《軋制成形設備》課件：第6章-3

6.5主電動機一、概述1、電動機的類型及特點本部分內容可參考：電工學、電機學等書籍。（1）交流電動機①異步電動機原理(復習電工學相關知識)：當一對稱的三相電流流入異步電機三相定子繞組時，在氣隙中產生旋轉磁場，以同步速n1旋轉，而轉子以而略低于旋轉磁場轉速n1的轉速n旋轉，而在閉合的轉子中產生感應電流，旋轉磁場與轉子中的電流相互作用產生電磁轉矩。同步轉速n1為：（r/min）其中f:為電流頻率。

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

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

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

式中Mmax：電機在軋制中承受的最大轉矩；

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

Me=9550Ne/ne(N.m)（2.8-4）

Ne：電機額定功率kW；

ne：電機額定轉速r/min。②Z2型與Z型直流電動機在額定磁通下，可選1.5-2.0。③軋機專用ZZ型和ZZY型直流電動機與同步電動機可選2.5-3.0。當電機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，嚴重時會燒壞電機，因此必須對電機的發(fā)熱進行校核。電機發(fā)熱常用校核方法為等效法，有等效電流法、等效轉矩法、等效功率法，本課程則采用等效轉矩法，其計算公式為：

Me≥Mdx

(2.8-3)

（2）發(fā)熱校核式中Me：電機的額定轉矩其值為：

Me=9550Ne/ne(N.m)（2.8-4）其中

Ne：電機額定功率，kW；

ne：電機額定轉速r/min。電機的等效轉矩Mdx：其中Mi：一個軋制周期中各時間區(qū)間的轉矩

ti：一個軋制周期中，對應轉矩的延續(xù)時間。2、可逆工作制主電機容量計算負荷特征：主電機頻繁起動、制動，動負荷較大，因而選擇電機容量時要考慮動力矩。下圖是主電機在一個軋制道次中的轉矩和轉速圖。整個軋制過程是：軋輥低速咬入軋件，然后加速，速度達到定值后則等速軋制，軋件軋制結束前降低速度，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，電動機的轉速已經超過了其基本轉速ne。對可逆工作制主電機容量的選擇是考慮動力矩的情況下，校驗其電機的過載和發(fā)熱。從上面靜負荷圖選擇主電機的容量時，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由空載轉速n0升到軋件咬入時的轉速n1。該階段所需時間為t1：

t1=（n1－

n0）

/a1(2.8-6)

式中a1：起動階段的電機加速度該階段的轉矩為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的轉速由咬入時的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：該階段的主電動機的加速度。該階段的轉矩為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轉速維持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與軋輥速度的關系以及單位。該階段的轉矩為M3：

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

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

式中b1：該階段主電機的減速度。該階段的轉矩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轉速由n3降到零。該階段所需需時間t5為：t5=n3/b2(2.8-14)式中b2：制動時主電機的減速度。該階段的轉矩M5為：M5=M0-Md5(2.8-15)式中Md5：制動時的減速動力矩。根據材料力學知識，上述各式中的動力矩可按下式計算：

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

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，電動機的轉速已經超過了其基本轉速ne，在校核發(fā)熱時扭矩應進行修正，修正后的扭矩為：(2)電機容量校核

由前面的可知校核發(fā)熱時應為：Me≥Mdx，其中Mdx應按一塊坯料在該軋機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）預選主電機的額定力矩式中MP：一個工作循環(huán)的平衡轉矩，其值為：式中Miti：一個工作周期內折算到主電機軸上的力矩與其相應時間乘積的總和；

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

n0：主電機的同步轉速；

K：軋機主傳動系統(tǒng)的動能A0與主電機額定功率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：主電機轉子的飛輪力矩；：軋機主傳動系統(tǒng)除飛輪外的飛輪力矩。（4）電動機負荷曲線的繪制帶有飛輪的主電機實際負荷曲線是用電機轉矩曲線樣板在靜負荷圖上修正得出的，因此，先繪制電機扭矩曲線樣板。①電機扭矩曲線樣板的繪制電機轉矩曲線樣板如圖所示。

樣板的直角垂直邊是靜負荷圖中的尖峰（即最大）力矩Mmax,其比例應與靜負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倍電氣機械常數(shù)T。樣板的曲線部分是用來修正靜負荷圖的線段，可按下式繪制：式中Md：電機軸上的力矩；

Mmax：軋制尖峰力矩；

t：與負荷相應的持續(xù)時間；T：時間常數(shù)，異步電機轉差調節(jié)器動作前后的T值不同：轉差調節(jié)器動作前為：轉差調節(jié)器動作后為：式中Me：主電機的額定力矩；n0：主電機的同步轉速；

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

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

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

S：電動機的轉差率，S=(n0-n)/n0，n0為電動機旋轉磁場的轉速，即同步轉速，n0=60f/p。三、交流變頻調速電動機簡介

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

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

Cm：與繞組匝數(shù)有關，對特定電動機Cm

為常數(shù)。

如果電動機端電壓U不變，頻率f增加時，將使氣隙磁通減小，而減小將導致電動機輸出轉矩下降。相反，當電動機端電壓U不變，頻率f減小時，將使氣隙磁通增加，使電動機輸出轉矩上升，但增加可能使磁路飽和，激磁電流增大而使鐵損增加，嚴重時可燒毀電動機。因此，在許多實際應用中，為保持電動機調速時的最大轉矩不變，在改變頻率以調速的同時，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)

將工頻交流電轉換為頻率和電壓可調的控制系統(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之間，在控制回路的控制下，變頻器輸出受控電源，使電動機在要求的轉速和功率下運行。

變頻器的基本結構如圖所示，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通和截止，使之向異步電動機輸出頻率和電壓可變的電源，驅動電動機運行。由上述可知，三相異步電動機變頻調速方式是：交流→直流→三相交流→三相異步電動機。與交流電機與直流電機對比①容量能力提高功率與轉速的乘積PN·nmax值對直流電機受換向能力限制，極限值一般為3.0×106，而5500kW調速同步電機突破了這一極限值，達3.6×106，而某2050軋機R3同步電動機的此值已達5.2×106，這是直流電動機單機所不能及