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1、轧机用大型变频异步电动机研制 上海电机学院毕业设计（论文）中期报告课题名称 轧机用大型变频异步 电动机研制 学 院 电气学院 专 业 电机电器智能化 班 级 BG1005 学 号 101001230517 姓 名 潘涛 指导教师 彭大华、卫福娟 定稿日期： 2014年 04月 15 日轧机用大型变频异步电动机研制 11 绪论随电力传动广泛应用于机械、钢铁、矿山、冶金、化工、石油、纺织等行业中。传动系统中的电动机所消耗的电能在各国的用电量中都占有很大的比例。因此, 有效地利用电动机, 改进其运行性能, 很据需要控制电动机的转速, 降低运行中的消耗, 提高电动机的运行可靠性将成为选择电动机的主要依
2、据。均随着现代变频技术的发展, 交流变频电动机可以得到良好的动态性能。变频调速异步电动机, 由于其结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、运行可靠、维护简单等优点, 已经普遍应用于现代工业的各领域, 在大容量、高转速、高可靠性以及防污染、防爆等方面有着明显的优势。6但交流电动机调速比较困难, 因此长期以来在调速领域内一直是直流电机占主导地位。直流电机因有换向器和电刷, 也带来了一系列问题:( 1 ) 换向器和电刷的维护工作量大。由于火花的原因, 直流电机一般不能在易燃、易爆和尘埃较多的恶劣环境中使用。( 2 ) 电机的换向能力限制了电机的极限容量和转速。因此, 在一些要求容量大或转速高的传动中
3、不得不采用双电枢、三电枢甚至四电枢的电机。这就使电机的制造增加了困难,降低了运行可靠性( 3 ) 与交流调速电机相比, 直流电机的效率低、能耗大、调速反应慢。 220 世纪 70 年代以后, 随着交流电机矢量控制理论的产生以及其应用技术的推广, 世界工业发达国家都投人大量人力物力对交交变频轧钢机主传动进行研究。据统计约有上千台交流变频轧机主传动投人工业应用, 并在其新建 1 0 0 kw 以上的轧机主传动上, 无论是初轧机, 中板轧机还是热、冷连轧机 , 均采用交流变频调速。可以说, 在大功率轧钢机主传动领域已出现交流调速传动取代直流传动的趋势。 5大型轧钢机械的主辅传动领域,由于对电动机转矩
4、特性和调速范围的特殊要求,长期以来一 直被直流电动机所占有。尽管随着电力电子技术的发展,各种交流调速技术相继进入风机、水泵及一些一般的调速领域,但是真正用来驱动初轧机和连轧机还是 8 0年代才开始的。矢量控制大功率交一交循环变频器为交流传动系统提供了与直流传动系统基本相同的恒转矩和恒功率两个调速范围,使静止变频交流传动调速技术进人了全面实用化的阶段。由此开始,交流电动机已不再是受电网 控制的在恒定电压下恒定频率下工作的设备了,同直流电动机一样,它处于一个与电网相对独立的系统下工作。大功率轧钢机主传动要求电气传动系统具有很高的动态响应和相当高的过载能力，这一领域长期以来一直被直流电气传动系统所垄
5、断。虽然直流电动机具有良好的调速性能，但其存在着换向问题，使其在提高单机容量、过载能力和维护等方面受到了限制。随着电力电子技术以及现代控制理论的迅速发展，交流变频调速可以得到良好的动态性能，已成为电气传动的主流，正越来越多的取代传统的直流调速传动系统。轧机主传动电气系统先后经历了从 G-D 机组供电、晶闸管直流调速到交流变频调速的过程。交流变频调速主要有交交和交直交两种形式。由于存在调速范围窄、电网污染大等缺点，交交变频调速方式日趋被交直交变频调速方式所取代 4。随着可关断轧机用大型变频异步电动机研制 2电力电子器件工艺技术的日益成熟，采用高压大功率全控型器件的三电平交直交变频调速系统已经逐步
6、成为轧机主传动的主流装备。然而这一领域的核心技术长期为几家国外跨国公司所垄断，如 ABB、TMEIC、SIEMENS 等公司，形成一定的技术壁垒和价格保护为此国内冶金企业每年不得不花费大量资金重复引进此类装备。 3目前，在轧钢生产线上，很多设备的传动系统已采用异步变频传动系统，其中大型异步变频电机大部分须国外进口，本次研制轧机用变频异步电机的目的就是为了能替代国外同类产品。大型轧钢机械的主辅传动领域, 由于对电动机转矩特性和调速范围的特殊要求, 长期以来一直被直流电动机所占有。尽管随着电力电子技术的发展, 各种交流调速技术相继进入风机、水泵及一些一般的调速领域, 但是真正用来驱动初轧机和连轧机
7、还是80 年代才开始的。矢量控制大功率交一交循环变频器为交流传动系统提供了与直流传动系统基本相同的恒转矩和恒功率两个调速范围, 使静止变频交流传动调速技术进人了全面实用化的阶段。由此开始, 交流电动机已不再是受电网控制的在恒定电压下恒定频率下工作的设备了, 同直流电动机一样, 它处于一个与电网相对独立的系统下工作。由于电源性质和电动机工作方式的改变, 其计算方法也要有一些相应的变化。本文对轧机用大型变频异步电动机进行研究和设计。完成典型产品的结构及电磁设计，并进行相关性能分析。轧机用大型变频异步电动机研制 31.异步电机调速1.1异步电机调速原理简介现在对异步机供电的多为电压源逆变器, 输出电
