《軋制成形設(shè)備》課件：第6章-3

6.5主電動機(jī)一、概述1、電動機(jī)的類型及特點本部分內(nèi)容可參考：電工學(xué)、電機(jī)學(xué)等書籍。（1）交流電動機(jī)①異步電動機(jī)原理(復(fù)習(xí)電工學(xué)相關(guān)知識)：當(dāng)一對稱的三相電流流入異步電機(jī)三相定子繞組時，在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，以同步速n1旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子以而略低于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1的轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，而在閉合的轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流，旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子中的電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。同步轉(zhuǎn)速n1為：（r/min）其中f:為電流頻率。

P:磁極對數(shù).同步轉(zhuǎn)速:一對時，其轉(zhuǎn)速為3000r/min，二對時為1500轉(zhuǎn)，三對時為1000轉(zhuǎn)，四對時為750轉(zhuǎn)，而電動機(jī)的轉(zhuǎn)速則分別略低于其相應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速

特點：結(jié)構(gòu)簡單、制造使用維護(hù)方便、運行可靠、效率較高、價格較低。但調(diào)速和起動性能不佳。 應(yīng)用：在生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用的一種電動機(jī)，被廣泛應(yīng)用在金屬切削機(jī)床、起重機(jī)、鍛壓機(jī)、傳送機(jī)、鑄造機(jī)械、功率不大的通風(fēng)機(jī)及水泵等。②同步電動機(jī)同步電動機(jī)是指電動機(jī)的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速相同的交流電動機(jī)，其轉(zhuǎn)速n與異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n1一樣。應(yīng)用：主要應(yīng)用于功率較大、不需調(diào)速、長期工作的各種生產(chǎn)機(jī)械，如壓縮機(jī)、水泵、通風(fēng)機(jī)等。（2）直流電動機(jī)：他激、并激、串激、復(fù)激。具有調(diào)速性能好，啟動力矩大等特點。他激電動機(jī)的激磁繞組是由外電源供電的，應(yīng)用較廣泛。2、選擇原則滿足機(jī)電設(shè)備的功率、速度、力矩、過載或調(diào)整等，在滿足使用要求的情況下，盡可能地選用價格比較低的電動機(jī)。3、類型選擇（1）不可逆式工作制度①具有不變的速度電動機(jī)類型：在大型軋機(jī)上采用同步電動機(jī)，在小型軋機(jī)上采用異步電動機(jī)。應(yīng)用范圍：連續(xù)式鋼坯軋機(jī)、線材軋機(jī)、窄帶鋼冷軋機(jī)、穿孔機(jī)等。②具有飛輪的軋機(jī)在減速機(jī)和電動機(jī)之間加有飛輪a、飛輪的作用：軋制時，在沖擊負(fù)荷作用下拖動系統(tǒng)減速，負(fù)載的一部分由飛輪放出貯存的動能來克服，主電機(jī)只承擔(dān)余下的部分。軋件軋出后，負(fù)荷突減，主電機(jī)帶動飛輪加速，飛輪儲存能量。b、飛輪的目的：降低軋制時主電機(jī)的尖峰負(fù)荷，增加空載時的主電機(jī)負(fù)荷，從而使主電機(jī)在整個工作過程中負(fù)荷均勻化，以達(dá)到按允許過載能力選擇較小容量電機(jī)的目的。c、電動機(jī)類型：異步電動機(jī)、有時采用直流復(fù)激電動機(jī)。d、應(yīng)用范圍：三輥軋機(jī)和二輥薄板軋機(jī)等。注意：只有尖峰負(fù)荷持續(xù)時間小于2-4s，而空載時間較長的情況下，采用飛輪才是經(jīng)濟(jì)上合宜的。這種傳動系統(tǒng)中通常選用異步電動機(jī)，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷的變化而改變，飛輪才能儲存或釋放能量。③不經(jīng)常調(diào)速的長期工作制電動機(jī)類型：直流他激電動機(jī)；應(yīng)用范圍：連續(xù)式、半連續(xù)式、串列－往復(fù)式等軋機(jī)；④經(jīng)常調(diào)速的短期重復(fù)工作制電動機(jī)類型：可調(diào)節(jié)電壓的直流他激電動機(jī)；應(yīng)用范圍：三輥鋼坯軋機(jī)和軌梁軋機(jī)、連續(xù)式冷軋機(jī)、輪箍和車輪軋機(jī)等。電動機(jī)類型：可調(diào)節(jié)電壓的直流他激電動機(jī)；應(yīng)用范圍：初軋機(jī)、板坯軋機(jī)、二輥厚板軋機(jī)、二輥和四輥萬能軋機(jī)、寬帶鋼冷軋機(jī)等。（2）可逆式雖然軋機(jī)的工作制度各不相同，但是主電機(jī)容量的計算可按軋制時負(fù)荷的特征分成三類。

