特種鋼冷軋主軋機變頻異步電動機的設計

0 引言

特種鋼冷軋主軋機項目是歐洲40年來首家無化石工藝煉鋼廠,旨在以氫氣煉鋼替代傳統燃煤煉焦爐的非化石能源鋼廠,此種煉鋼的二氧化碳排放量較先前的生產工藝減少95%,使得鋼鐵生產實現二氧化碳近零排放。業主提出多種規格軋機變頻異步電機需做成一個電機,可在后續生產維護、備件及備機準備上減少數量,更貼近環保理念。我公司針對用戶需求及變頻異步電機特點,開發了不同功率不同轉速的軋機變頻異步電機可采用同一規格電機,此變頻異步電機設計得到用戶認可,為我公司電機進駐歐洲發達國家奠定了基礎。

1 變頻異步電機調速原理及設計目的

1.1 變頻電機

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

圖1 變頻異步電機調速曲線

1.2 特種鋼冷軋主軋機變頻電機

特種鋼冷軋主軋機變頻電機一般形式采用5個軋機異步變頻電機和2個卷取異步變頻電機,5臺軋機異步變頻電機分為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為同一規格電機。本文主要介紹5臺特種鋼冷軋主軋機變頻異步電機的S1～S5的兩種規格設計成為一個規格的異步變頻電機。

2 特種鋼冷軋主軋機變頻異步電動機的設計

根據公司項目,S1到S5軋機變頻異步電機的具體設計要求見表1。

表1 設計具體要求

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基速時的轉矩與S2～S5基速時的轉矩基本相同且在各自的轉速跨度均為3倍,這使得在理論上將上述異步變頻電機設計為同一電機存在可能。由于要采用同一個電機且基于異步變頻電機調速原理曲線,S1與S2～S5的變頻調速曲線就必須是同一個,這就使得在選擇計算方案時電機的變頻調速曲線初始點必須要選擇S1的基速即為341rpm、結束點必須要選擇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。

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

表2 設計方案

此版電機設計方案弱磁點頻率為25.75Hz,將初版計算方案提交業主審批時,出現了與變頻器選型不匹配的問題。由于業主選擇了ABB中壓變頻器,而ABB中壓變頻器在上述弱磁點頻率下的選型:115%倍額定功率的電流允許值最大僅為1160A,這就導致了上述的計算方案不能使用。而ABB建議電機選擇4極方案,選擇4極方案可以使得弱磁點頻率在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,由于變頻電機調速原理導致選擇更低的頻率就要相應選擇更低的電壓,而基速時的低電壓與高速時的電壓跨度大會導致電機定子外徑、定轉子氣隙、轉子內徑、定轉子槽配合、定子電流密度、轉子電流密度的選擇進一步受到限制,使得電機的電磁方案設計難度增大。而具體的難點分為以下幾點。

(1)根據異步電機變頻調速原理:

U基速/U弱磁=n基速/n弱磁=f基速/f弱磁

式中,U—電機電壓;n—電機轉速;f—電機頻率。

即使選擇4極電機,電機的基速電壓也不能選擇的太低,如果太低會導致弱磁點頻率變大,如果增大到24Hz以上也是不允許的。而且電壓過低會導致定轉子電流密度變大、電機熱負荷過高從而電機發熱嚴重。

(2)選擇4極電機現有的定轉子沖片內外徑、定轉子氣隙、定轉子槽配合均不能滿足要求,上述數據的選擇也是困難重重,既要保證定子沖片外徑、轉子沖片內徑的合理性,又要定轉子氣隙在跨距如此之大的情況下運轉穩定,還要保證定轉子槽配合能滿足電磁數據要求。

(3)4極方案電機頻率必然變低,電機的低頻振動的解決也是難點之一。通過之前電機定子機座固有頻率的研究,在結構特定位置上增設加強筋,能有效解約低頻振動問題。本項目電機也采用此種結構。

(4)跨度大的調速范圍及變頻器輸出的諧波存在,會導致電機軸電流的產生,軸電流產生就會導致軸承表面點蝕進而軸承損壞,所以軸承必須經過絕緣處理,最終選擇軸伸端與非軸伸端雙側均絕緣。

(5)電機軸承形式的選擇也是關鍵,如此大容量、寬調速的異步電機必須選擇滑動軸承,而且需要有高、低壓油進行潤滑,高壓油負責對電機起到頂起作用保證低速時不磨損軸瓦,低壓油負責對電機軸承軸瓦進行冷卻。

最終在經過大量的計算后,計算出了最終方案,具體方案見表3。

表3 方案參數

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

3 結語

此種新形式的特種鋼冷軋主軋機異步變頻電機的設計及研究的成功,代表了公司在變頻調速領域向前邁進了堅實的一步。為后續在國內外推廣此種新形式的特種鋼冷軋主軋機變頻異步電機也打下堅實的基礎,對公司持續穩定的開拓發展冷軋變頻異步電機市場提供了有力保障。