滾柱式傳送帶用變頻異步電動(dòng)機(jī)

1 概述

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

滾柱式傳送帶的電動(dòng)機(jī)，可運(yùn)行于頻繁起動(dòng)、制動(dòng)、逆轉(zhuǎn)等工況，必須能經(jīng)受住長(zhǎng)時(shí)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(dòng)。因此，滾柱傳送帶電動(dòng)機(jī)與通用電動(dòng)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(dòng);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(duì)于滾柱式傳送帶電動(dòng)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(dòng)機(jī)的動(dòng)力指標(biāo)，但它提高了定子繞組抗機(jī)械應(yīng)力的堅(jiān)固性。

因其運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)滾柱傳送帶電動(dòng)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(dòng)機(jī)遠(yuǎn)不及通用的異步電動(dòng)機(jī)。

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

滾柱式傳送帶電動(dòng)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(dòng)、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(jì)滾柱傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)時(shí)，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(dòng)機(jī)具有無可爭(zhēng)辯的優(yōu)越性。

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

2 滾柱傳送帶電動(dòng)機(jī)變頻性能的評(píng)估及計(jì)算結(jié)果

在調(diào)頻情況下有可能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)起動(dòng)和制動(dòng)，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(dòng)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(dòng)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(shí)，利用溫度是20益時(shí)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(duì)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(dòng)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(dòng)機(jī)的計(jì)算結(jié)果。兩種電動(dòng)機(jī)在50Hz的頻率下，設(shè)計(jì)的額定電壓為220 V。與APM43-6 系列電動(dòng)機(jī)不同的是，在APM43-6(*)電動(dòng)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(shí)，提高了有效功率P2和電動(dòng)機(jī)的效率濁。

從表1 知減小電動(dòng)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(shí)補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)電阻性繞組上的電壓降吟Ux也減小了。

為評(píng)估電動(dòng)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(duì)應(yīng)于臨界值轉(zhuǎn)差率;下一行的MM、IM、KM則對(duì)應(yīng)于電動(dòng)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(dòng)機(jī)的工況接近短路(K3)或電磁制動(dòng)。在接近K3狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入變頻運(yùn)行是不合理的。因?yàn)椴粌H電流過載，而且電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性也可能崩落。電動(dòng)機(jī)軸端最大機(jī)械功率時(shí)的轉(zhuǎn)差率低于臨界轉(zhuǎn)差率。故在低頻時(shí)，應(yīng)由KM來合理評(píng)定電動(dòng)機(jī)的過載能力。

雖然，APM 系列電動(dòng)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(dòng)機(jī)的研制問題。對(duì)于變頻驅(qū)動(dòng)，必須有對(duì)電動(dòng)機(jī)本身經(jīng)過專門設(shè)計(jì)改進(jìn)的滾柱傳送帶電動(dòng)機(jī)[3]。

3 改進(jìn)型滾柱傳送帶電動(dòng)機(jī)APM2П為實(shí)現(xiàn)變頻驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行，俄羅斯的“西伯利亞電動(dòng)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(dòng)機(jī)APM2乇。

APM2乇電動(dòng)機(jī)的外部結(jié)構(gòu)部件與APM 系列電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)，定子繞組處于變頻的輸出電壓高速增長(zhǎng)(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(duì)繞制導(dǎo)線絕緣的影響，以及對(duì)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(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)起動(dòng)和制動(dòng)，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(duì)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(gè)電動(dòng)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(dòng)機(jī)APM2乇中采用以玻璃纖維絲絕緣的繞制導(dǎo)線，雖對(duì)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力指標(biāo)有所下降，但卻是合理的。

另外，對(duì)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(dòng)電動(dòng)機(jī)比較，在變頻運(yùn)行的APM2乇電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)以恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，或以恒定的電動(dòng)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(dòng)機(jī)繞組上電壓降補(bǔ)償?shù)目赡苄浴?/p>

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