1、按靜負(fù)荷圖選擇主電機(jī)的容量負(fù)荷特征：軋制過程中動負(fù)荷很小，靜負(fù)荷變化不大或按一定規(guī)律變化。確定電機(jī)容量的考慮因素：①電機(jī)的允許過載能力；②電機(jī)發(fā)熱。二、主電機(jī)容量的計算主電機(jī)的過載按下式校驗：

式中Mmax：電機(jī)在軋制中承受的最大轉(zhuǎn)矩；

Me：電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩；：電機(jī)的允許過載系數(shù)，過載系數(shù)按下式計算：（1）過載校驗①異步電動機(jī)式中Mm：異步電動機(jī)的臨界轉(zhuǎn)矩。其中電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩Me：

Me=9550Ne/ne(N.m)（2.8-4）

Ne：電機(jī)額定功率kW；

ne：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速r/min。②Z2型與Z型直流電動機(jī)在額定磁通下，可選1.5-2.0。③軋機(jī)專用ZZ型和ZZY型直流電動機(jī)與同步電動機(jī)可選2.5-3.0。當(dāng)電機(jī)溫度超過所用絕緣材料的最高允許溫度時，絕緣材料的將會老化、變脆，縮短其使用壽命，嚴(yán)重時會燒壞電機(jī)，因此必須對電機(jī)的發(fā)熱進(jìn)行校核。電機(jī)發(fā)熱常用校核方法為等效法，有等效電流法、等效轉(zhuǎn)矩法、等效功率法，本課程則采用等效轉(zhuǎn)矩法，其計算公式為：

Me≥Mdx

(2.8-3)

（2）發(fā)熱校核式中Me：電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩其值為：

Me=9550Ne/ne(N.m)（2.8-4）其中

Ne：電機(jī)額定功率，kW；

ne：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速r/min。電機(jī)的等效轉(zhuǎn)矩Mdx：其中Mi：一個軋制周期中各時間區(qū)間的轉(zhuǎn)矩

ti：一個軋制周期中，對應(yīng)轉(zhuǎn)矩的延續(xù)時間。2、可逆工作制主電機(jī)容量計算負(fù)荷特征：主電機(jī)頻繁起動、制動，動負(fù)荷較大，因而選擇電機(jī)容量時要考慮動力矩。下圖是主電機(jī)在一個軋制道次中的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速圖。整個軋制過程是：軋輥低速咬入軋件，然后加速，速度達(dá)到定值后則等速軋制，軋件軋制結(jié)束前降低速度，在低速下拋出軋件。在等速軋制階段以及加速和減速的部分階段，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速已經(jīng)超過了其基本轉(zhuǎn)速ne。對可逆工作制主電機(jī)容量的選擇是考慮動力矩的情況下，校驗其電機(jī)的過載和發(fā)熱。從上面靜負(fù)荷圖選擇主電機(jī)的容量時，可知，各階段的力矩和時間是主要參數(shù)，現(xiàn)分別分析：空載起動咬入加速穩(wěn)定軋制帶料減速制動I：II：III：IV：V：IIIIIIIVV①空載起動階段該階段是主電動機(jī)由空載轉(zhuǎn)速n0升到軋件咬入時的轉(zhuǎn)速n1。該階段所需時間為t1：

t1=（n1－

n0）

/a1(2.8-6)

式中a1：起動階段的電機(jī)加速度該階段的轉(zhuǎn)矩為M1：

M1＝M0＋Md1(2.8-7)

