驅(qū)動往復(fù)式壓縮機用同步電動機起動計算

歷　銳，喬麗娜

(國家防爆電機工程技術(shù)研究中心，黑龍江佳木斯154002)

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驅(qū)動往復(fù)式壓縮機用同步電動機起動計算

歷銳，喬麗娜

(國家防爆電機工程技術(shù)研究中心，黑龍江佳木斯154002)

摘要以用于驅(qū)動往復(fù)式壓縮機的正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機為例，結(jié)合相應(yīng)的邊界條件，依據(jù)理論計算與有限元法相結(jié)合的方式對同步電動機的起動能力、起動時間、起動時阻尼繞組的溫升等方面進(jìn)行計算與仿真。并對計算結(jié)果進(jìn)行分析，得出的結(jié)論完全附合電動機起動的需要，為更加準(zhǔn)確的計算驅(qū)動往復(fù)式壓縮機用同步電動機起動計算奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞往復(fù)式壓縮機；同步電動機；起動計算；有限元法

0引言

近年來，隨著石化行業(yè)的迅猛發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，大型往復(fù)式壓縮機機組在石化設(shè)備中占有越來越重要的地位。同步電動機在驅(qū)動往復(fù)式壓縮機時，由于其負(fù)載力矩特性是不均勻或呈周期性變化的。其諧波力矩在運行過程中持續(xù)存在，作用于同步電動機主軸上的脈動轉(zhuǎn)矩將使動態(tài)穩(wěn)定運行產(chǎn)生強制振蕩，也就是引起同步電動機功率角相對于其平均值作周期性變化，從而使電動機的轉(zhuǎn)矩和電流產(chǎn)生波動[1]。為避免對壓縮機組造成毀壞，避免在強制振蕩中發(fā)生共振現(xiàn)象，整個機組一般選取較大飛輪力矩GD2，以限制同步電動機的諧波力矩和電流波動因素[2]。由于壓縮機組具有較大飛輪力矩GD2，對同步電動機的起動影響較大，因此必須進(jìn)行詳細(xì)的電機起動計算，確保產(chǎn)品的可靠性。

1起動能力計算

通過對電機型號：TZYW/TAW 6350-20/3250正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機的起動能力進(jìn)行分析，并對壓縮機起動過程阻力矩進(jìn)行計算見表1，具體起動能力計算過程如下。

(1)電動機額定功率:6350kW

(2)電動機額定轉(zhuǎn)速:300r/min

(3) 起動點阻力矩M1 ：157 854 N·M

=9550×6350÷300

=202141 N·M

(5) 起動點阻力矩與電機額定轉(zhuǎn)矩比值

157854÷202141=0.781

(6) 驅(qū)動端軸瓦內(nèi)徑D1=406.4mm (電機為單支撐結(jié)構(gòu)，與壓縮機共用驅(qū)動端軸承)

(7) 非驅(qū)動端軸瓦內(nèi)徑D2=400mm

(8) 驅(qū)動端軸瓦所受重力P1=13500kg

(9) 非驅(qū)動端軸瓦所受重力P2=20000kg

(10) 驅(qū)動端靜摩擦力矩M2

M2=0.5×kf×P1×D1×10-3

=0.5×0.3×13500×406.4×10-3×9.8

=8065 N·M

(11)非驅(qū)動端靜摩擦力矩M3

M3=0.5×kf×P2×D2×10-3

=0.5×0.3×20000×400×10-3×9.8

=11760 N·M

(12)總阻力矩

MM=M1+M2+M3

=157854+8065+11760

=177679 N·M

(13)起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Mqd=1.20

(14)全電壓時起動能力計算Mqd×T>MM

1.2×202141=242569>177679 N·M

經(jīng)核算全電壓情況下電機起動能力合格。

(15)降壓時起動能力計算

α2×Mqd×T>MM

式中，α—電機端電壓百分比。

表1　壓縮機起動過程阻力矩

2起動時間計算

同步電動機起動時間計算過程如下

(1)壓縮機組總飛輪轉(zhuǎn)矩GD2=120 000kg·m2

(2)額定轉(zhuǎn)速n=300r/min

(3)電動機牽入轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Mqr=0.80

(4)起動過程平均阻力矩倍數(shù)Mc=0.30

(5)起動時間估算

全電壓約為7s。

3起動時阻尼繞組的起動溫升估算(疊片磁極結(jié)構(gòu))

(1)起動時阻尼籠中產(chǎn)生的熱量A2,單位(J)

