特種鋼冷軋主軋機(jī)變頻異步電動機(jī)的設(shè)計

0 引言

特種鋼冷軋主軋機(jī)項(xiàng)目是歐洲40年來首家無化石工藝煉鋼廠,旨在以氫氣煉鋼替代傳統(tǒng)燃煤煉焦?fàn)t的非化石能源鋼廠,此種煉鋼的二氧化碳排放量較先前的生產(chǎn)工藝減少95%,使得鋼鐵生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)二氧化碳近零排放。業(yè)主提出多種規(guī)格軋機(jī)變頻異步電機(jī)需做成一個電機(jī),可在后續(xù)生產(chǎn)維護(hù)、備件及備機(jī)準(zhǔn)備上減少數(shù)量,更貼近環(huán)保理念。我公司針對用戶需求及變頻異步電機(jī)特點(diǎn),開發(fā)了不同功率不同轉(zhuǎn)速的軋機(jī)變頻異步電機(jī)可采用同一規(guī)格電機(jī),此變頻異步電機(jī)設(shè)計得到用戶認(rèn)可,為我公司電機(jī)進(jìn)駐歐洲發(fā)達(dá)國家奠定了基礎(chǔ)。

1 變頻異步電機(jī)調(diào)速原理及設(shè)計目的

1.1 變頻電機(jī)

變頻電機(jī)為0-基速為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速、基速-高速為恒功率調(diào)速,在基速-高速之間有一個理論點(diǎn),此點(diǎn)電機(jī)的磁通開始降低故稱此點(diǎn)為弱磁點(diǎn)。此點(diǎn)轉(zhuǎn)矩與基速轉(zhuǎn)矩相同,電壓與高速相同。具體變頻異步電機(jī)調(diào)速曲線可見圖1,此圖中表示出了異步變頻電機(jī)整體調(diào)速過程及原理,其中弱磁點(diǎn)為曲線中虛擬點(diǎn)。

圖1 變頻異步電機(jī)調(diào)速曲線

1.2 特種鋼冷軋主軋機(jī)變頻電機(jī)

特種鋼冷軋主軋機(jī)變頻電機(jī)一般形式采用5個軋機(jī)異步變頻電機(jī)和2個卷取異步變頻電機(jī),5臺軋機(jī)異步變頻電機(jī)分為S1～S5,一般是S1為一種類型,S2～S5為另一種類型,2臺卷取異步變頻電機(jī)為同一規(guī)格電機(jī)。本文主要介紹5臺特種鋼冷軋主軋機(jī)變頻異步電機(jī)的S1～S5的兩種規(guī)格設(shè)計成為一個規(guī)格的異步變頻電機(jī)。

2 特種鋼冷軋主軋機(jī)變頻異步電動機(jī)的設(shè)計

根據(jù)公司項(xiàng)目,S1到S5軋機(jī)變頻異步電機(jī)的具體設(shè)計要求見表1。

表1 設(shè)計具體要求

通過上述表格可以看出S1為低功率且高速是基速的3倍,S2～S5為高功率且高速是基速的3倍,S1基速時的轉(zhuǎn)矩與S2～S5基速時的轉(zhuǎn)矩基本相同且在各自的轉(zhuǎn)速跨度均為3倍,這使得在理論上將上述異步變頻電機(jī)設(shè)計為同一電機(jī)存在可能。由于要采用同一個電機(jī)且基于異步變頻電機(jī)調(diào)速原理曲線,S1與S2～S5的變頻調(diào)速曲線就必須是同一個,這就使得在選擇計算方案時電機(jī)的變頻調(diào)速曲線初始點(diǎn)必須要選擇S1的基速即為341rpm、結(jié)束點(diǎn)必須要選擇S2～S5的高速即為1500rpm,此時S2～S5的高速是S1的基速的4.4倍,這使得在計算方案時就存在了巨大的難度。

本電機(jī)在初始計算時選擇6極電機(jī),因?yàn)?極電機(jī)可以在341～1500rpm這么寬的速度范圍內(nèi)更好的選擇頻率,低頻率不至于過低導(dǎo)致低頻振動,高頻率也不是很高從而避免高頻噪聲,具體設(shè)計方案見表2。

