劉 洋

(哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

變頻器試驗(yàn)機(jī)組用異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)

劉 洋

(哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

介紹了變頻器試驗(yàn)用電動(dòng)機(jī)的基本要求，主要參數(shù)及整體結(jié)構(gòu)。結(jié)合本設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)簡述了電動(dòng)機(jī)的電磁方案初步設(shè)計(jì)以及對此種電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的考慮。對此種電機(jī)區(qū)別于普通變頻異步電動(dòng)機(jī)之處做更進(jìn)一步闡述。對機(jī)組電動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)做出了合理設(shè)計(jì)，為變頻器試驗(yàn)機(jī)組用異步電動(dòng)機(jī)提供了設(shè)計(jì)思路。

變頻器；試驗(yàn)機(jī)組；異步電動(dòng)機(jī)；星角轉(zhuǎn)換

0 引言

隨著變頻器在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)日益廣泛的應(yīng)用，變頻器生產(chǎn)廠家越來越多，每一套變頻器都要通過出廠前試驗(yàn)，由于變頻器種類及應(yīng)用范圍比較廣泛，因此要求變頻器試驗(yàn)機(jī)組適用范圍越廣越好。

目前國內(nèi)變頻器制造商的試驗(yàn)方法都比較落后，一般都使用帶電機(jī)空載或帶電阻、電抗器的方法，兩種方法存在很大缺陷，空載試驗(yàn)只是檢驗(yàn)了變頻器輸出電壓的性能，而實(shí)際輸出電流很??；帶電阻、電抗器試驗(yàn)只是檢驗(yàn)了變頻器輸出電流的性能，而實(shí)際的輸出電壓很低。實(shí)際上應(yīng)該對變頻器在高電壓、滿負(fù)荷動(dòng)態(tài)帶載的情況進(jìn)行試驗(yàn)。以上兩種方法無法滿足實(shí)際的實(shí)驗(yàn)條件。

某電氣研究院設(shè)計(jì)了一套能夠?qū)嵤┠芰糠答伒脑囼?yàn)設(shè)備，可以充分模擬各種工況需求，滿足全系列變頻器試驗(yàn)條件。我公司為其提供變頻器試驗(yàn)機(jī)組用500kW異步電動(dòng)機(jī)。

1 試驗(yàn)機(jī)組對電動(dòng)機(jī)的要求

試驗(yàn)機(jī)組采用2臺異步電動(dòng)機(jī)：1臺380/660V星角轉(zhuǎn)換；1臺660/1140V星角轉(zhuǎn)換，兩臺電機(jī)通過聯(lián)軸器連接能夠?qū)崿F(xiàn)對拖，機(jī)組如圖1。

圖1 機(jī)組

1.1 試驗(yàn)機(jī)組在試驗(yàn)室需要同軸安裝，軸端采用在最大過載時(shí)機(jī)械角度偏差不超過1/4度的撓性聯(lián)軸器連接，不設(shè)齒輪變速。

1.2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的GD2應(yīng)設(shè)計(jì)的盡可能小，使電動(dòng)機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)盡可能小，以滿足高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的需要。

1.3 絕緣等級為F級。需對電機(jī)繞組絕緣強(qiáng)度設(shè)計(jì)進(jìn)行校核，保證能夠承受變頻調(diào)速系統(tǒng)高次諧波電壓對絕緣的影響，以及能夠承受高次諧波對電機(jī)溫升的影響。電動(dòng)機(jī)定子絕緣強(qiáng)度應(yīng)能適應(yīng)變頻器的PWM電壓輸出，要求能承受最大電壓變化率du/dt>2kV/μs，最大瞬時(shí)電壓大于2倍額定電壓。

1.4 滿足沖擊性負(fù)荷試驗(yàn)對電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度要求。

