大功率高速旋轉(zhuǎn)整流盤的設(shè)計(jì)

劉兆江，張貴濱

(哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱 150040)

大功率高速旋轉(zhuǎn)整流盤的設(shè)計(jì)

劉兆江，張貴濱

(哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱 150040)

根據(jù)電機(jī)特點(diǎn)給出了整流電路，介紹了電氣元件參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，大功率高轉(zhuǎn)速無刷勵(lì)磁電機(jī)需要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、二極管和壓敏電阻性能好，可靠性高的旋轉(zhuǎn)整流盤，對于同類整流盤的設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值和實(shí)用意義。

大功率；高速；整流盤；設(shè)計(jì)

0 引言

旋轉(zhuǎn)整流盤裝置是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，它避免了碳刷和滑環(huán)接觸而發(fā)生的各種機(jī)械和電氣故障，在礦山、石油、化工等防爆領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。因其運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，高速大功率無刷勵(lì)磁電機(jī)獲得了用戶越來越多的青睞，市場前景廣闊。整流盤是無刷勵(lì)磁電機(jī)的關(guān)鍵部件，它和電機(jī)同軸安裝，隨著電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)。為防止離心力大導(dǎo)致整流盤各部件發(fā)生屈服而破壞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，其外徑和重量比普通同功率整流盤小很多。裝置上電氣元件安裝空間小，發(fā)熱量大，散熱面積小，如果其熱量不能迅速有效散發(fā)，易導(dǎo)致熱擊穿或燒毀事故。一部分產(chǎn)品在二極管螺栓上安裝了散熱片；另一部分產(chǎn)品則在結(jié)構(gòu)上增加了離心式風(fēng)扇，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大。此外，由于電器元件重量的非一致性，自體動(dòng)平衡性較差，安裝后容易引起電機(jī)的振動(dòng)。本文將結(jié)合某項(xiàng)目電機(jī)，介紹一種高速大功率旋轉(zhuǎn)整流盤的設(shè)計(jì)方案，該結(jié)構(gòu)緊湊，強(qiáng)度高，易于電氣元件的安裝更換。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

勵(lì)磁機(jī)為交流勵(lì)磁機(jī)，額定勵(lì)磁電壓100V；額定勵(lì)磁電流490A；頻率60Hz；額定轉(zhuǎn)速4800r/min。

2 旋轉(zhuǎn)整流器電路型式

整流電路與勵(lì)磁控制相對應(yīng)，通常有三相橋式整流電路、三相可控橋式整流電路和三相半控橋式整流電路三種。與傳統(tǒng)的無刷同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)相比較，本方案涉及的主電機(jī)以同步方式起動(dòng)，不考慮為異步起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的感應(yīng)電流提供釋放通道，且不需要考慮滑差捕獲、投勵(lì)時(shí)機(jī)判定等起動(dòng)過程控制； 另外，該類電機(jī)為高速或超高速電機(jī)，要求旋轉(zhuǎn)整流電路應(yīng)盡可能簡潔。從國外同類產(chǎn)品來看，其旋轉(zhuǎn)整流盤中均取消了起動(dòng)滅磁電阻，現(xiàn)有的變頻器技術(shù)可以保證變頻起動(dòng)過程中不出現(xiàn)異步過程，正常運(yùn)行中大型同步電動(dòng)機(jī)發(fā)生失步的幾率很小，且一旦發(fā)生失步機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行的可能性為零。在這種情況下整流元件是否損壞可通過控制設(shè)備進(jìn)行判定，因此采用三相橋式全波整流電路，電路形式如圖1。

圖1 旋轉(zhuǎn)整流器電路

3 整流元件二極管參數(shù)的確定

二極管是整流盤的關(guān)鍵部件，其主要參數(shù)選取如下。

3.1 電流Id為電機(jī)強(qiáng)勵(lì)狀態(tài)下的最大勵(lì)磁電流的有效值，所需工作電流

式中，K1—分布系數(shù)，取1.2；K2—過載倍數(shù)，取1.3；m—相數(shù)，取3；z—二級管支路數(shù)，取2，計(jì)算值應(yīng)小于元件允許電流的有效值。

3.2 電壓Ud為電機(jī)起動(dòng)時(shí)的最大勵(lì)磁電壓的有效值, 反向重復(fù)峰值電壓(電壓浪涌)

式中，K3—強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)，取1.3；K4—安全倍數(shù)，取5；K5—直流轉(zhuǎn)為交流電壓系數(shù)，取1.2。計(jì)算值元應(yīng)小于元件允許電壓的有效值。