式中M0：空載靜力矩；

Md1：空載起動時的動力矩。（1）各階段的力矩和時間該階段主電動機(jī)的轉(zhuǎn)速由咬入時的n1升至穩(wěn)定軋制速度n2。該階段所需時間為t2：

t2=(n2-n1)/a2(2.8-8)

式中a2：該階段的主電動機(jī)的加速度。該階段的轉(zhuǎn)矩為M2：

M2＝Mj＋Md2(2.8-9)

式中Mj：軋件咬入后的靜力矩；

Md2：軋件咬入后的加速動力矩。②咬入軋件后的加速階段該階段主電機(jī)轉(zhuǎn)速維持n2不變。該階段所需時間為t3：式中l(wèi)：該道次軋件的軋出長度；D：軋輥直徑；

t4：帶料減速階段的時間。注意：n2與軋輥速度的關(guān)系以及單位。該階段的轉(zhuǎn)矩為M3：

M3＝Mj(2.8-11)③穩(wěn)定軋件階段該階段主電機(jī)轉(zhuǎn)速由n2降到軋件拋出時的轉(zhuǎn)速n3。該階段所需時間為t4：

t4=(n2-n3)/b1(2.8-12)

式中b1：該階段主電機(jī)的減速度。該階段的轉(zhuǎn)矩M4為：

M4＝Mj-Md4(2.8-13)

式中Md4：軋件拋出時的減速動力矩。④帶料減速階段主電機(jī)轉(zhuǎn)速由n3降到零。該階段所需需時間t5為：t5=n3/b2(2.8-14)式中b2：制動時主電機(jī)的減速度。該階段的轉(zhuǎn)矩M5為：M5=M0-Md5(2.8-15)式中Md5：制動時的減速動力矩。根據(jù)材料力學(xué)知識，上述各式中的動力矩可按下式計算：

式中GD2：主傳動系統(tǒng)中所有轉(zhuǎn)動零部件換算到主電機(jī)軸上的飛輪力矩；

a：加速度或減速度。⑤制動階段①過載校核各階段電機(jī)的過載校核同前。即(2.8-1)式。②發(fā)熱校核在咬入后穩(wěn)定軋制階段以及加速階段與減速階段的部分區(qū)間中，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速已經(jīng)超過了其基本轉(zhuǎn)速ne，在校核發(fā)熱時扭矩應(yīng)進(jìn)行修正，修正后的扭矩為：(2)電機(jī)容量校核

由前面的可知校核發(fā)熱時應(yīng)為：Me≥Mdx，其中Mdx應(yīng)按一塊坯料在該軋機(jī)上軋制所有道次的一個周期計算，即：式中M1i：各道次中的起動階段力矩；

t1i：各道次中的起動階段時間；

t0i：各道次的間隙時間。（1）預(yù)選主電機(jī)的額定力矩式中MP：一個工作循環(huán)的平衡轉(zhuǎn)矩，其值為：式中Miti：一個工作周期內(nèi)折算到主電機(jī)軸上的力矩與其相應(yīng)時間乘積的總和；

ti：軋制周期時間。3、帶有飛輪的主電機(jī)容量計算（2）確定主傳動系統(tǒng)的總飛輪力矩（GD2）式中Ne：主電機(jī)的額定功率，kW；

n0：主電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速；

K：軋機(jī)主傳動系統(tǒng)的動能A0與主電機(jī)額定功率Ne的比值，其值可參考教材P110表2.8-1與表2.8-2選取。（3）飛輪本體的飛輪力矩式中GD0：主電機(jī)轉(zhuǎn)子的飛輪力矩；：軋機(jī)主傳動系統(tǒng)除飛輪外的飛輪力矩。（4）電動機(jī)負(fù)荷曲線的繪制帶有飛輪的主電機(jī)實際負(fù)荷曲線是用電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線樣板在靜負(fù)荷圖上修正得出的，因此，先繪制電機(jī)扭矩曲線樣板。①電機(jī)扭矩曲線樣板的繪制電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線樣板如圖所示。

