正壓外殼型無刷雙饋同步電動(dòng)機(jī)的研制

，

(1佳木斯大學(xué)，黑龍江佳木斯 154000； 2佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

風(fēng)機(jī)和水泵在實(shí)際應(yīng)用中數(shù)量眾多，分布面極廣，耗電量巨大。據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)，全國風(fēng)機(jī)、水泵電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘考s40000MW，耗電量約占全國電力消耗總量的40%左右。目前，靠節(jié)流調(diào)節(jié)變負(fù)荷運(yùn)行的定速風(fēng)機(jī)和水泵還有很大的節(jié)電潛力，其潛力挖掘的焦點(diǎn)是提高風(fēng)機(jī)和水泵的運(yùn)行效率。

無刷雙饋同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)是由高壓無刷雙饋同步電動(dòng)機(jī)和低壓變頻器組成，電機(jī)定子功率繞組分別由高壓工頻電源和低壓變頻電源兩路供電，通過調(diào)節(jié)低壓電源頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)低壓變頻調(diào)速裝置控制高壓電動(dòng)(發(fā)電)機(jī)，小容量變頻調(diào)速裝置控制大容量電動(dòng)機(jī)的效果。特別適用于調(diào)速范圍50%以內(nèi)的風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等風(fēng)機(jī)、泵用負(fù)載的變頻節(jié)能應(yīng)用，具有顯著的成本優(yōu)勢和節(jié)能效果。

TZYWS 450-6 450kW正壓外殼型無刷雙饋電動(dòng)機(jī)是高轉(zhuǎn)速、大容量、空水冷卻的大型正壓外殼型無刷雙饋電動(dòng)機(jī)，也是目前國內(nèi)最大容量的正壓外殼型無刷雙饋電動(dòng)機(jī)，該產(chǎn)品用于某公司水務(wù)一循15#水泵，作為水泵的動(dòng)力源。2015年11月，TZYWS 450-6 450kW正壓外殼型無刷雙饋電動(dòng)機(jī)完成了總裝合成與檢驗(yàn)，并獲得國家起重冶金及防爆電機(jī)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心發(fā)放的防爆合格證，并于2016年1月正式運(yùn)行，至今運(yùn)行平穩(wěn)。

1 無刷雙饋同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)原理

無刷雙饋同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng):傳統(tǒng)交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)變頻電源完全由變頻器提供，變頻器承受電網(wǎng)電壓并傳輸電動(dòng)機(jī)所需的全部功率。而無刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中變頻繞組只承擔(dān)部分電功率，電動(dòng)機(jī)所需的電功率大部分來自直接固定工頻電源的電動(dòng)機(jī)工頻繞組，且無論工頻繞組電壓等級，變頻繞組可通過特殊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)低壓供電，因此，無刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)可由低壓小功率變頻器實(shí)現(xiàn)對高壓容量電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制。

變頻控制系統(tǒng)是一種配套無刷雙饋電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的新型變頻調(diào)速裝置，該裝置利用工頻繞組和變頻繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用原理，通過同時(shí)檢測無刷雙饋電動(dòng)機(jī)兩套定子繞組的電壓、電流，并進(jìn)行傅立葉分解和矢量運(yùn)算，對變頻繞組進(jìn)行變頻變壓控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速運(yùn)行。無刷雙饋電動(dòng)機(jī)有兩套定子繞組，分別提供不同電壓、不同頻率的工作電源，其輸出轉(zhuǎn)速滿足

式中，fp—工頻繞組頻率；fc—變頻繞組頻率；Pp—工頻繞組極對數(shù)；Pc—變頻繞組極對數(shù)。

定義fp和fc均為+50Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)的理想轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，當(dāng)fp為50Hz，fc為0Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)的理想轉(zhuǎn)速為自然同步轉(zhuǎn)速，那么當(dāng)fc為負(fù)頻率時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在次同步速狀態(tài)，fc為正頻率時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在超同步速，由無刷雙饋電動(dòng)機(jī)的特性決定，當(dāng)fc為正頻率時(shí)，同變頻繞組向電網(wǎng)吸收功率，當(dāng)fc為負(fù)頻率時(shí)變頻繞組向電網(wǎng)輸送功率，可見只有在超同步速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)才具有高效特性，也就是從50%到100%額定轉(zhuǎn)速的調(diào)速范圍內(nèi)，其電功率分別從工頻繞組和變頻繞組向電動(dòng)機(jī)輸送，效率很高。

2 電動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)

型號名稱：TZYWS 450-6 450kW 正壓外殼型無刷雙饋同步電動(dòng)機(jī)

