高轉(zhuǎn)速大容量電驅(qū)系統(tǒng)配套異步電機(jī)研制

張 靜，陳 凱

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

隨著國家節(jié)能減排政策的落實(shí)，國內(nèi)大型及中小型鋼鐵企業(yè)的節(jié)能減排形勢嚴(yán)峻，促使鋼鐵行業(yè)中大型高爐向超大型高爐發(fā)展。為降低能耗，相關(guān)領(lǐng)域用戶已逐步接受使用“高爐鼓風(fēng)機(jī)和高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置同軸系能量回收機(jī)組”(簡稱：BPRT機(jī)組)。機(jī)組中軸流壓縮機(jī)同時被電機(jī)和煤氣透平膨脹機(jī)共同驅(qū)動，從而降低了電機(jī)的軸功率，節(jié)約了電能。隨著國內(nèi)電網(wǎng)容量的不斷增強(qiáng)，用戶開始逐步接受并使用超過30 MW的異步電機(jī)。為滿足BPRT的升級需求，公司啟動了高轉(zhuǎn)速大容量電驅(qū)系統(tǒng)配套異步電機(jī)項(xiàng)目的研發(fā)。

1 電磁設(shè)計(jì)

1．1 電磁設(shè)計(jì)考慮因素

大容量電機(jī)為規(guī)避繞組的環(huán)流損耗，一般采用條式線棒。為了降低成本、提高生產(chǎn)效率，對電機(jī)繞組相帶拆分、并聯(lián)技術(shù)進(jìn)行了研究、分析，獲得突破。

變頻器供電使得電動機(jī)繞組要承受很大的沖擊電壓，電動機(jī)的匝間絕緣需要更高耐壓性能。沖擊電壓疊加在電動機(jī)運(yùn)行電壓上，會對電動機(jī)對地絕緣構(gòu)成威脅，對地絕緣在高壓的反復(fù)沖擊下會加速老化。所以電動機(jī)的絕緣一般采用絕緣結(jié)構(gòu)可靠的F級絕緣。

電磁設(shè)計(jì)參數(shù)的選取應(yīng)滿足BPRT機(jī)組的需求，最大發(fā)熱因數(shù)滿足溫升限值，最高磁參數(shù)滿足材料性能要求，最高頻率點(diǎn)滿足轉(zhuǎn)矩倍數(shù)要求，額定點(diǎn)效率、功率因數(shù)滿足額定要求[1]。

1．2 電磁方案的確定

新設(shè)計(jì)電機(jī)采用了公司成熟的計(jì)算程序進(jìn)行電磁計(jì)算。綜合各項(xiàng)考慮因素，確定了電磁方案[2]，電氣參數(shù)滿足用戶要求，電機(jī)主要參數(shù)(見表1)。

表1 38 MW樣機(jī)的主要參數(shù)

1．3 電磁仿真計(jì)算

電機(jī)應(yīng)用先進(jìn)的有限元法進(jìn)行了仿真分析、計(jì)算，仿真結(jié)果符合電磁方案計(jì)算(見圖1～圖3)，進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

圖1 磁場仿真結(jié)果

圖2 電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波動圖

圖3 電機(jī)電流波形圖

2 電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2．1 電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)

電機(jī)為鼠籠結(jié)構(gòu)變頻異步電動機(jī)(電機(jī)外形圖見圖4)。冷卻方式為封閉式循環(huán)水冷卻，采用端蓋式滑動軸承。電機(jī)包括定子(由機(jī)座、定子鐵心和繞組等組成)、轉(zhuǎn)子(由轉(zhuǎn)子鐵心、導(dǎo)條、端環(huán)、風(fēng)扇和軸等組成)，兩個端蓋及軸承。在電機(jī)的側(cè)面，布置主出線盒、中性點(diǎn)出線盒、加熱器出線盒和測溫元件出線盒等。另外，電機(jī)主軸伸為圓柱帶平鍵結(jié)構(gòu)，副軸伸可用于安裝測速裝置。

