冷軋開卷機(jī)非標(biāo)電機(jī)的選擇

（中冶南方工程技術(shù)有限公司電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)所，湖北武漢 430223）

引言

開卷機(jī)是冷軋生產(chǎn)的重要設(shè)備，為保證產(chǎn)品質(zhì)量和帶材的張力控制精度[1-2]，需要進(jìn)行精確的卷徑計(jì)算和張力控制[3-4]。在冷軋生產(chǎn)中，開卷機(jī)隨著卷徑的不斷變化需要超頻運(yùn)行[5]，電機(jī)需要有一定的過載能力[6]，并且開卷機(jī)的負(fù)載曲線呈恒功率特性。因此，在選擇開卷機(jī)電機(jī)時(shí)，需要注意選擇電機(jī)的額定頻率和額定轉(zhuǎn)矩。如果選擇工頻50 Hz 的開卷機(jī)，電機(jī)功率選擇會(huì)很大，其電機(jī)在工頻以下很浪費(fèi)，并且其變頻器的選擇也會(huì)很大，其造價(jià)成本會(huì)很高。為了節(jié)約成本，提高電機(jī)的利用率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，需要根據(jù)現(xiàn)場的開卷機(jī)恒功率負(fù)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(zhuǎn)矩的非標(biāo)電機(jī)。

1 負(fù)載的恒轉(zhuǎn)矩與恒功率特性

恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速是指當(dāng)速度變化時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩基本保持不變；恒功率調(diào)速是指速度變化時(shí)負(fù)載功率基本保持不變。根據(jù)負(fù)載特性曲線，并結(jié)合負(fù)載的轉(zhuǎn)矩和功率來選擇電動(dòng)機(jī)和變頻器。

恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特點(diǎn)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩總保持恒定或基本恒定。應(yīng)用場合比如傳送帶、攪拌機(jī)，擠壓機(jī)等摩擦類負(fù)載以及吊車、提升機(jī)等位能負(fù)載，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載曲線如圖1所示。

恒功率負(fù)載的特點(diǎn)是功率基本上與轉(zhuǎn)速成反比，這就是所謂的恒功率負(fù)載。負(fù)載的恒功率性質(zhì)應(yīng)該是在一定的速度變化范圍而言的。當(dāng)轉(zhuǎn)速很低時(shí)，受機(jī)械強(qiáng)度的限制，在轉(zhuǎn)矩不可能無限增大的情況下，在低速下轉(zhuǎn)變?yōu)楹戕D(zhuǎn)矩性質(zhì)。應(yīng)用場合比如機(jī)床主軸和軋機(jī)、造紙機(jī)、卷取機(jī)、開卷機(jī)等負(fù)載。恒功率負(fù)載曲線如圖2所示。

圖1 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載曲線

圖2 恒功率負(fù)載曲線

負(fù)載的恒功率區(qū)和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)對(duì)傳動(dòng)方案的選擇有影響，電動(dòng)機(jī)在恒磁通調(diào)速時(shí)，最大容許輸出轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；而在弱磁調(diào)速時(shí)，最大容許輸出轉(zhuǎn)矩與速度成反比，屬于恒功率調(diào)速。如果電動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速的范圍與負(fù)載的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率范圍一致時(shí)，即所謂“匹配”的情況下，電動(dòng)機(jī)的容量和變頻器均最小。

2 開卷機(jī)恒功率負(fù)載特性分析

在冷軋生產(chǎn)中，開卷機(jī)在運(yùn)行時(shí)，線速度和張力基本保持不變。因此，當(dāng)隨著開卷機(jī)的運(yùn)行，開卷機(jī)鋼卷的卷徑不停地減小，為了保持線速度恒定，電機(jī)轉(zhuǎn)速不停地增加；為了保持帶鋼張力恒定，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩不停地減小。通過下面的公式可以證明開卷機(jī)的恒功率負(fù)載特性。

式中：P－功率；

Tq－電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;

N－電機(jī)轉(zhuǎn)速；

T－帶鋼的實(shí)際張力；

D－鋼卷直徑；

i－減速比；

V－帶鋼的實(shí)際線速度。

開卷機(jī)運(yùn)行時(shí)帶鋼的張力和線速度恒定，由式(4)可以看出轉(zhuǎn)速增加時(shí)，開卷機(jī)的功率保持不變，因此開卷機(jī)是恒功率負(fù)載。

3 開卷機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)與非標(biāo)電機(jī)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)的開卷機(jī)