額定功率：450kW

額定轉(zhuǎn)速：990r/min

滿載效率：94%

相數(shù)：3

工頻繞組額定電壓：6kV

工頻繞組額定電流：40A

工頻繞組額定頻率：50Hz

工頻繞組額定功率因素：0.88

變頻繞組額定電壓：380V

變頻繞組額定電流：290A

變頻繞組額定頻率：16Hz

變頻繞組額定功率因素：0.8

熱分級：155級

安裝方式：IMB20

冷卻方式：IC81W

旋轉(zhuǎn)方向：逆時(shí)針(從電機(jī)軸伸端看)

工作制：S1

使用環(huán)境：WF1

防爆標(biāo)志：ExepzIICT3

防護(hù)等級：IP54

調(diào)速范圍：750r/min～990r/min

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 電磁設(shè)計(jì)

3.1.1 沖片設(shè)計(jì)方案

本方案電機(jī)的沖片三圓為800/555/270，氣隙1.5，槽配合72/96，由于槽形特殊，需重新開模具及裝壓胎具，沖片材質(zhì)選用50W350。定、轉(zhuǎn)子槽形如圖1所示。

圖1定、轉(zhuǎn)子槽形

3.1.2 定子繞組方案

定子兩套繞組，分功率繞組和變頻繞組。定子功率繞組絕緣結(jié)構(gòu)采用我公司正常的6kV少膠絕緣結(jié)構(gòu)，主絕緣厚度3，匝間絕緣0.4，變頻繞組主絕緣厚度1，匝間絕緣0.4。具體數(shù)值見表1。

表1 定子繞組參數(shù)表

兩套繞組接線順序如圖2、圖3所示。

圖2功率繞組(2極)接線圖

圖3變頻繞組(6極)接線圖

3.1.3 轉(zhuǎn)子繞組方案

轉(zhuǎn)子繞組為散繞結(jié)構(gòu)，分4種線圈。轉(zhuǎn)子線圈參數(shù)見表2。

表2 轉(zhuǎn)子線圈參數(shù)表

轉(zhuǎn)子繞組接線順序見圖4，轉(zhuǎn)子接線圖見圖5。

圖4轉(zhuǎn)子繞組接線順序

圖5轉(zhuǎn)子接線圖

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

TZYWS 450-6 450kW 正壓外殼型無刷雙饋同步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)的安裝方式IMB20, 冷卻方式為IC81W，防護(hù)等級IP55，接線盒防護(hù)等級為IP55，采用滾動(dòng)軸承。無刷雙饋同步電動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)采用中型異步電動(dòng)機(jī)方箱2代的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，此種結(jié)構(gòu)不僅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好、美觀大方，而且我公司具備大量的生產(chǎn)制造經(jīng)驗(yàn)、生產(chǎn)成本較低。風(fēng)路采用混流式通風(fēng)結(jié)構(gòu)，采用上水冷冷卻器，使電機(jī)風(fēng)路合理，散熱良好。具體結(jié)構(gòu)圖見圖6。

圖6電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 定子結(jié)構(gòu)

定子主要由機(jī)座、定子鐵心、定子線圈等部件組成，定子具有兩套相互獨(dú)立的繞組，一套繞組為高壓繞組，額定電壓為6kV，位于定子槽的下層，另一套繞組為低壓繞組，額定電壓為380V，位于定子槽的上層。兩套繞組均為成型線圈，下線方式采用單層疊繞組的形式，兩套繞組分別引入獨(dú)立的接線盒如圖7所示。

圖7定子示意圖

機(jī)座起著固定、支撐、保護(hù)定子鐵心、定子繞組的作用，同時(shí)還構(gòu)成電動(dòng)機(jī)通風(fēng)循環(huán)回路，因此，機(jī)座采用優(yōu)質(zhì)鋼板焊接成一個(gè)牢固的整體，側(cè)板采用彎折結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)強(qiáng)度、減少焊接量。定子鐵心利用通風(fēng)槽板形成徑向風(fēng)路，減少漏磁通、加大氣隙通風(fēng)、提高效率、降低溫升。機(jī)座兩側(cè)裝有防潮加熱器，電源380V、50Hz，功率400W。

3.2.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇、轉(zhuǎn)子線圈等零部件組成。轉(zhuǎn)軸為焊筋軸，軸伸端安裝離心式風(fēng)扇，非軸伸端安裝平衡環(huán)，TZYWS 450-6 450kW正壓外殼型無刷雙饋同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子線圈為散線形式，共有5種不同的線圈，線圈匝數(shù)節(jié)距均不同，經(jīng)過連接形成四套閉合的線圈組，下線后端部用無緯帶綁扎后浸漆固定。轉(zhuǎn)子示意圖如圖8所示。

