進行發散，這會導致表面溫度上升明顯。根據電機學原理，電機轉軸輸出的額定轉矩為

Tn=9550×PN/nN

(1)

式中，PN—電機額定功率；nN—電機額定轉速。

電機額定轉速為

nN=(1-s)×60×f/p

(2)

式中，s—電機轉差率；f—電機額定頻率；p—電機極對數。

從式(1)可以得出，在保持輸出轉矩不變的情況下，通過降低輸出轉速，可以降低電機的額定功率，從而間接降低電機滿載運行電流。而且隨著電機滿載電流的降低，配套變頻器的容量也可以選小，系統整體造價降低。

而式(2)則表明：要想降低電機輸出轉速，可以通過降低電源頻率或者增加電機極對數兩種方式來實現。大量的試驗證明，由于隨著頻率、磁密的增加，總損耗也在增大。頻率增加時渦流損耗增加的速度比磁滯損耗快，且渦流損耗在總損耗中所占的比率也在增大[3]。同時隨著頻率的降低，鐵心損耗也會降低，電機整體效率還會有進一步提高。

所以非標準頻率電機具有空載電流低,運行電流小,系統效率高的優點,這些積極因素對減少電機運行時的發熱量,使得電機維持良好的溫升狀況都是有益的。同時伴隨著電流的降低，電機損耗降低，系統用電量也將下降明顯，這對于長期連續運轉工作且由上百臺電機組成的中厚板軋機輥道輸送線來說，必將帶來非常顯著的節能效果。

1.2　起動轉矩大，起動電流小，過載能力強

通過合理的設計，起動過程中，在變頻器允許范圍內在保持起動電流不超過2倍電機額定電流的條件下，非標準頻率電機在1Hz左右時的起動轉矩可以達到1.5~2倍，電機起動加速響應快，加載時間更短。而且結合變頻器曲線的選取，電機在基準頻率以下進行恒轉矩調速，整個低頻區間運行更平穩。電機在基準頻率點的過載能力可以達到3~3.5倍。個別情況下經特殊設計，電機過載能力還可以達到更高。所以，非標準頻率電機的機械性能明顯要好于常規的16極或者20極的YGA(YGB)電機。

1.3　設備維護簡單，故障少，設備運行更平滑

取消減速機后，傳動系統中可能存在的機械故障隱患點也自然減少一個，整個輥道系統傳動更簡潔，整體機械效率更高。同時設備的安裝、調試方面更加便利，設備維護和保養工作更簡單。

另外，通過變頻器模塊的自學習功能，我們可以選擇一條最佳的運行曲線，以驅動非標準頻率電機在整個恒轉矩區間運行平滑，控制精度更高。

2電磁設計

結合本文從氣隙選取、定轉子槽配合、磁密、電密取值和最大轉矩倍數等方面淺談非標準頻率電機的電磁設計基本規范。

2.1　氣隙δ的選取

當氣隙過小時，除影響電機的機械可靠性外，還會使諧波磁場及諧波漏抗增大，導致起動轉矩和最大轉矩減小，諧波轉矩和附加損耗增加。另外氣隙過小時，定轉子內部空氣對流不通暢，熱傳導效率低，這對完全依靠機座表面散熱筋來與外界進行熱交換的輥道電機尤為不利，很有可能會帶來溫升過高的不良后果。

通常情況下，中心高355以內的非標準頻率電機氣隙一般按0.45～0.8mm進行選取(根據電機大小進行分檔，小機座號取較小值，大機座號取較大值)。

2.2　定轉子槽配合及繞組設計

8極非標準頻率電機常用的定子槽數Q1與轉子槽數Q2的配合為72/58或者72/86。定子鐵心和鑄鋁轉子均不采用斜槽設計。

定子繞組采用雙層疊繞組型式，在選擇節距時，從電機具有良好的電氣性能和節約導線材料方面考慮，通常選取定子繞組節距為y=7或者y=8，以更好地削弱磁勢的5次和7次諧波分量，改善磁勢與電勢波形，使電機的電氣性能更好[2]。

由于不需要刻意去改善電機的起動性能，所以轉子導條和端環的鑄鋁填充材料均為純鋁，轉子損耗更小。

2.3　磁密、電密的選取

根據經驗，非標準頻率輥道變頻電機的磁密大致按以下范圍取值，見表1。

表1　非標準頻率輥道變頻電機的磁密取值

電流密度的合理選取對電機的性能及成本非常關鍵。一般情況下我們將定子電流密度控制在3A/mm2以內，轉子電流密度控制在2.5A/mm2以內。

2.4　最大轉矩倍數

根據《GB/T 21969—2008 YGP系列輥道用變頻調速三相異步電動機技術條件》中4.5條的要求，電動機在額定電壓和額定頻率下，基準工作制時，最大轉矩對額定轉矩之比的保證值對于11kW以內應不低2.5倍，11kW以上應不低于3倍[1]。

在實際設計過程中，非標準頻率電動機一般最大轉矩倍數按3.0~3.5倍左右設計。對于運轉過程中過轉矩次數較多、短時過轉矩能力要求高的工況，則按4.0~4.5倍左右的最大轉矩倍數來進行設計。

3制造

從電機制造的標準化和一致性來考慮，非標準頻率電機的結構件和定轉子鐵心三圓尺寸均與傳統YGA/YGB電機一致。主要是在定子繞組和鑄鋁轉子的設計上進行相應的調整設計。