3.3 二極管應(yīng)能承受整流盤超速時(shí)的離心加速度

α=kω2R

式中，k—安全系數(shù)，取1.2；ω—角速度，取502；R—二級管旋轉(zhuǎn)半徑，取0.2m。

3.4 二極管的耐振動(dòng)水平，按照無刷發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)整流管規(guī)定，其離心加速度為12250m/s2(恒加速度)和振動(dòng)加速度為49m/s2(均方根)的同時(shí)作用下應(yīng)能承受長期通電工作。

綜合考慮具體情況情況，選用電流400A，反向電壓1000V，離心加速度為6200g的二極管。

4 二極管保護(hù)元件的確定

電機(jī)運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)勵(lì)磁電流(直流勵(lì)磁電流與感應(yīng)電流疊加后)反向情況，此外整流裝置為三相不可控橋式整流電路，在直流側(cè)將產(chǎn)生換向過電壓，為吸收其過電壓和反向能量，防止整流二極管反向擊穿，在整流側(cè)并聯(lián)壓敏電阻?？紤]到壓敏電阻失效后，瞬態(tài)沖擊電流可能會(huì)損傷勵(lì)磁機(jī)電樞繞組，因此，本結(jié)構(gòu)采用快速熔斷器與壓敏電阻串聯(lián)的保護(hù)方式。壓敏電阻主要參數(shù)選取如下。

4.1 壓敏電壓

U=k6Ud/2

式中，k6—調(diào)整系數(shù)；為防止壓敏電阻誤動(dòng)作，取4，計(jì)算后為200V。

4.2 能容量的確定

在許多情況下，實(shí)際發(fā)生的能流量是很難精確計(jì)算的，針對此電機(jī)的特點(diǎn)，能容量取滅磁容量的50%。按照發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組回路考慮，每個(gè)容量

W=0.5If2Tdo′RfK7/8

式中，If—電機(jī)正常運(yùn)行最大勵(lì)磁電流，取490A；Tdo′—空載轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，取2.79s;Rf—轉(zhuǎn)子繞組75℃時(shí)的電阻，取0.153Ω；K7—機(jī)組特性系數(shù)，取0.6。綜合考慮具體情況，按照保險(xiǎn)系數(shù)1.3計(jì)算選用壓敏電壓200V，能容量為5kJ的壓敏電阻。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)整流盤結(jié)構(gòu)與電機(jī)種類、功率和轉(zhuǎn)速等有關(guān)，應(yīng)滿足主軸強(qiáng)度及其臨界轉(zhuǎn)速要求。其上安裝的支架主要分為整體圓輪輻板型、分離拼接圓輪輻板型、τ字形、T字形、雙匚字形和I字形支架圓環(huán)六種，本設(shè)計(jì)以正負(fù)導(dǎo)電環(huán)作為支撐支架，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

正極導(dǎo)電環(huán)和負(fù)極導(dǎo)電環(huán)用支撐板定位，安裝間隙應(yīng)足夠小，以確保旋轉(zhuǎn)后各零件的同軸度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。支撐板選用特殊材質(zhì)，該材料具有很高的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣性能，并通過絕緣螺桿、絕緣墊和防松螺母鎖緊固定。支撐板與軸套用高強(qiáng)度材料制成的六角頭螺栓壓緊把牢，其安裝間隙也足夠小，通過軸套的內(nèi)孔與無刷勵(lì)磁機(jī)的傳動(dòng)軸緊配合傳遞轉(zhuǎn)速。每個(gè)導(dǎo)電環(huán)內(nèi)徑處加工有凹槽，通過連接板與六個(gè)正極二極管、六個(gè)負(fù)極二極管和四個(gè)壓敏電阻相連，利于二極管和壓敏電阻的常規(guī)檢查及更換，然后用高強(qiáng)度無緯帶綁扎到導(dǎo)電環(huán)外圓上的環(huán)型凹槽內(nèi)，防止電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力破壞整流盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。綁扎力應(yīng)均勻，大小根據(jù)導(dǎo)電環(huán)所受離心力和材料強(qiáng)度確定。