圖4 電機(jī)外形圖

2．2 電機(jī)軸承的選擇

電機(jī)轉(zhuǎn)子重量較大，軸承承載力要求高，同時為兼顧電機(jī)轉(zhuǎn)子動力學(xué)性能，需要軸承具有較高的油膜剛度及阻尼系數(shù)。38 MW 4P高爐風(fēng)機(jī)電機(jī)針對大負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量，通過變頻器起動，起動時間較長。軸承采用高、低壓供油系統(tǒng)。電機(jī)起動時，高壓油頂系統(tǒng)工作，利用壓力輕微抬起轉(zhuǎn)子，以降低起動阻力。電機(jī)處于正常工作狀態(tài)后，可使高壓油頂系統(tǒng)停止工作(當(dāng)電機(jī)工作在很低轉(zhuǎn)速下時，軸承不能依靠轉(zhuǎn)動自動產(chǎn)生足夠油膜，仍需要高壓油輔助)，僅采用低壓循環(huán)油系統(tǒng)提供潤滑。軸承計(jì)算[3]結(jié)果(見表2)。

表2 軸承計(jì)算

2．3 定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2．3．1 定子鐵心

一是加強(qiáng)橫向課題研究，助力本市節(jié)能工作健康發(fā)展。2018年協(xié)會承擔(dān)了多項(xiàng)重要課題，其中《上海市天然氣分布式供能系統(tǒng)后續(xù)推進(jìn)政策研究》全面分析行業(yè)發(fā)展瓶頸，引導(dǎo)行業(yè)向多能互補(bǔ)型分布式能源微網(wǎng)發(fā)展；《產(chǎn)業(yè)園區(qū)能源微網(wǎng)研究和推廣》以莘莊工業(yè)園區(qū)智慧能源微網(wǎng)、虹橋商務(wù)區(qū)區(qū)域供能系統(tǒng)為例提出上海產(chǎn)業(yè)園區(qū)能源微網(wǎng)推廣設(shè)想與建議。這些課題為相關(guān)政府部門制定節(jié)能政策提供了重要依據(jù)。

定子采用外壓裝結(jié)構(gòu)，鐵心用拉螺桿拉緊(定子鐵心結(jié)構(gòu)見圖5)，鐵心壓緊后保壓進(jìn)行槽鋼和起吊件的定位焊接。鐵心整圓采用16個槽鋼進(jìn)行緊固，槽鋼在圓周方向均勻分布，同時搭焊兩端壓圈，對定子鐵心起到軸向拉緊的作用，增加鐵心的剛度。

圖5 定子鐵心結(jié)構(gòu)圖

2．3．2 定子嵌線

定子線圈嵌入定子鐵心后，直線部分用槽楔固定。線圈端部采用端箍結(jié)構(gòu)予以固定(端部綁扎見圖6)。端部線圈之間用絕緣材料塞緊，用玻纖繩綁扎，經(jīng)真空VPI浸漆固化。

圖6 端部綁扎

2．3．3 定子機(jī)座

本項(xiàng)目定子機(jī)座為方箱式結(jié)構(gòu)，采用鋼板焊接而成，布置有加強(qiáng)筋以增加機(jī)座剛度、強(qiáng)度，對定子鐵心、定子繞組起保護(hù)作用。機(jī)座內(nèi)多檔機(jī)座壁，兩端外側(cè)機(jī)座壁與端蓋止口配合。機(jī)座頂板設(shè)有定子通風(fēng)窗口，用于安裝冷卻器。側(cè)面外罩板上開有窗口，以便于安裝電機(jī)主出線盒。電機(jī)采用對稱風(fēng)路，內(nèi)部循環(huán)空氣由裝在軸上的風(fēng)扇推動。綜合考慮電機(jī)通風(fēng)及冷卻效果，適當(dāng)增加機(jī)座寬度。同時為增大定子機(jī)座強(qiáng)度，相應(yīng)增大定子機(jī)座內(nèi)底部支撐彎板尺寸(機(jī)座結(jié)構(gòu)見圖7)。

圖7 機(jī)座結(jié)構(gòu)

2．4 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2．4．1 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)軸、鐵心、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條、端環(huán)、風(fēng)扇等(轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)見圖8)。

