冷軋開卷機非標電機的選擇

（中冶南方工程技術有限公司電氣自動化設計所，湖北武漢 430223）

引言

開卷機是冷軋生產的重要設備，為保證產品質量和帶材的張力控制精度[1-2]，需要進行精確的卷徑計算和張力控制[3-4]。在冷軋生產中，開卷機隨著卷徑的不斷變化需要超頻運行[5]，電機需要有一定的過載能力[6]，并且開卷機的負載曲線呈恒功率特性。因此，在選擇開卷機電機時，需要注意選擇電機的額定頻率和額定轉矩。如果選擇工頻50 Hz 的開卷機，電機功率選擇會很大，其電機在工頻以下很浪費，并且其變頻器的選擇也會很大，其造價成本會很高。為了節約成本，提高電機的利用率，達到節能降耗的目的，需要根據現場的開卷機恒功率負載特性曲線，選擇小于工頻50 Hz 的額定頻率，并考慮其額定轉矩的非標電機。

1 負載的恒轉矩與恒功率特性

恒轉矩調速是指當速度變化時負載轉矩基本保持不變；恒功率調速是指速度變化時負載功率基本保持不變。根據負載特性曲線，并結合負載的轉矩和功率來選擇電動機和變頻器。

恒轉矩負載的特點是負載轉矩與轉速無關，任何轉速下轉矩總保持恒定或基本恒定。應用場合比如傳送帶、攪拌機，擠壓機等摩擦類負載以及吊車、提升機等位能負載，恒轉矩負載曲線如圖1所示。

恒功率負載的特點是功率基本上與轉速成反比，這就是所謂的恒功率負載。負載的恒功率性質應該是在一定的速度變化范圍而言的。當轉速很低時，受機械強度的限制，在轉矩不可能無限增大的情況下，在低速下轉變為恒轉矩性質。應用場合比如機床主軸和軋機、造紙機、卷取機、開卷機等負載。恒功率負載曲線如圖2所示。

圖1 恒轉矩負載曲線

圖2 恒功率負載曲線

負載的恒功率區和恒轉矩區對傳動方案的選擇有影響，電動機在恒磁通調速時，最大容許輸出轉矩不變，屬于恒轉矩調速；而在弱磁調速時，最大容許輸出轉矩與速度成反比，屬于恒功率調速。如果電動機的恒轉矩和恒功率調速的范圍與負載的恒轉矩和恒功率范圍一致時，即所謂“匹配”的情況下，電動機的容量和變頻器均最小。

2 開卷機恒功率負載特性分析

在冷軋生產中，開卷機在運行時，線速度和張力基本保持不變。因此，當隨著開卷機的運行，開卷機鋼卷的卷徑不停地減小，為了保持線速度恒定，電機轉速不停地增加；為了保持帶鋼張力恒定，電機的輸出轉矩不停地減小。通過下面的公式可以證明開卷機的恒功率負載特性。

式中：P－功率；

Tq－電機輸出轉矩;

N－電機轉速；

T－帶鋼的實際張力；

D－鋼卷直徑；

i－減速比；

V－帶鋼的實際線速度。

開卷機運行時帶鋼的張力和線速度恒定，由式(4)可以看出轉速增加時，開卷機的功率保持不變，因此開卷機是恒功率負載。

3 開卷機的標準電機與非標電機

3.1 標準電機的開卷機

開卷機速度小于額定速度50 Hz 時，標準電機的輸出轉矩是額定轉矩，此段是恒轉矩段。當速度超過額定速度50 Hz 時，超頻運行，標準電機隨著速度增加，輸出轉矩不斷減小，此段是恒功率段。標準電機的開卷機曲線如圖3所示。在恒轉矩段和恒功率段其過載能力基本保持不變。

圖3 標準電機的開卷機曲線

由于開卷機負載特性曲線是恒功率特性，當選擇標準電機時，電機在0～50 Hz 內的恒轉矩段需要匹配開卷機負載，要求其電機驅動的能力很大。因此，造成了開卷機標準電機選擇上功率的浪費。

3.2 非標電機的開卷機

開卷機速度小于額定速度50 Hz 時，非標電機的輸出轉矩一部分是恒轉矩段，另一部分是恒功率段。當速度超過額定速度50 Hz 時，超頻運行，都是恒功率段。非標電機的開卷機曲線如圖4所示。非標電機的過載能力隨著轉速的上升逐漸下降。

由于開卷機負載特性曲線是恒功率特性，因此需要考慮非標電機恒功率段可以較好的匹配開卷機負載，有效地利用非標電機的功率。

式中：U－輸出電壓；

Ce－電動勢常數；

φ－主磁通；

CT－轉矩常數；

Ia－電樞電流。

圖4 非標電機的開卷機曲線

在0～16 Hz 之間，電機工作在恒轉矩段，輸出電壓為270 V。隨著速度的增加，電機允許長時間輸出的轉矩不變，電機的最大過載轉矩保持不變。

在16～35 Hz 之間，電機工作在恒功率段，輸出電壓也由270 V 變為380 V。隨著速度的增加，電機允許長時間輸出的轉矩隨著速度的增加逐漸減小，電機的最大過載轉矩也在逐漸減少。由式(5)可知，速度增加，電壓相應增加，可以保持磁通φ不變。因此由于磁通φ不變，電機的過載能力沒有減小。

在35～50 Hz 之間，電機工作在恒功率段，輸出電壓為380 V。隨著速度的增加，電機允許長時間輸出的轉矩隨著速度的增加逐漸減小，電機的最大過載轉矩也在逐漸減少。由式(5)可知，速度增加，電壓保持不變，磁通φ相應減小。因此由于磁通φ減小，電機的過載能力下降。

在50～60 Hz 之間，電機工作在恒功率段，其過程與35～50 Hz 之間基本相同。由于磁通φ持續減小，電機的過載能力進一步下降。

4 開卷機非標電機結果分析

根據圖3 列出標準電機的頻率、速度、電壓、轉矩、最大轉矩和轉矩過載倍數，如表1所示。

表1 開卷機標準電機對應表

表1 所示的開卷機標準電機，其額定頻率是50 Hz,額定轉速是1490 r∕min，額定電壓是380 V，額定轉矩是4712 N·m，利用公式(1)計算標準電機額定功率P1為735 kW。

根據圖4 列出非標電機的頻率、速度、電壓、轉矩、最大轉矩和轉矩過載倍數，如表2所示。

表2 開卷機非標電機對應表

表2 所示開卷機標準電機，其額定頻率是16 Hz,額定轉速是456 r∕min，額定電壓是270 V，額定轉矩是4712 N·m，利用公式(1)計算非標電機額定功率P2為225 kW。

在冷軋機組中，針對相同的開卷機負載，P1?P2，開卷機選擇標準電機的功率遠遠大于開卷機選擇非標電機的功率。因此，從有效節約成本，提高電機利用率，降低電機和變頻器的功率，為節約成本，達到節能降耗方面的綜合考慮，開卷機需要選擇非標電機。