=21135029

(2)阻尼條計算常數(shù)

式中，CB—阻尼條比電阻系數(shù)；lB—阻尼條長，單位(mm)；Z2—每極阻尼條數(shù)；qB—阻尼條截面積，單位(mm2)。

(3)阻尼環(huán)計算常數(shù)

式中，CK—阻尼環(huán)材料；DK—阻尼環(huán)平均直徑，單位(mm)； P—極對數(shù)；qK—阻尼環(huán)的截面積，單位(mm2)。

(4)阻尼條總體積VB

VB=2p×Z2×lB×qB

=2×10×9×1050×254.4

=48081600mm3

(5)阻尼環(huán)總體積VK

VK=2π×DK×qK

=2π×2701×4000

=67849120mm3

(6)阻尼條估算溫升θB

=136℃

式中，KB—阻尼條材料的比熱，KB=380;γB—阻尼條材料的密度，γB=8.45。

(7)阻尼環(huán)估算溫升θK

=0.6℃

式中，KK—阻尼環(huán)材料的比熱，紫銅KK=390; γK—阻尼環(huán)材料的密度，紫銅γK=8.9。

4采用有限元法對起動過程的仿真計算

隨著有限元計算軟件的應(yīng)用，對同步電動機的起動過程的分析計算更為直觀，下面以TZYW/TAW10000-20/3250正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機為例，展示對電機起動過程一些分析。

電機采用全電壓起動，起動時間為6s，起動時間曲線見圖1；起動轉(zhuǎn)矩曲線見圖2；起動時平均轉(zhuǎn)矩為334.15kN·m(折算成起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)約為1.05)，起動電流曲線見圖3，起動時平均電流為2870A(折算成起動電流倍數(shù)為4.34)。

(起動時平均轉(zhuǎn)矩為334.15kN·m，折算成起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)約為1.05，協(xié)議要求0.6倍)

(起動時平均電流為2870A，折算成起動電流倍數(shù)為4.34 )

通過有限元的仿真分析，電機起動時的幾項性能參數(shù)更加直觀，確保電機的起動性能能滿足負(fù)載的需求，電機的起動能力合格。

5結(jié)語

本文通過應(yīng)用理論計算與有限元法對驅(qū)動往復(fù)式壓縮機的同步電動機的起動計算進(jìn)行了簡單介紹，為我國大型裝備國產(chǎn)化提供了一定的技術(shù)積累。隨著石化行業(yè)的高速發(fā)展，裝備大型化的需求越來越多，為確保產(chǎn)品的起動過程的可靠性，在產(chǎn)品設(shè)計初期進(jìn)行相應(yīng)的理論計算及有限元分析越來越重要。希望通過本文的介紹，使大家對同步電動機的起動計算有進(jìn)一步的了解，同時也為促進(jìn)大型裝備國產(chǎn)化發(fā)展，拓展國際高端大型電機市場提供具有重要價值的計算方法。

參考文獻(xiàn)

[1]李幼倩，韓君強.現(xiàn)代新型增安型無刷勵磁同步電動機的設(shè)計及應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[2]楊萬青，陳興衛(wèi).電機實用設(shè)計技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[3]張東宇，張勝男.永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機電磁設(shè)計及仿真分析.防爆電機，2014.3.

[4]戴志立，彭曉，李漠發(fā).直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機空載短路分析.防爆電機，2014.6.

[5]程小華.同步發(fā)電機各特性命名之異議.防爆電機，2015.4.

Starting Calculation of Synchronous Motor for Driving

Reciprocating Compressor

LiRuiandQiaoLina

(National Engineering Research Center of Explosion-Proof Electric Machine, Jiamusi 154002, China)

AbstractTaking a pressurized enclosure/increased-safety brushless excitation synchronous motor for driving reciprocating compressor as an example, it is calculated and simulated in starting capability, starting time, starting damper winding temperature rise and other aspects by combining theoretical calculation and finite-element method and on the basis of corresponding boundary conditions. By analyzing the calculated result, some beneficial conclusions are given, and it can lay the foundation of starting calculation of synchronous motor for driving reciprocating compressor.

Key wordsReciprocating compressor；synchronous motor；starting calculation；finite-element method

收稿日期：2015-09-14

作者簡介：歷銳 男1982年生；畢業(yè)于黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事電機設(shè)計研發(fā)工作.

中圖分類號：TM341

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-7281(2016)01-0032-003

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.01.09