8、压为阶梯波, 其可分解为基波及一系列高次谐波。决定电机变频运行性能的是基波, 谐波只起着使电流波形畸变、产生谐波损耗以及产生转矩脉动的效应。这里分析可以将电压、电流、磁通理解为基波分量。在正常运行范围内 U1E 1 f1, 则 E1 即电机主磁通大1EUf小取决于电势 /频率比,近似取决于电压 /频率比。从而根据 U1、f1 的协调控制方式不同实现不同的调速运行方式, 获得不同的工作特性。式中,U1外施定子电压;E1气隙电势;f1运行频率; 气隙主磁通。轧钢用异步变频电机调速分为两段: 恒转矩区调速与恒功率区调速, 其两段的分界点为电机的基速, 最高运行速度通常称为高速。基速以下为恒转矩区,
9、基速以上为恒功率区, 如图 1 所示。当 U1 / f1 = 常数, 有 f1 = afN 及 U1 =aUN , 式中, U N 、 f N ) 定子电压、频率对应基速的额定值;a = f1/f N = n1/nN-相对运行频率 。此时 转矩及最大转矩的表达式可写为式中, X 1、X ,2 一对应 fN 下的定子及折算后转子漏抗;=a s= 为绝 对转差率正常运行时转差率 s 很小, s R 1 项可以忽N1Nn-n-= 略, 这样 , 尽管频率在变化, 但对应一定转矩下的转速差 ( n1 -n ) 不变, 因此恒电压 / 频率比运行方 式下的转矩特性 ( 稳定运行段 ) 将 是一组硬度不变
10、的平行曲线, 如图 2 所示。轧机用大型变频异步电动机研制 4当忽略定子电阻 R1 时, 可以得 到式 ( 3 ) 和式 ( 4 ) , 并画出图 3 。图 3 表明在不同运行频率下, 电机的最大转矩以及对应最大转矩的绝对转差率为常数, 此时电机维持恒定气隙 磁通运行,亦即恒转矩 运行。为了维持这 一转矩特 性, 必 须随着频率 f1的降低 , 适当提高定子电压 U1, 以补偿定子电阻上的压降, 从而满足恒电势/频率比当电机运行频率达到额定并超过额定值, 电机电压将维持不变或仅在小范围内升高。此时电机磁通就将随着频率的上升而下降, 从而转矩减小, 电机进入近似恒功率的运行方式, 转矩和转速呈反
11、比, 如图 4 所示。轧机用大型变频异步电动机研制 5轧机用大型变频异步电动机研制 62. 电机主要尺寸设计一台电机时，必须确定许多尺寸，但其中起主要与决定作用的是电机的主要尺寸，电机的主要尺寸是指电枢铁心的直径和长度。对于直流电机，电枢直径是指转子外径，对一 般结构的感应电机和同步电机，则是指定子内径。主要尺寸确定后，其他尺寸也可以大体确定。电机的重量价格工作特性和运行可靠性等也都和主要尺寸以及它们的比值有密切关系。所以确定主要尺寸是电机设计的第一步。2.1电机主要尺寸的选择电机的主要尺寸包括定子铁心内径和铁心长度。确定电机主要尺寸的通常做法是首先确定极距，然后根据式子（3-1）确定铁心内径
12、，最后由电机常数来确定铁心长度。式中 为极距， D 1i为定子内径，p 为极对数电机设计中确定极距的依据是实际电机制造过程中得出的曲线和经验公式。对于一定容量的电机，其极距 和容量 SN 之间存在如（3-2）所示的关系式中 K1为经验系数，介于 9到 12.5之间。电机设计的基本理论表明，电机的主要尺寸与其容量和转速密切相关，这可以由式子（3-3）看出。其中， C A为电机常数， lef 为铁心的等效长度，p 为计算功率，n为转速。由于极弧系数 p、气隙磁场波形系数 K 、绕组系数 Kdp、电磁负荷 AB变化范围很小，所以电机常数基本不变，在根据极距确定了定子内径后，就可以根据电机常数来确定铁
13、心的长度了。Dl，近似地表示转子有效部分的体积，定子有效部分的体积也与它有关。因而由 (2-13) 可见，电机常数大体上反映了产生单位计算转矩所耗用的有效材料铜9（铝）和电工钢）体积并在=定程度上反映了结构材料的耗用用量电机常数 CA的倒数为由式(2-14)可见，KA 表示单位体积有效材料所能产生的计算转矩，因此它的大小反映了电机有效材料的利用程度，通常称为利用系数。在进行设计方案时，KA 往往也是项重要的比较指标。随着电机制造水平的提高，材料质量的改进，利用系数不断轧机用大型变频异步电动机研制 7增大。 由参考文献(O-1)可知，材料的利用还可按照作用于电枢圆周单位表面上的平均切向力（称为转
14、切应力）r1 来判断，同理可推导出以下数值关系（ 的单位为N/m2式中其他各量的单位同式（2-12）。比较式（2-14）与式(21 5)可知，r1KA。已制成的电机表明，CA 实际上并非总是常数，在转速一定时，它常随电机功率的增大而减小，利用系数 KA和转切应力r1则随电机功率的增加而增大。通常作出 CA或 KA与 P，或 P，n 之间的经验曲线，通过这些经验曲线可初步确定电机的主要尺寸 D2lef. 在无径向通风道的电机中，电枢的计算长度 l e f，和铁心实际总长度 lta相差很小;在有径向通风道的电机中，lef略小于 lta感应电机约小 1 015；直流电机和同步电机约小 510计算极弧系数 a；一般在 O.630.72 之之间。不同类型电机的计算功率可按给定的额定功率Pn来决定，方法如下:对于感应电机 式中 Kg额定负载时感应电势与端电压的比值， 及 COSN额定负载时的效率与功率因数，可由技术条件或技术任