圖8 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

2．4．2 軸

電機(jī)鍛軸采用銑筋軸結(jié)構(gòu)(三維轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)見圖9)。電機(jī)轉(zhuǎn)子撓度小于氣隙的10%，一階垂直臨界轉(zhuǎn)速不小于額定轉(zhuǎn)速的1．3倍。轉(zhuǎn)子鐵心與軸的過盈量滿足扭矩傳遞需求。

圖9 三維轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

通過采用ANSYS有限元計(jì)算軟件轉(zhuǎn)子動力學(xué)模塊對電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算分析[4]，結(jié)論可靠。

2．5 電機(jī)風(fēng)路設(shè)計(jì)

電機(jī)功率密度超高，需要著重考慮通風(fēng)散熱效果。結(jié)合有限元分析結(jié)果改進(jìn)了電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)結(jié)構(gòu)，對風(fēng)路的分布進(jìn)行了合理的優(yōu)化(見圖10、圖11)，增大通風(fēng)、散熱面積。

圖10 電機(jī)內(nèi)部風(fēng)壓云圖

圖11 風(fēng)扇CFD計(jì)算

2．6 冷卻器結(jié)構(gòu)

由于電機(jī)容量極大，以往25 MW以上4極異步電機(jī)多采用IC86W冷卻方式。本次設(shè)計(jì)通過優(yōu)化電機(jī)內(nèi)部風(fēng)路的方式將冷卻方式改進(jìn)為IC81W(冷卻方式見圖12)，削減用電負(fù)荷的同時減少了潛在故障點(diǎn)。

圖12 IC86W與IC81W冷卻方式對比

3 智能運(yùn)維裝置

本項(xiàng)目配置了智能運(yùn)維系統(tǒng)，可根據(jù)電機(jī)設(shè)備產(chǎn)品檔案，追蹤、統(tǒng)計(jì)所有在線設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和維護(hù)修理記錄，為設(shè)備運(yùn)行的評估、優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐；具備對分散設(shè)備的統(tǒng)一管理功能，可幫助用戶實(shí)現(xiàn)設(shè)備的集群分組管理。

該系統(tǒng)通過溫度、電流、振動三大子系統(tǒng)，可對設(shè)備主要運(yùn)行指標(biāo)、狀態(tài)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，可在用戶Web/App端實(shí)時顯示數(shù)據(jù)，幫助用戶隨時隨地實(shí)時掌控電機(jī)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。用戶可便捷的設(shè)置報警閾值，便于統(tǒng)計(jì)、查詢所有設(shè)備的報警記錄，為設(shè)備的檢修、優(yōu)化提供歷史經(jīng)驗(yàn)參考。同時通過歷史數(shù)據(jù)記錄的趨勢分析，結(jié)合智能算法，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)設(shè)備的故障前兆預(yù)警。

4 試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 1032三相異步電動機(jī)試驗(yàn)方法及市場端的需要，編制了電機(jī)試驗(yàn)方案(試驗(yàn)結(jié)果見表3～表5)。經(jīng)業(yè)界權(quán)威的上海電器設(shè)備檢測所有限公司檢測，電機(jī)效率、功率因數(shù)、轉(zhuǎn)矩、溫升和噪聲均達(dá)到或高于設(shè)計(jì)要求。

表3 主要性能參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 損耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

電機(jī)功率大，設(shè)計(jì)難度高，為滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)中對結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度、動力學(xué)性能及通風(fēng)冷卻能力進(jìn)行了反復(fù)驗(yàn)證、優(yōu)化。在電磁方案設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上都有創(chuàng)新，并且試驗(yàn)驗(yàn)證合理。

在YGFN1120-4-38 MW樣機(jī)成功試制的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步開展了系列化設(shè)計(jì)，將YGFN1120-4功率范圍拓展至30～40 MW。

此次高轉(zhuǎn)速大容量電驅(qū)系統(tǒng)配套異步電機(jī)新產(chǎn)品的試制成功，是我公司在本領(lǐng)域的又一次突破性嘗試。電機(jī)性能滿足BPRT需求，對響應(yīng)國家節(jié)能減排政策具有積極意義。