交流同步電動機(jī)在板帶熱軋機(jī)中的應(yīng)用探討

孫德鄧

(洛陽有色金屬加工設(shè)計研究院，河南 洛陽471039)

隨著電力電子技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)和控制理論的快速發(fā)展，以及生產(chǎn)工藝的進(jìn)在調(diào)速傳動領(lǐng)域出現(xiàn)了交流傳動取代直流傳動的趨勢。冶金行業(yè)中的有色金屬及黑色金屬加工業(yè)中，直流電機(jī)逐漸被交流電機(jī)所取代也是一個重要的發(fā)展方向，尤其是大功率調(diào)速傳動。

當(dāng)前在有色金屬加工行業(yè)中，國產(chǎn)銅鋁板帶軋機(jī)的傳動部分大都采用直流電動機(jī)，有很小一部分采用交流異步電動機(jī)。例如，鄭州某鋁廠2050鋁帶冷軋機(jī)的開卷和卷取傳動電機(jī)選用的就是交流電動機(jī)，傳動裝置采用西門子公司的，實際生產(chǎn)證明效果不錯。

下面，主要探討銅鋁熱軋機(jī)主傳動電機(jī)采用交流同步電動機(jī)取代直流電動機(jī)的優(yōu)越性。

1 同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，工作原理和調(diào)速控制

1.1 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

與直流電機(jī)、異步電機(jī)一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成的。同步電機(jī)的定子與異步電機(jī)定子結(jié)構(gòu)基本相同，也是由鐵心、電樞繞組、機(jī)座和端蓋等部分組成。而其轉(zhuǎn)子與異步電機(jī)有所不同，它的轉(zhuǎn)子有固定的磁極，由通過電刷和滑環(huán)送入的直流勵磁電流勵磁，產(chǎn)生固定極性的磁極。同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種類型，即凸極式和隱極式，如圖1所示。兩種結(jié)構(gòu)的特點在此不再詳述。

(1)凸極式 (2)隱極式

1.2 同步電機(jī)的工作原理

同步電動機(jī)的工作原理是工作時定子三相繞組接入三相電網(wǎng)，電能由電網(wǎng)送入電動機(jī)，這時定子三相對稱繞組中流過三相對稱電流，根據(jù)磁場理論可知，它將產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。如果轉(zhuǎn)子已經(jīng)送入直流勵磁電流，轉(zhuǎn)子磁極已經(jīng)顯示固定極性，則旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對轉(zhuǎn)子異性磁極的磁拉力牽引轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)，如圖2所示。

圖2 同步電動機(jī)

1.3 同步電動機(jī)的控制

當(dāng)前同步電動機(jī)的主流控制方法主要有兩種：矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。根據(jù)熱軋機(jī)大功率，高過載和低速運行的工藝特點，通常可以選擇交-交變頻器，該類型變頻器過載能力強(qiáng)，一般可以1.5倍長期過載。交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)基于晶閘管移相控制，適用大功率(2000kw以上)，低速(600r/min以下)場合的調(diào)速控制。一般大都采用矢量控制技術(shù)(其控制方框圖如圖3所示)，要求變頻器的輸出電流快速準(zhǔn)確地跟隨給定信號的變化。

目前，國產(chǎn)的銅鋁熱軋主傳動電機(jī)一般都選用直流電動機(jī)。因為直流電機(jī)調(diào)速性能好且方便，機(jī)械特性比較硬(如圖4所示)。

因而在要求調(diào)速的傳動中一直占據(jù)統(tǒng)治地位。但是直流電機(jī)也有其限制，使其不能滿足生產(chǎn)機(jī)械高性能，大型化發(fā)展。

AST…速度調(diào)節(jié)器 ACR…三相電流調(diào)節(jié)器 AFR…勵磁電流調(diào)節(jié)器 BRT…速度調(diào)節(jié)器 BQ…位置變換器

1-交流同步電動機(jī) 2-他勵直流電動機(jī)

2 交流同步電動機(jī)和直流電動機(jī)的特點比較

2.1 單機(jī)容量

受換向器換向能力的限制，按照目前的技術(shù)水平，直流電機(jī)最大的轉(zhuǎn)速與功率之積約為106kw.r/min，當(dāng)接近或者超過該值時大多采用交流電機(jī)。而交流電動機(jī)容量可以突破這一限制，實際上交流電機(jī)可以充分利用電力電子器件的能力來提高供電電壓，采用先進(jìn)的電機(jī)冷卻方式，當(dāng)前用于冶金領(lǐng)域變頻調(diào)速同步電動機(jī)的單機(jī)容量可以達(dá)到20MW。

2.2 飛輪力矩GD2

為改善換向器換向條件，要求直流電機(jī)電樞漏感小，電動機(jī)轉(zhuǎn)子短，因而造成飛輪力矩GD2大。而交流電機(jī)轉(zhuǎn)子細(xì)長，GD2小。表1列出了幾臺實際電機(jī)GD2值，供參考。

表1 交直流電動機(jī)的GD2值

為解決直流GD2大和功率受限的問題，許多機(jī)械采用雙電樞或者三電樞直流電動機(jī)傳動，但是電機(jī)造價高，占地面積大，增加了維護(hù)量，易產(chǎn)生扭振。隨著交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，完全可以采用單臺同步電機(jī)來實現(xiàn)。

因為交流電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量大大減小，從電氣角度來說轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和速度響應(yīng)都會較直流電機(jī)快。并且交流變頻同步電機(jī)沒有換向火花和過載能力的限制，電機(jī)可以具有更大的動態(tài)加速電流。熱軋機(jī)生產(chǎn)過程中，要求鋁錠軋到料尾時能夠快速停下并且開始反向軋制，以提高生產(chǎn)的效率，在這方面同步電動機(jī)比直流電機(jī)更勝一籌。直流和交流的調(diào)速性能如表2。

表2

2.3 成本

交流調(diào)速用變流裝置比直流調(diào)速用整流裝置貴，因為交流調(diào)速用的變流裝置按照電動機(jī)的電壓電流峰值選擇器件，當(dāng)三相電流中某一相處于峰值時，另兩相電流只有一半，器件得不到充分利用。但是交流電機(jī)比直流電機(jī)便宜，可以補(bǔ)償裝置增加的成本。目前對于大功率調(diào)速系統(tǒng)，2000KW以上交流電動機(jī)和調(diào)速裝置的總價格已經(jīng)與直流相當(dāng)或者略低。

以某鋁廠熱軋機(jī)為例，主傳動電機(jī)采用4臺直流電機(jī)，每臺功率1800KW,要求1分鐘 1.75倍過載，最大軋制速度200m/min，電機(jī)轉(zhuǎn)速400//900 r/min，減速箱速比13；如果該項目選用交流同步電動機(jī)，功率適當(dāng)選大點，減速箱速比適當(dāng)降低點，完全可以達(dá)到要求的軋制速度，并且過載倍數(shù)可以達(dá)到2倍以上。另外，熱軋機(jī)的主傳動電機(jī)和其它傳動電機(jī)多采用單獨變壓器，所以增加了靈活性，可以將主電機(jī)的額定電壓提上去，且不影響其它傳動電機(jī)選擇。如果將同

步電動機(jī)的功率選擇的足夠大，完全可以直接拖動軋輥進(jìn)行軋制，這樣就可以省去一個龐大的齒輪傳動裝置，對制造和維護(hù)都很方便。

3 結(jié)語

交流同步電動機(jī)在有色金屬加工行業(yè)優(yōu)勢明顯，有著很好的應(yīng)用前景。

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