表2 設(shè)計方案

此版電機(jī)設(shè)計方案弱磁點(diǎn)頻率為25.75Hz,將初版計算方案提交業(yè)主審批時,出現(xiàn)了與變頻器選型不匹配的問題。由于業(yè)主選擇了ABB中壓變頻器,而ABB中壓變頻器在上述弱磁點(diǎn)頻率下的選型:115%倍額定功率的電流允許值最大僅為1160A,這就導(dǎo)致了上述的計算方案不能使用。而ABB建議電機(jī)選擇4極方案,選擇4極方案可以使得弱磁點(diǎn)頻率在24Hz以下,這樣ABB變頻器可以承受更高的電流值,在115%倍額定功率下是1650A。

電機(jī)選擇4極方案就要在S1基速時選擇更低的頻率,由于變頻電機(jī)調(diào)速原理導(dǎo)致選擇更低的頻率就要相應(yīng)選擇更低的電壓,而基速時的低電壓與高速時的電壓跨度大會導(dǎo)致電機(jī)定子外徑、定轉(zhuǎn)子氣隙、轉(zhuǎn)子內(nèi)徑、定轉(zhuǎn)子槽配合、定子電流密度、轉(zhuǎn)子電流密度的選擇進(jìn)一步受到限制,使得電機(jī)的電磁方案設(shè)計難度增大。而具體的難點(diǎn)分為以下幾點(diǎn)。

(1)根據(jù)異步電機(jī)變頻調(diào)速原理:

U基速/U弱磁=n基速/n弱磁=f基速/f弱磁

式中,U—電機(jī)電壓;n—電機(jī)轉(zhuǎn)速;f—電機(jī)頻率。

即使選擇4極電機(jī),電機(jī)的基速電壓也不能選擇的太低,如果太低會導(dǎo)致弱磁點(diǎn)頻率變大,如果增大到24Hz以上也是不允許的。而且電壓過低會導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子電流密度變大、電機(jī)熱負(fù)荷過高從而電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重。

(2)選擇4極電機(jī)現(xiàn)有的定轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)外徑、定轉(zhuǎn)子氣隙、定轉(zhuǎn)子槽配合均不能滿足要求,上述數(shù)據(jù)的選擇也是困難重重,既要保證定子沖片外徑、轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)徑的合理性,又要定轉(zhuǎn)子氣隙在跨距如此之大的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定,還要保證定轉(zhuǎn)子槽配合能滿足電磁數(shù)據(jù)要求。

(3)4極方案電機(jī)頻率必然變低,電機(jī)的低頻振動的解決也是難點(diǎn)之一。通過之前電機(jī)定子機(jī)座固有頻率的研究,在結(jié)構(gòu)特定位置上增設(shè)加強(qiáng)筋,能有效解約低頻振動問題。本項(xiàng)目電機(jī)也采用此種結(jié)構(gòu)。

(4)跨度大的調(diào)速范圍及變頻器輸出的諧波存在,會導(dǎo)致電機(jī)軸電流的產(chǎn)生,軸電流產(chǎn)生就會導(dǎo)致軸承表面點(diǎn)蝕進(jìn)而軸承損壞,所以軸承必須經(jīng)過絕緣處理,最終選擇軸伸端與非軸伸端雙側(cè)均絕緣。

(5)電機(jī)軸承形式的選擇也是關(guān)鍵,如此大容量、寬調(diào)速的異步電機(jī)必須選擇滑動軸承,而且需要有高、低壓油進(jìn)行潤滑,高壓油負(fù)責(zé)對電機(jī)起到頂起作用保證低速時不磨損軸瓦,低壓油負(fù)責(zé)對電機(jī)軸承軸瓦進(jìn)行冷卻。

最終在經(jīng)過大量的計算后,計算出了最終方案,具體方案見表3。

表3 方案參數(shù)

上述4極方案的弱磁點(diǎn)頻率為17.6Hz,滿足ABB提出的弱磁點(diǎn)頻率要小于24Hz的要求。

3 結(jié)語

此種新形式的特種鋼冷軋主軋機(jī)異步變頻電機(jī)的設(shè)計及研究的成功,代表了公司在變頻調(diào)速領(lǐng)域向前邁進(jìn)了堅(jiān)實(shí)的一步。為后續(xù)在國內(nèi)外推廣此種新形式的特種鋼冷軋主軋機(jī)變頻異步電機(jī)也打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),對公司持續(xù)穩(wěn)定的開拓發(fā)展冷軋變頻異步電機(jī)市場提供了有力保障。