圖8轉(zhuǎn)子示意圖

3.2.3 正壓設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)內(nèi)部布設(shè)吹掃管道，正壓外殼型電機(jī)要求起動(dòng)前能對電機(jī)內(nèi)部吹掃干凈，不留死角、電機(jī)在運(yùn)行時(shí)電機(jī)內(nèi)部最小壓力差大于50Pa(標(biāo)準(zhǔn)考核值)、150Pa(控制裝置高于報(bào)警值或連鎖停機(jī)值)通過實(shí)驗(yàn), 合理布置吹掃管路，保證吹掃時(shí)無死角，并找到電機(jī)運(yùn)行時(shí)最小壓力點(diǎn)，確保電機(jī)的防爆性能。

在電機(jī)運(yùn)行前，為了防止電機(jī)內(nèi)部存在可燃?xì)怏w，需要換氣吹掃，該系統(tǒng)由排氣閥和控制單元組成，通過氣壓控制，可自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣量:排氣閥設(shè)在冷卻器上部，制單元安裝在機(jī)座側(cè)板上，干燥清潔的儀表風(fēng)通過控制單元，進(jìn)入機(jī)座底板上的兩條管道，管道上分布有排氣孔，儀表風(fēng)從排氣孔排出后均勻地分布在電機(jī)下部，這樣就避免了電機(jī)內(nèi)部留有死角，防止危險(xiǎn)氣體的殘留。當(dāng)電機(jī)內(nèi)部氣壓達(dá)到一定壓力后，排氣閥自動(dòng)打開開始排氣，逐漸達(dá)到進(jìn)排氣平衡，當(dāng)換氣量達(dá)到電機(jī)內(nèi)腔體積的5倍左右時(shí)，關(guān)閉氣源換氣結(jié)束。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)換氣裝置進(jìn)行通風(fēng)補(bǔ)償，使電機(jī)內(nèi)部氣壓大于外部氣壓，有效防止可燃性氣體的進(jìn)入。TZYWS 450-6 450kW 正壓外殼型無刷雙饋同步電動(dòng)機(jī)選用我公司自主研發(fā)生產(chǎn)的JDCT-6000(P)型正壓裝置。

本電機(jī)吹掃正壓參數(shù)經(jīng)試驗(yàn)，數(shù)據(jù)如下

(1)電動(dòng)機(jī)吹掃數(shù)據(jù)

吹掃氣體：惰性氣體、干燥空氣

電機(jī)內(nèi)部凈體積：6m3

吹掃時(shí)間：20min

吹掃流速：1500NL/min

(2)電動(dòng)機(jī)正壓運(yùn)行參數(shù)

內(nèi)部壓力值：1000Pa

低壓報(bào)警值：150Pa

中壓報(bào)警值：500Pa

高壓報(bào)警值：3000Pa

泄漏補(bǔ)償值：500NL/min

4 研制過程中的問題及解決方案

4.1 轉(zhuǎn)子

電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)子線圈損壞，具體情況及原因如下：起動(dòng)時(shí)盤車，接通電源，電壓升至2000V～3000V左右轉(zhuǎn)子起動(dòng)，起動(dòng)電流達(dá)80A左右，電機(jī)起動(dòng)后正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但是有燒焦的味道，電機(jī)頂部有煙霧吹出。

拆機(jī)檢查定子未發(fā)現(xiàn)問題。轉(zhuǎn)子軸伸端(接線端)發(fā)現(xiàn)一處燒黑的痕跡，拆開轉(zhuǎn)子接線，發(fā)現(xiàn)一組轉(zhuǎn)子線圈端部靠近接線處大面積燒黑。測量絕緣電阻，6組線圈中有5組對地絕緣電阻為零。繼續(xù)切開線圈端部，發(fā)現(xiàn)有2支線圈端部匝間短路，絕緣燒毀。轉(zhuǎn)子共有6個(gè)極相組，經(jīng)檢測有五組線圈中，底層線圈均有一支線圈破壓，位置均在槽底部第一層，槽口出線處無損傷。

通過對燒毀線圈的分析，認(rèn)為在轉(zhuǎn)子線圈制造過程中，轉(zhuǎn)子線圈絕緣薄弱，轉(zhuǎn)子兩套繞組之間發(fā)生短接，而此無刷雙饋電機(jī)運(yùn)行原理較為特殊，轉(zhuǎn)子繞組由兩套繞組經(jīng)特殊設(shè)計(jì)變形得到，兩套繞組一旦發(fā)生短接，會(huì)產(chǎn)生過電流，持續(xù)的過電流導(dǎo)致轉(zhuǎn)子線圈溫升過高，造成線圈絕緣燒毀。

