侧面安装冷却系统在高线精轧机变频调速异步电动机中的应用

赵 霞

(上海交通大学，上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

精轧机驱动电机的容量大、转速高，一般容量为6300～7000 kW，转速可达1900 r/min，调速精度高、调速范围大(750～1900 r/min)。

采用自扇冷却方式的变频异步电动机在低转速运行时会有通风冷却问题，造成电机温升过高[1]。主要有以下原因:首先电机转速降低时，同轴风扇所提供的风量按电机转速的三次方成比例减小，散热效果大大降低。而电机功率随转速降低成线性关系下降。因此电机向下调速时，发热量的下降速度远远低于冷却风量的下降速度。另外，变频异步电动机在低速运行时由于电机阻抗不理想需要进行低电压补偿。而低电压补偿往往导致铁心磁场饱和，磁场饱和后空载电流增大使得电机发热加剧。因此自扇冷却方式不适用于有调速要求的变频异步电动机，变频异步电动机一般采用带独立风机的通风冷却方式。

笔者所要介绍的冷却系统由于受电机安装地点空间位置的限制，安装在电动机的侧面，冷却器体积较大，因此还需要考虑其机械性能。

1 冷却系统设计的基本要求

本冷却系统采用外带鼓风机的管壳式冷却器。管壳式冷却器，易于制造、生产成本低、选材范围广、适应性强、处理量大、工作可靠、且能适应高温高压。

1.1 基本设计要求

(1)单位传热面上能传递的热量要大，即传热系数要大;

(2)结构能适应所规定的工艺操作条件，完全可靠，不泄露，清洗、维修方便，流体阻力小;

(3)造价低、维护容易，使用周期长;

(4)结构标准化，避免采用特殊的规格，以降低造价、便于维修和更新部件。

1.2 技术要求

1.2.1 尺寸要求

电机的侧面外形及风口尺寸见图1。受空间位置限制，冷却器上部相对于电机中心不能超过1 m。

图1 电机侧面结构草图

1.2.2 设计参数要求

电动机额定功率为6800 kW，效率约为95.5%，考虑要达到良好的冷却效果，取热交换功率为380 kW，电机运行转速800～1700 r/min。具体设计要求见表1。

表1 冷却器设计参数表

2 冷却系统设计

2.1 换热管的选取

换热管构成冷却器的传热面、管子尺寸和形状对传热有很大影响。采用小直径的管子时，冷却器单位体积的换热面积大一些，设备比较紧凑，单位传热面积的金属消耗量少，传热系数也较高，但制造麻烦，管子易结垢，不易清洗。大直径管子用于粘性大或者污浊的流体，小直径的管子用于较清洁的流体。管长的选择是以清洗方便与能合理利用管材为准[2]。目前我国实行的系列标准规格采用 φ25 mm ×2.5 mm，φ25 mm ×2 mm 和φ19 mm×2 mm三种规格的列管。

列管的排列方式有正方形、转角正方形、等边三角形、转角正三角形几种，其中以等边三角形排列比较紧凑，管外流动湍流程度高，对流传热系数大，而正方形排列虽然比较松散，传热效果较差，但是管外清洗方便，故对于易结垢流体很适用。

管板上换热管中心距的选择既要考虑结构的紧凑性，传热效果，又要考虑管板的强度和清洗管子外表面所需的空间。除此之外，还要考虑管子在管板上的固定方法。若间距太小，当采用焊接连接时，相邻两根管的焊缝太近，焊缝质量受热影响不易得到保证;若采用胀接，挤压力可能造成管板发生过大的变形，失去管子和管板间的结合力。一般采用的换热管的中心距不小于管子外径的1.25倍。

本系统冷却器管外为空气，管内为冷却水，综合考虑各种因素，换热管选用φ25×2.5 mm规格，采用正三角型排列方式，管与管板的连接形式采用胀接，管间距为38 mm。根据电动机对冷却器尺寸的限制，管子长度为2663 mm，管子排布为34列7排。

2.2 挡流板的选取

为提高管外流体给热系数，通常在壳体内安装一定数量的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路，增加流体速度，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。常用的挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者应用更为广泛。流体在管内每通过管束一次称为一个管程，每通过壳体一次称为一个壳程。为提高管内流体的速度，可在两端封头内设置适当隔板，将全部管子平均分隔成若干组，这样，流体可每次只通过部分管子而往返管束多次，称为多管程。同样，为提高管外流速，可在壳体内安装挡板使流体多次通过壳体空间，称多壳程。

在前水室中设置隔板，将管子分为上下两部分，下面为冷却水进水，上面为出水;管外设置隔板，根据风路设置成多壳程，提高了冷却效果。冷却器芯体隔板设置见图2。

图2 芯体隔板设置图

在冷却器管外通风柜内，根据电机的风路，设置不同的挡板，使进入电动机内部的冷却风得到充分的冷却。中间为冷却器进风口，风温较高，热风经过冷却水冷却后，在外置风机的作用下，通过涡壳，再次进入电机内部循环冷却。通风柜内挡板设置见图3。

2.3 冷却器刚性设计

冷却器热交换功率为380 kW，外部尺寸约为2680 mm×1540 mm×1400 mm，总重约达2800 kg。在高线精轧机轧制过程中，载荷不断交替变化，对其拖动电机的机械性能有着极高的要求。对于侧面安装冷却器的电机，冷却器较重，除了电机本体机座加固外，也需要冷却器在设计时采取一些措施，尽量加强其刚性，减少对电动机振动的影响。

图3 通风柜挡板设置图

根据电动机的风路结构，冷却器设计时合理布置进出水管的位置，并采用厚板加筋结构，底部采取支架支撑，有效地加强刚度，适应了高速轧机交变载荷的工作要求。

冷却器的总体设计见图4。

图4 冷却器总体设计图

3 试验数据分析(见表2)

表2 电机试验数据

由上表可以看出，采用电阻法测量时，电机定子绕组温升为53.7 K，国家标准规定为不超过80 K，完全达到了国标要求。电机总体振动低速时仅为0.3 mm/s，高速时为 1.2 mm/s，远远低于国家标准GB 10068—2008所规定的2.3 mm/s。由此可见，此冷却系统的设计完全达到了理想的冷却效果，在结构方面也尽可能地降低了电机的振动。

4 结语

笔者介绍了高线精轧机变频调速异步电动机的冷却系统设计，主要介绍了换热管和挡流板的布置以及总体结构设计，结果符合电机的冷却要求及刚性要求。目前，该冷却系统已在电机实际生产中获得应用，电机运行状况良好。

[1]傅丰礼，唐孝镐.异步电动机设计手册[M].北京:机械工业出版社，2006.

[2]化工设备设计全书编委会.换热器设计[M].上海:上海科学技术出版社，1988.