滾柱式傳送帶用變頻異步電動機(jī)

1 概述

在冶金工業(yè)中，慣例是由專用的電動機(jī)，用于滾柱式傳送裝置的滾柱驅(qū)動。此類電動機(jī)與通用異步電動機(jī)(A 廿)的不同，是由其在非調(diào)節(jié)電力傳動中的運(yùn)行特點(diǎn)所決定的。

滾柱式傳送帶的電動機(jī)，可運(yùn)行于頻繁起動、制動、逆轉(zhuǎn)等工況，必須能經(jīng)受住長時間的短路狀態(tài)工作，能承受大的熱輻射和經(jīng)常性的強(qiáng)力的機(jī)械沖擊與振動。因此，滾柱傳送帶電動機(jī)與通用電動機(jī)比較，具有電磁負(fù)荷減小;氣隙增大;轉(zhuǎn)子繞組的有效電阻大;加固的外殼部件(機(jī)座和軸承護(hù)板)能耐受機(jī)械的沖擊與振動;自然的冷卻(無外邊吹風(fēng)的通風(fēng)機(jī))等一系列特點(diǎn)。

對于滾柱式傳送帶電動機(jī)的定子繞組，采用有機(jī)硅漆浸漬的玻璃纖維絲絕緣導(dǎo)線。這與采用涂瓷漆(上釉)的繞制導(dǎo)線絕緣不同，盡管降低了電動機(jī)的動力指標(biāo)，但它提高了定子繞組抗機(jī)械應(yīng)力的堅固性。

因其運(yùn)行特點(diǎn)，對滾柱傳送帶電動機(jī)所提出的要求，導(dǎo)致的結(jié)果是：在相同的功率下，按照大的規(guī)格尺寸和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，不可調(diào)滾柱傳送帶電動機(jī)遠(yuǎn)不及通用的異步電動機(jī)。

鑒于變頻驅(qū)動的廣泛應(yīng)用(包括在冶金工業(yè)部門)，對由通用A廿取代滾柱傳動電動機(jī)這一意見的合理性，提出了質(zhì)疑。

滾柱式傳送帶電動機(jī)在運(yùn)行中所受到的不利因素(軋制產(chǎn)品的熱輻射、振動、沖擊的負(fù)載轉(zhuǎn)矩、灰塵和潮濕)，在變頻運(yùn)行過程中均存在。因此，在設(shè)計滾柱傳動電動機(jī)的結(jié)構(gòu)時，提高了殼體部件及鐵芯的機(jī)械強(qiáng)度，采用了滾柱軸承，加強(qiáng)了定子繞組的絕緣。在相同的運(yùn)行條件下，較之一般工業(yè)用電動機(jī)具有無可爭辯的優(yōu)越性。

要研制對所有情況都通用又適宜的變頻電動機(jī)是不可能的，只有針對每一種控制規(guī)則和能力、調(diào)頻范圍、負(fù)荷特性等實施具體組合，對電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化[1]，優(yōu)化后的電動機(jī)應(yīng)該是適用于變頻驅(qū)動的[2]。

2 滾柱傳送帶電動機(jī)變頻性能的評估及計算結(jié)果

在調(diào)頻情況下有可能實現(xiàn)電動機(jī)的平穩(wěn)起動和制動，避免了在滑差(轉(zhuǎn)差率)大于臨界值下運(yùn)行。這就可以使?jié)L柱傳送帶電動機(jī)在變頻運(yùn)行工況下，其定子和轉(zhuǎn)子繞組有盡可能小的阻抗和感抗。

在不改換沖模的情況下，為了減小APM 系列滾柱傳送帶電動機(jī)定子、轉(zhuǎn)子繞組的電阻，存在兩種可能性：一是在澆鑄轉(zhuǎn)子的短路條時，利用溫度是20益時電導(dǎo)率為33 S/滋m(西門/微米)的鋁取代電導(dǎo)率為15 S/滋m 的鋁合金;二是對定子繞組，利用經(jīng)上釉瓷漆絕緣的導(dǎo)線取代玻璃纖維絕緣導(dǎo)線。這樣可將APM 系列電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的有效電阻減小6/11;定子繞組的電阻則減小20豫耀25%。

作為例子，表1 列出了APM43-6 和APM43-6(*)電動機(jī)的計算結(jié)果。兩種電動機(jī)在50Hz的頻率下，設(shè)計的額定電壓為220 V。與APM43-6 系列電動機(jī)不同的是，在APM43-6(*)電動機(jī)中，轉(zhuǎn)子繞組的澆鑄是用電導(dǎo)率33 S/滋m的鋁;而定子繞組則采用上釉的瓷漆絕緣導(dǎo)線。這就可將頻率的下限從15 Hz降到10 Hz，當(dāng)額定電壓從1.2 kV 到1.3 kV時，提高了有效功率P2和電動機(jī)的效率濁。