開卷機(jī)速度小于額定速度50 Hz 時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩，此段是恒轉(zhuǎn)矩段。當(dāng)速度超過額定速度50 Hz 時(shí)，超頻運(yùn)行，標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)隨著速度增加，輸出轉(zhuǎn)矩不斷減小，此段是恒功率段。標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)的開卷機(jī)曲線如圖3所示。在恒轉(zhuǎn)矩段和恒功率段其過載能力基本保持不變。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)的開卷機(jī)曲線

由于開卷機(jī)負(fù)載特性曲線是恒功率特性，當(dāng)選擇標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)時(shí)，電機(jī)在0～50 Hz 內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩段需要匹配開卷機(jī)負(fù)載，要求其電機(jī)驅(qū)動(dòng)的能力很大。因此，造成了開卷機(jī)標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)選擇上功率的浪費(fèi)。

3.2 非標(biāo)電機(jī)的開卷機(jī)

開卷機(jī)速度小于額定速度50 Hz 時(shí)，非標(biāo)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩一部分是恒轉(zhuǎn)矩段，另一部分是恒功率段。當(dāng)速度超過額定速度50 Hz 時(shí)，超頻運(yùn)行，都是恒功率段。非標(biāo)電機(jī)的開卷機(jī)曲線如圖4所示。非標(biāo)電機(jī)的過載能力隨著轉(zhuǎn)速的上升逐漸下降。

由于開卷機(jī)負(fù)載特性曲線是恒功率特性，因此需要考慮非標(biāo)電機(jī)恒功率段可以較好的匹配開卷機(jī)負(fù)載，有效地利用非標(biāo)電機(jī)的功率。

式中：U－輸出電壓；

Ce－電動(dòng)勢常數(shù)；

φ－主磁通；

CT－轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

Ia－電樞電流。

圖4 非標(biāo)電機(jī)的開卷機(jī)曲線

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

在16～35 Hz 之間，電機(jī)工作在恒功率段，輸出電壓也由270 V 變?yōu)?80 V。隨著速度的增加，電機(jī)允許長時(shí)間輸出的轉(zhuǎn)矩隨著速度的增加逐漸減小，電機(jī)的最大過載轉(zhuǎn)矩也在逐漸減少。由式(5)可知，速度增加，電壓相應(yīng)增加，可以保持磁通φ不變。因此由于磁通φ不變，電機(jī)的過載能力沒有減小。

在35～50 Hz 之間，電機(jī)工作在恒功率段，輸出電壓為380 V。隨著速度的增加，電機(jī)允許長時(shí)間輸出的轉(zhuǎn)矩隨著速度的增加逐漸減小，電機(jī)的最大過載轉(zhuǎn)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(yīng)減小。因此由于磁通φ減小，電機(jī)的過載能力下降。

在50～60 Hz 之間，電機(jī)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(xù)減小，電機(jī)的過載能力進(jìn)一步下降。

4 開卷機(jī)非標(biāo)電機(jī)結(jié)果分析

根據(jù)圖3 列出標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)的頻率、速度、電壓、轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩過載倍數(shù)，如表1所示。

表1 開卷機(jī)標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)對(duì)應(yīng)表

表1 所示的開卷機(jī)標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，其額定頻率是50 Hz,額定轉(zhuǎn)速是1490 r∕min，額定電壓是380 V，額定轉(zhuǎn)矩是4712 N·m，利用公式(1)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)額定功率P1為735 kW。

根據(jù)圖4 列出非標(biāo)電機(jī)的頻率、速度、電壓、轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩過載倍數(shù)，如表2所示。

表2 開卷機(jī)非標(biāo)電機(jī)對(duì)應(yīng)表

表2 所示開卷機(jī)標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，其額定頻率是16 Hz,額定轉(zhuǎn)速是456 r∕min，額定電壓是270 V，額定轉(zhuǎn)矩是4712 N·m，利用公式(1)計(jì)算非標(biāo)電機(jī)額定功率P2為225 kW。

在冷軋機(jī)組中，針對(duì)相同的開卷機(jī)負(fù)載，P1?P2，開卷機(jī)選擇標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開卷機(jī)選擇非標(biāo)電機(jī)的功率。因此，從有效節(jié)約成本，提高電機(jī)利用率，降低電機(jī)和變頻器的功率，為節(jié)約成本，達(dá)到節(jié)能降耗方面的綜合考慮，開卷機(jī)需要選擇非標(biāo)電機(jī)。