樣板的直角垂直邊是靜負(fù)荷圖中的尖峰（即最大）力矩Mmax,其比例應(yīng)與靜負(fù)荷圖中的力矩比例一致。樣板的直角水平邊為時間，其值等于4~6倍電氣機(jī)械常數(shù)T。樣板的曲線部分是用來修正靜負(fù)荷圖的線段，可按下式繪制：式中Md：電機(jī)軸上的力矩；

Mmax：軋制尖峰力矩；

t：與負(fù)荷相應(yīng)的持續(xù)時間；T：時間常數(shù)，異步電機(jī)轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)器動作前后的T值不同：轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)器動作前為：轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)器動作后為：式中Me：主電機(jī)的額定力矩；n0：主電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速；

Se：主電機(jī)轉(zhuǎn)子接有常接電阻時電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)差率，一般Se值為0.05~0.07,常取0.05。：主電機(jī)轉(zhuǎn)子串接更多外電阻時電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率，常取0.1。制作電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線樣板應(yīng)按時間常數(shù)T和各做一塊，以供不同條件下修正靜負(fù)荷圖用。②電動機(jī)負(fù)荷曲線的繪制

③過載與發(fā)熱校核電機(jī)的過載與發(fā)熱分別根據(jù)（2.8-1）式和（2.8-7）式校核。1、交流電動機(jī)的變頻調(diào)速原理

以三相異步電動機(jī)為例，講述交流電動機(jī)的變頻調(diào)速原理。異步電動的轉(zhuǎn)速n可由下式求出：式中P：電動機(jī)磁極對數(shù)；f：交流電源的頻率；

S：電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率，S=(n0-n)/n0，n0為電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速，n0=60f/p。三、交流變頻調(diào)速電動機(jī)簡介

因此，對于異步電動機(jī)，當(dāng)負(fù)載恒定時，其轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比。當(dāng)忽略定子繞組阻抗引起的電壓降時，異步電動機(jī)繞組中的磁勢(反電動勢)E與端電壓U之間有如下關(guān)系：式中:氣隙磁通；

k：其值與繞組匝數(shù)有關(guān)，對特定電動機(jī)k為常數(shù)。電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為：式中：相位角；

Cm：與繞組匝數(shù)有關(guān)，對特定電動機(jī)Cm

為常數(shù)。

如果電動機(jī)端電壓U不變，頻率f增加時，將使氣隙磁通減小，而減小將導(dǎo)致電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降。相反，當(dāng)電動機(jī)端電壓U不變，頻率f減小時，將使氣隙磁通增加，使電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩上升，但增加可能使磁路飽和，激磁電流增大而使鐵損增加，嚴(yán)重時可燒毀電動機(jī)。因此，在許多實際應(yīng)用中，為保持電動機(jī)調(diào)速時的最大轉(zhuǎn)矩不變，在改變頻率以調(diào)速的同時，還改變定子端電壓以保持恒定的磁通。為了保持恒定的磁通，只要滿足下式即可。

U/f=常數(shù)

將工頻交流電轉(zhuǎn)換為頻率和電壓可調(diào)的控制系統(tǒng)稱為變頻器。變頻器受控制回路(微電腦等)控制，變形器位于電源與電動機(jī)之間，在控制回路的控制下，變頻器輸出受控電源，使電動機(jī)在要求的轉(zhuǎn)速和功率下運行。

變頻器的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，它由穩(wěn)壓器、整流器、濾波器、逆變器和控制回路等部分組成。電源經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓并濾除雜波后得到穩(wěn)定平滑的正弦波電壓，然后經(jīng)整流、濾波變成直流電源，控制回路有規(guī)律地控制逆變器的導(dǎo)通和截止，使之向異步電動機(jī)輸出頻率和電壓可變的電源，驅(qū)動電動機(jī)運行。由上述可知，三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速方式是：交流→直流→三相交流→三相異步電動機(jī)。與交流電機(jī)與直流電機(jī)對比①容量能力提高功率與轉(zhuǎn)速的乘積PN·nmax值對直流電機(jī)受換向能力限制，極限值一般為3.0×106，而5500kW調(diào)速同步電機(jī)突破了這一極限值，達(dá)3.6×106，而某2050軋機(jī)R3同步電動機(jī)的此值已達(dá)5.2×106，這是直流電動機(jī)單機(jī)所不能及