從表1 知減小電動機(jī)繞組的有效電阻，不僅降低了調(diào)節(jié)頻率的下限，而且在低頻時補(bǔ)償電動機(jī)電阻性繞組上的電壓降吟Ux也減小了。

為評估電動機(jī)的過載能力，表1 列出了MM(最大轉(zhuǎn)矩);IM(相應(yīng)于轉(zhuǎn)矩MM 的相電流);KM(轉(zhuǎn)矩倍數(shù))，M=MM/M2。在表1 中，上一行的MM、IM、KM值對應(yīng)于臨界值轉(zhuǎn)差率;下一行的MM、IM、KM則對應(yīng)于電動機(jī)軸端最大機(jī)械功率值。

在低頻區(qū)，臨界值轉(zhuǎn)差率力求為1 或可能大于1，特點(diǎn)是電動機(jī)的工況接近短路(K3)或電磁制動。在接近K3狀態(tài)下，電動機(jī)進(jìn)入變頻運(yùn)行是不合理的。因為不僅電流過載，而且電動機(jī)的機(jī)械特性也可能崩落。電動機(jī)軸端最大機(jī)械功率時的轉(zhuǎn)差率低于臨界轉(zhuǎn)差率。故在低頻時，應(yīng)由KM來合理評定電動機(jī)的過載能力。

雖然，APM 系列電動機(jī)用電導(dǎo)率33 S/滋m 的鋁澆鑄轉(zhuǎn)子，定子繞組的導(dǎo)線采用瓷漆絕緣的導(dǎo)線，但是并沒有理想解決滾柱傳送帶變頻電動機(jī)的研制問題。對于變頻驅(qū)動，必須有對電動機(jī)本身經(jīng)過專門設(shè)計改進(jìn)的滾柱傳送帶電動機(jī)[3]。

3 改進(jìn)型滾柱傳送帶電動機(jī)APM2П為實現(xiàn)變頻驅(qū)動的運(yùn)行，俄羅斯的“西伯利亞電動機(jī)”公司研制并生產(chǎn)了特殊改進(jìn)型的滾柱傳送帶用電動機(jī)APM2乇。

APM2乇電動機(jī)的外部結(jié)構(gòu)部件與APM 系列電動機(jī)無明顯差別，機(jī)座、軸承護(hù)板、引線盒等部件保持不變。電動機(jī)的冷卻方式，經(jīng)過帶散熱片的機(jī)座表面及軸承護(hù)板，基本上仍為自然的空氣冷卻，但因采用單獨(dú)的通風(fēng)系統(tǒng)將降低可靠性。

在變頻的滾柱傳送帶電動機(jī)中，利用上釉瓷漆的絕緣導(dǎo)線有可能減小定子繞組的有效電阻，但變頻運(yùn)行時，定子繞組處于變頻的輸出電壓高速增長(du/dt逸1 000 V/ms)及輸出電壓峰值不低于1 500 V的情況下，這些因素對繞制導(dǎo)線絕緣的影響，以及對其可靠性和耐用度(壽命)的影響，研究甚少。調(diào)節(jié)頻率盡管可實現(xiàn)電動機(jī)的平穩(wěn)起動和制動，但不能排除沖擊性負(fù)載轉(zhuǎn)矩的出現(xiàn)。因而，應(yīng)提高作用在定子繞組上的機(jī)械應(yīng)力。

采用玻璃纖維絕緣的導(dǎo)線，對比瓷漆絕緣繞制的導(dǎo)線，其絕緣厚度比瓷漆絕緣的厚度約增加1耀2 倍，以確保大幅度提高繞組及整個電動機(jī)的可靠性和耐用度。由于這一原因，在滾柱傳送帶變頻電動機(jī)APM2乇中采用以玻璃纖維絲絕緣的繞制導(dǎo)線，雖對電動機(jī)的動力指標(biāo)有所下降，但卻是合理的。

另外，對有效部分———定子和轉(zhuǎn)子的鐵芯與繞組進(jìn)行了本質(zhì)上的改進(jìn)。與APM系列滾柱傳動電動機(jī)比較，在變頻運(yùn)行的APM2乇電動機(jī)中，轉(zhuǎn)子的槽數(shù)和截面均已增加，短路繞組條的澆鑄用電導(dǎo)率33 S/um的鋁，定子和轉(zhuǎn)子的繞組數(shù)據(jù)均已改變。