每個(gè)二極管固定到連接板上，安裝空間相隔60°,相同極性的二極管接到同一個(gè)導(dǎo)電環(huán)側(cè)，相反極性的二極管為一組，每組間用導(dǎo)電桿短接一起，其中導(dǎo)電桿和軸套間加有絕緣管，保證裝置能夠承受需要的對地耐壓。每兩個(gè)壓敏電阻為一組，他們之間用短接片連接，勵(lì)磁機(jī)的交流引線分別連接到每組二極管的連接片上，整流后正負(fù)極電流用兩個(gè)導(dǎo)電塊導(dǎo)出，通過引出線連接到主機(jī)的勵(lì)磁繞組上。為保證結(jié)構(gòu)的對稱性，在X軸處加配重塊。導(dǎo)電環(huán)端面設(shè)有加強(qiáng)筋，旋轉(zhuǎn)時(shí)能將整流元件產(chǎn)生的熱量靠對流方式帶走。每個(gè)加強(qiáng)筋間開有配重孔，安裝配重螺釘加以調(diào)整，解決了由于零件加工以及裝配誤差和元件更換后質(zhì)量差異造成的質(zhì)量分布不均勻，轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生不平衡離心力使電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的問題。該裝置工作轉(zhuǎn)速高，所受離心力大，所有緊固件涂抹螺紋膠，防止零件松動(dòng)，發(fā)生危險(xiǎn)。

6 基于有限元法的強(qiáng)度計(jì)算

導(dǎo)電環(huán)、無緯帶、軸套和絕緣墊板是裝置的重要組成部分，決定其運(yùn)行的可靠性，因此本設(shè)計(jì)對靜止、額定轉(zhuǎn)速和超速三種狀態(tài)下的強(qiáng)度采用了有限元計(jì)算。

6.1 導(dǎo)電環(huán)、無緯帶強(qiáng)度的計(jì)算。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，將螺栓預(yù)緊力等效為壓力，無緯帶預(yù)緊力通過降低溫度施加，其邊界條件如圖3。

圖3 旋轉(zhuǎn)整流器邊界條件

圖3中，A—二極管等效壓力；B—壓敏電阻等效壓力；C—轉(zhuǎn)速；D—支撐板內(nèi)圓環(huán)向約束；E—無緯帶軸向約束；F、G—絕緣螺桿等效預(yù)緊力；H—配重等效壓力；I、 J—絕緣板軸向止動(dòng)約束。

導(dǎo)電環(huán)采用高強(qiáng)度鋁合金，屈服極限σs1為365MPa；無緯帶固化后熱態(tài)強(qiáng)度極限σs1為900MPa，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 導(dǎo)電環(huán)和無緯帶最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(MPa)

6.2 軸套、絕緣墊板強(qiáng)度的計(jì)算。

方案中絕緣墊板承受的離心力分為兩部分：一部分為自身離心力和導(dǎo)電環(huán)與絕緣墊板之間的摩擦力；另一部分為導(dǎo)電環(huán)與絕緣墊板之間的最大摩擦力：其邊界條件如圖4。

圖4 軸套和絕緣墊板邊界條件

圖4中，A—轉(zhuǎn)軸軸向約束；B、C、D、E、F、G—螺栓預(yù)緊力；H—轉(zhuǎn)速；I—絕緣墊板軸向約束；J—導(dǎo)電環(huán)壓緊力對絕緣墊板產(chǎn)生的徑向拉力絕緣墊板屈服極限σs1—215MPa；軸套采用高強(qiáng)度合金鋼，屈服極限σs1—355MPa，軸套與軸配合直徑方向的緊量為0.1mm，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 軸套和絕緣墊板最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(MPa)

7 結(jié)語

通過整流電路計(jì)算，確定了電氣元件的主要參數(shù)；采用有限元法對靜止、額定轉(zhuǎn)速和超速三種狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算。目前，該電機(jī)現(xiàn)場運(yùn)行良好，表明設(shè)計(jì)方法是合理的，對于同類整流盤的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值和實(shí)用意義。

[1] 李幼倩，韓君強(qiáng).現(xiàn)代新型無刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.1.

[2] 林誠格.非能動(dòng)安全先進(jìn)壓水堆核電技術(shù)[M].北京：原子能出版社，2010.10.

[3] 劉瑞增，丁樹業(yè).發(fā)電機(jī)內(nèi)部流體流動(dòng)與定子熱性能數(shù)值分析.防爆電機(jī)，2010.3.

Design of Large-Power High-Speed Rotating Rectifier

LiuZhaojiangandZhangGuibin

(Harbin Electric Power Equipment Company Limited, Harbin 150040, Chinaa)

This paper gives the rectifier circuit based on motor characteristics, and introduces the parameter selection and structure design methods of electric elements. A large-power high-speed brushless excitation motor requires a rotating rectifier which have high structural strength and reliability and is equipped with high-performance diode and piezoresistor. It has a certain reference value and practical significance for design of similar rectifier.

Large power;high speed;rectifier;design

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.02.04

TM302

A

1008-7281(2017)02-0012-004

劉兆江 男 1973年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電機(jī)與電器專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)從事電機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)工作.

2016-06-06