而后我公司對工藝進(jìn)行了改進(jìn)，降低了轉(zhuǎn)子線圈制造難度，重新制造轉(zhuǎn)子時(shí)，我公司總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為避免上述事故的再次發(fā)生，對生產(chǎn)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)，并將容易產(chǎn)生問題的線圈更改形式，將最外層的線圈組由疊繞組改為同心式繞組，減少線圈交叉部分，并降低了端部高度，從而降低了線圈絕緣損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)電機(jī)再次裝配完成，進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，電機(jī)多次起動(dòng)，沒有再次發(fā)生故障，確定可靠運(yùn)行。

4.2 變頻控制系統(tǒng)

無刷雙饋系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)處于異步切同步過程中發(fā)生IGBT爆炸。爆炸發(fā)生前工頻繞組的電流不穩(wěn)定，說明同步不成功，電機(jī)沒有進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)。爆炸發(fā)生在工頻繞組電流快速增加的過程中，明顯聽到多次爆炸聲，而且爆炸聲能明顯聽出間隔，間隔時(shí)間在百毫秒以上。同時(shí)爆炸聲音非常大。

變頻裝置中的三相全橋9只IGBT模塊全部嚴(yán)重炸毀，18個(gè)IGBT單管都有明顯的損傷，屬于嚴(yán)重過電流炸毀，瞬間電流高達(dá)數(shù)千安培以上。耗能部分IGBT嚴(yán)重炸毀，而且是上下橋臂兩個(gè)IGBT單管都有明顯的損傷。三路9只輸入整流二極管，7只正常，2只損壞，處于短路狀態(tài)，外殼完好沒有破損。直流母排嚴(yán)重?fù)p壞，多處母排與IGBT連接處銅牌融化。瞬間電流非常大。與IGBT直接連接的驅(qū)動(dòng)小板嚴(yán)重?fù)p壞。以IGBT為中心周邊全部被電弧灼傷，隔離板以外器件全部正常，主控板等所有PCB板均正常，沒有發(fā)現(xiàn)任何故障。原因分析如下

(1)檢查發(fā)現(xiàn)耗能部分IGBT驅(qū)動(dòng)小板，上橋臂驅(qū)動(dòng)G極沒有短接。

(2)耗能IGBT上下橋臂直通沒有保護(hù)措施。

(3)無刷雙饋電機(jī)處于饋電狀態(tài)，將使母線電壓快速升高，母線過壓硬件保護(hù)功能也處于失效狀態(tài)。

(4)無刷雙饋?zhàn)冾l裝置的全橋的輸出接在變頻繞組上由于只是工頻繞組輸入了6kV的高壓電源，因此相對于全橋電路來說有無窮大的能量直到全部炸毀。

經(jīng)我公司總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對變頻方案進(jìn)行改進(jìn)，當(dāng)電機(jī)再次裝配完成，進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，電機(jī)多次起動(dòng)，沒有再次發(fā)生故障，確定可靠運(yùn)行。

5 產(chǎn)品性能測試、防爆檢驗(yàn)

5.1 產(chǎn)品性能測試

TZYWS 450-6 450kW 正壓外殼型無刷雙饋同步電動(dòng)機(jī)主要性能見表3。

表3 正壓外殼型無刷雙饋同步電動(dòng)機(jī)主要性能

從試驗(yàn)性能可以看出，該電機(jī)具備效率高、功率因數(shù)高、振動(dòng)小、噪聲低等優(yōu)良性能，且變頻啟動(dòng)，通過V-F控制，無需考慮起動(dòng)電流及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩等問題。

5.2 防爆檢驗(yàn)

防爆電機(jī)在性能合格的同時(shí)，防爆安全檢查也是關(guān)鍵部分。我們委托國家起重冶金及防爆電機(jī)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對該電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了防爆安全檢查。通過了產(chǎn)品圖紙、技術(shù)文件檢查，并對電動(dòng)機(jī)樣機(jī)進(jìn)行了最高正壓、最低正壓檢查，以及泄漏試驗(yàn)、換氣和稀釋試驗(yàn)、控制裝置可靠性試驗(yàn)等全面檢測。結(jié)果表明各項(xiàng)性能指標(biāo)全部合格，并取得了防爆合格證，防爆標(biāo)志：ExepzIICT3 Gc。

6 結(jié)語

我公司此次生產(chǎn)的TZYWS 450-6 450kW 正壓外殼型無刷雙饋同步電動(dòng)機(jī)，由于其品質(zhì)高、性能好、運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)能效果顯著，現(xiàn)已具備國內(nèi)首創(chuàng)、國際領(lǐng)先水平。實(shí)踐證明，該系列產(chǎn)品具有顯著的節(jié)電效果，是一種理想的調(diào)速控制方式。既提高了設(shè)備效率，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，同時(shí)還大大減少了設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用，另外能很好地改善功率因數(shù)，也可以為電網(wǎng)節(jié)約容量。直接和間接經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。目前該系列產(chǎn)品正逐漸替代普通變頻類產(chǎn)品推向市場。

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