1.5 電機(jī)防護(hù)等級IP54或以上。

1.6 電動(dòng)機(jī)冷卻方式采用風(fēng)冷。

1.7 電動(dòng)機(jī)采用采用滾動(dòng)軸承，脂潤換方式。

1.8 傳動(dòng)側(cè)設(shè)置轉(zhuǎn)子軸接地碳刷、非傳動(dòng)側(cè)設(shè)置軸承絕緣，以避免軸電流損壞軸承及光電編碼器。

1.9 廠家負(fù)責(zé)在電動(dòng)機(jī)非傳動(dòng)側(cè)加工光電編碼器安裝螺紋孔及止口、支撐桿固定螺紋孔等，并保證加工精度滿足安裝要求。由用戶提供光電編碼器安裝尺寸。

1.10 定子繞組測溫采用PT100元件，每相配置2個(gè)，一用一備，三相共6個(gè)。電動(dòng)機(jī)2個(gè)軸承各配置1個(gè)PT100測溫元件。以上PT100測溫元件均采用三線輸出型式。

1.11 供貨服務(wù)范圍：試驗(yàn)機(jī)組電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、出廠試驗(yàn)、運(yùn)輸、現(xiàn)場安裝指導(dǎo)及調(diào)試配合服務(wù)等(碼盤和超速開關(guān)由買方自行采購，廠家在機(jī)組非傳動(dòng)端加工安裝螺紋孔及止口、支撐桿固定螺紋孔等)。

1.12 有關(guān)吊裝設(shè)備、電機(jī)基礎(chǔ)預(yù)埋件、機(jī)組水平度、機(jī)組同軸度、電動(dòng)機(jī)外形、機(jī)組安裝尺寸等要求由賣方提供給買方數(shù)據(jù)。

2 電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)

電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)見表1。

表1 電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

3 電動(dòng)機(jī)的整體設(shè)計(jì)

根據(jù)對電機(jī)的要求，電機(jī)應(yīng)該盡量做小，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)盡可能小，以滿足高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的需要。且電機(jī)要實(shí)現(xiàn)星角轉(zhuǎn)換，存在較低電壓，額定電流較大，電纜較多引出線較多，需要有充足內(nèi)部空間便于引線。所以需對電機(jī)綜合考慮，將從以下三方面對電機(jī)展開設(shè)計(jì)。

3.1 電磁方案的考慮

對于電機(jī)廠而言，已存在一定規(guī)模的電機(jī)沖片模具，所以在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用已有沖片。且由于此電機(jī)為變頻器試驗(yàn)電機(jī)，用戶為滿足變頻器頻率變化范圍以對電機(jī)極數(shù)做了規(guī)定。這致使在方案上做的選擇十分局限，所以根據(jù)以上情況，方案應(yīng)在一定范圍內(nèi)盡量選擇較小電機(jī)來滿足要求。

在初步選擇方案時(shí)，應(yīng)對電壓及接法兼顧考慮，以減小計(jì)算量，例如：380V角接與660V，星接相電壓分別為380V及381.1V，相電壓基本相同。所以在初選方案時(shí)，可以只計(jì)算其中一種電壓對應(yīng)接法下的方案，來滿足其它電氣參數(shù)要求，但額定電壓影響額定電流，且額定電壓越小額定電流越大。所以初選方案時(shí)，盡量選用額定電壓低的進(jìn)行計(jì)算以便確定額定電流能夠滿足變頻器最大電流限制[1]。

由于兩規(guī)格電機(jī)電壓等級不同，保證具有相同的絕緣等級需選用不同的絕緣規(guī)范，且需根據(jù)同一規(guī)格電機(jī)最大電壓去選取，例如：380V/660V電機(jī)需按660V去對應(yīng)選取。以本單位為例，660V電機(jī)需選用通用的900V級變頻電機(jī)F級絕緣規(guī)范，1140V電機(jī)需選用通用2000V級變頻電機(jī)F級絕緣規(guī)范。

3.2 單臺電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此種電機(jī)相對于普通變頻電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊之處，此電機(jī)為變頻器試驗(yàn)用，承載要求較低，相對于我公司普通電機(jī)的三軸承結(jié)構(gòu)，此電機(jī)只需兩軸承結(jié)構(gòu)，即負(fù)載端采用一套6224/C3深溝球軸承，非負(fù)載端采用一套NU224/C3圓柱滾子軸承。負(fù)載端設(shè)置接地電刷裝置，非負(fù)載端采取絕緣措施。