對于非標準頻率電機而言，除了對其電氣性能需要特殊關注以外，對它的防護等級也要加強注意。在一般情況下，大多數的電機防護等級為IP54。但是在很多軋鋼現場的關鍵工段，考慮到水蒸汽長期存在，并且在檢修過程中經常用高壓水槍沖洗電機表面的灰塵，這些地方的電機防護等級需要調整為IP55或者IP56。

對于IP55的防護等級，在IP54密封處理的基礎上增加以下措施。

(1)出線盒座底部、出線盒蓋、觀察窗蓋、端蓋止口加工環形溝槽，先在溝槽內均勻涂抹厭氧密封膠，然后再上硅膠O型密封圈后安裝到位；

(2)出線盒座和高端蓋上的金屬出線套的螺紋外側均勻涂抹厭氧密封膠后旋緊固定到位。

對于IP56的防護等級，在IP55密封處理的基礎上增加以下措施。

(1)增加一個迷宮式甩水環在骨架油封前端，甩水環與軸為小過盈熱套配合，以軸用彈性擋圈進行軸向定位；

(2)軸承內蓋的絲孔不鉆穿，軸承外蓋鉆孔后表面锪孔，聯接螺栓上增加硅膠O形密封圈；

(3)適量增加端蓋與機座之間、軸承內外蓋之間以及出線盒座、蓋之間的聯接螺栓數量。[4]

我公司根據客戶要求設計制造了兩款非標準頻率電機，以取代在某軋鋼廠熱送線螺紋鋼生產線電氣化改造項目上面所使用數臺YGA 20極輥道電動機。原輥道電機在軋鋼廠生產任務不飽滿的情況下，試車過程中已經出現機座表面溫度過高(現場測量接近100°)并呈不斷上升趨勢。我們為該公司設計的非標準頻率電機為額定電壓380V，基準頻率25Hz。

下面將兩款(分別命名為1#和2#)非標準頻率電機性能參數設計值與需要替換的常規輥道電機性能參數測量值列表進行對比，見表2、表3。

表2　1#電機參數對比表

表3　2#電機參數對比表(1)

從表2和表3可以看出，雖然標稱功率比普通YGa電機要大很多，但是兩款非標準頻率YGP電機的空載電流比原20極輥道電機卻要小了一半左右，相反地非標準頻率電機的額定電流也有較大的降低，同時電機的轉出轉矩值提升幅度大，過載能力強，機械特性硬。

參考文獻根據[1]中型式試驗的相關要求，分別對1#和2#電機進行了試驗，試驗結果表明實測值與設計值吻合度好。按照S1連續工作制全功率做熱試驗，電機繞組溫升值分別為65K和80K。另外在控制起動電流不超過2倍額定電流的情況下，兩款電機1Hz時的低頻起動轉矩倍數均大于2倍額定轉矩。

這兩款非標準頻率電機到現場裝機后經現場連續監測，在實際負荷情況已經接近滿負荷的情況下，電機機座外殼溫度約在50℃～60℃區間波動，電流波動小，電機機械性能好，動態響應快，非標準頻率電機整體性能明顯優于現場原有YGA 20極輥道電動機，鋼廠在使用過程中非常滿意。

4結語

總之,我們可以通過采用特殊非標準頻率的優化設計方案，使輥道變頻電動機具有空載電流小、滿載電流低、過載能力強和低頻起動轉矩大等優勢。同時這樣的方案還可以減少機械傳遞環節，簡化控制要求和減少設備運行的維護保養頻次，提高結構整體運行效率。另外，由于運行電流的降低，配套變頻器的容量可以相應變小，再加上減速機的取消，整個輥道傳動系統的投資也同樣降低，這對投資者來說是一個多贏的局面。

直聯式非標準頻率的輥道變頻調速電動機將在輥道生產線中得到廣泛的應用。由于工業布局的理念不同，對于軋鋼現場各工段而言，其工藝要求千差萬別,對輥道電機的具體要求也是各種各樣。我們可以根據現場設備的轉速和負載運行曲線要求,有針對性地設計各種特殊基準頻率的非標準頻率電機,從而使電動機能夠獲得更好機械性能。

[1]GB/T 21969—2008 YGP系列輥道用變頻調速三相異步電動機技術條件.

[2]湯蘊璆.電機學，北京：機械工業出版社，2012.

[3]崔楊，胡虔生，黃允凱.任意頻率正弦波條件下鐵磁材料損耗的計算.微電機，2007.8.

[4]唐慶華，淺談船用起重用繞線轉子電動機的設計與制造.防爆電機，2015.5.

Development of Variable-Frequency Adjustable-Speed Roller Table

Motor with Non-Standard Frequency

TangQinghua

(China Changjiang National Shipping Group Motor Factory, Wuhan 430205, China)

AbstractThis paper introduces the advantages of non-standard frequency roller table motors compared with traditional YG series low-speed motors, puts forward the focus of attention in electromagnetic design and manufacturing processes of the motor, and provides the corresponding instance data and comparison analysis. Practical application results show that direct-connected variable-frequency adjustable-speed roller table motor with non-standard frequency can be widely used in roller table production line.

Key wordsRoller table；variable-frequency adjustable-speed；current；torque；temperature rise

收稿日期：2015-10-14

作者簡介：唐慶華男1976年生；畢業于湖南工程學院，起重冶金及屏蔽電機標準化委員會委員，現從事電機設計及技術管理工作.

中圖分類號：TM301.2

文獻標識碼：A

文章編號：1008-7281(2015)06-0023-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.06.08