滾柱傳送帶的改進(jìn)型變頻電動機(jī)APM2乇的研制課題為：

1)確定頻率的范圍，在此頻率范圍內(nèi)電動機(jī)以恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，或以恒定的電動機(jī)軸端功率運(yùn)行;

2)確定頻率的下限，以及與其相應(yīng)的定子繞組相電壓，并要考慮到電動機(jī)繞組上電壓降補(bǔ)償?shù)目赡苄浴?/p>

所做的計算和研究表明，“西伯利亞電動機(jī)”公司研制的改進(jìn)型APM2乇滾柱傳動變頻電動機(jī)，設(shè)計的額定頻率50 Hz，相電壓為220 V。在頻率10耀100 Hz范圍內(nèi)，可確保調(diào)節(jié)性能和足夠的過載能力。APM2乇改進(jìn)型電動機(jī)，在其定子繞組上可補(bǔ)償電壓降，頻率低于10 Hz時(見表2)，同樣可以運(yùn)行。

變頻電動機(jī)與電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率和電壓無關(guān)。

當(dāng)電動機(jī)設(shè)計在恒轉(zhuǎn)矩工作時，該轉(zhuǎn)矩可作為額定值(已知的)。在給定的頻率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，把最大的頻率值當(dāng)作額定頻率。作為額定值的頻率越低額定轉(zhuǎn)矩下的電動機(jī)功率則越小。為保證最大的過載能力，在采用的額定頻率下減小相電流，選擇最大允許的相電壓，同樣可將此作為額定電壓。

表3 列出了變頻的滾柱傳送帶電動機(jī)APM2乇C64-8 的數(shù)據(jù)資料，該電動機(jī)是按在額定相電壓220 V和電動機(jī)軸端額定轉(zhuǎn)矩M2=94 N·m的情況下，要求額定頻率f1x=15.7 Hz而設(shè)計和制造的。

APM2乇C 電機(jī)適用的頻率范圍為3耀15.7 Hz，電動機(jī)在恒定的軸端轉(zhuǎn)矩下工作，在頻率范圍15.7耀31 Hz 時，能以恒定的電動機(jī)軸端功率運(yùn)行在弱化磁場的工況下。

例如，對恒定軸端轉(zhuǎn)矩以94 N·m運(yùn)行的電動機(jī)，將調(diào)頻范圍擴(kuò)大到3耀31 Hz，在電動機(jī)額定頻率為31 Hz和相電壓是220 V時，電動機(jī)功率將增加到4.5 kW，此時，額定電流為12.8 A。

在同一電動機(jī)軸端轉(zhuǎn)矩下，增大極限頻率，就增大了調(diào)頻范圍，這將導(dǎo)致電動機(jī)和變頻器功率的增加。在對恒轉(zhuǎn)矩工作的變頻滾柱傳送帶電動機(jī)專門訂貨時，應(yīng)預(yù)先說明由必須加工工藝決定的額定轉(zhuǎn)矩、調(diào)頻上限以及最高的定子繞組相電壓。這樣，就可按照功率和動力指標(biāo)，設(shè)計出最佳的變頻式滾柱傳送帶電動機(jī)。

4 結(jié)語

1)因為滾柱傳送帶電動機(jī)在運(yùn)行中所經(jīng)受的不利因素(軋制產(chǎn)品的熱輻射、振動、沖擊性負(fù)載轉(zhuǎn)矩，灰塵和潮濕)，以通用電動機(jī)更換變頻驅(qū)動的滾柱傳送帶電動機(jī)，其合理性很少有說服力。

2)變頻驅(qū)動中利用APM系列的滾柱傳送帶電動機(jī)，因為其動力指標(biāo)低和調(diào)頻性能不佳，因而不是很理想。

3)APM系列滾柱傳送帶電動機(jī)，用電導(dǎo)率是33 S/滋m的鋁進(jìn)行澆鑄轉(zhuǎn)子，盡管勿需制造新的模具，但不能大幅度改善滾柱傳動電動機(jī)的動力指標(biāo)和調(diào)頻特性。

4)為了運(yùn)行于變頻驅(qū)動系統(tǒng)，“西伯利亞電動機(jī)”公司研制并生產(chǎn)了專門的改進(jìn)型滾柱傳送帶電動機(jī)APM2乇，在頻率10耀100 Hz 范圍內(nèi)，它能確保必需的調(diào)節(jié)特性和足夠的過載能力。對個別類型的電動機(jī)，還可擴(kuò)大調(diào)頻范圍，將頻率降低至5 Hz及以下。

5)在相電壓220 V和頻率50 Hz 下，相同規(guī)格尺寸的APM2乇電動機(jī)與APM 電動機(jī)對比，APM2乇的額定功率提高了20%耀60%。