此種電機(jī)定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是難點(diǎn)，尤其對于機(jī)座空間較小，且電壓較低的電機(jī)，其電流較大，導(dǎo)致電纜數(shù)量較多，加之需實(shí)現(xiàn)星角轉(zhuǎn)換，致使電纜數(shù)量翻倍，機(jī)座內(nèi)部空間狹小，增加了制造難度。為實(shí)現(xiàn)星角轉(zhuǎn)換，繞組引出線需與六個(gè)短路環(huán)連接引出，但空間限制無法安放六個(gè)短路環(huán)，通過采用短路環(huán)與連接線并用的方式，可以節(jié)省空間，即采用三個(gè)短路環(huán)，其余采用連接線的形式將繞組引出線通過電纜引出。在此過程中一定要注意通過連接線引出的電纜，電流的分配問題，有別于短路環(huán)引出形式，通過短路環(huán)引出時(shí)，線圈電流匯合到短路環(huán)，再通過短路環(huán)引出電流，保證了分配均勻，通過連接線引出時(shí)，需保證每根電纜連接的連接線分配的線圈數(shù)量相同，以保證電流均勻分配。對于電機(jī)出線盒需做特殊設(shè)計(jì)：一要考慮電流較大，連接板截面積足夠大來滿足大電流的要求；二要考慮星角轉(zhuǎn)換，需配有六個(gè)接線連接板，以及兩種實(shí)現(xiàn)星角轉(zhuǎn)換的單獨(dú)連接板。通過固定出線盒中三相引出線的位置，用以最簡單的方式實(shí)現(xiàn)星角轉(zhuǎn)換。出線盒示意圖如圖2。當(dāng)采用角接時(shí)，用連接板將W2與U1、U2與V1、V2與W1連接，U1、V1、W1引出接電源，當(dāng)采用星接時(shí)，用連接板將W2、U2、V2連接，U1、V1、W1引出接電源。

圖2 出線盒示意圖

3.3 整體設(shè)計(jì)

兩電機(jī)同軸安裝，不設(shè)齒輪箱，通過聯(lián)軸器直連，為滿足機(jī)械安裝要求，選用JMF-030膜片聯(lián)軸器，此聯(lián)軸器吸收角向不對中能力1/4°，吸收徑向不對中能力0.0046mm/mm，吸收軸向不對中能力±2.5mm，以保證安裝要求。此電機(jī)采用IC616冷卻方式，即空空冷卻，需有獨(dú)立冷卻風(fēng)機(jī)，由于兩臺電機(jī)直連且距離較近，需考慮冷卻器進(jìn)出風(fēng)不相互干涉，冷卻器布置及整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 整體結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

通過以上對此類電動(dòng)機(jī)的基本要求的列舉，以及主要參數(shù)的確定，簡述了變頻器試驗(yàn)機(jī)組用500kW異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，對電磁方案、定子結(jié)構(gòu)、軸承結(jié)構(gòu)以及整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了闡述，為變頻器試驗(yàn)機(jī)組用異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)思路，為后續(xù)變頻器試驗(yàn)機(jī)組用電動(dòng)機(jī)形成系列設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

[1] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2] 顧繩谷.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)(第四版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.5.

[3] 李方圓.變頻器行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐(第一版).北京：中國電力出版社，2006.

Design of Induction Motor for Frequency Inverter Test Unit

LiuYang

(Harbin Electric Power Equipment Co., Ltd., Harbin 150040, China)

This paper introduces basic requirements, main parameters and integral structure of motor used for frequency inverter experiment, and briefly describes primary design and consideration of electromagnetic scheme. The difference between this kind of motor and common variable-frequency induction motor is further elaborated, and integral structure of unit motor is reasonably designed. It provides some design ideas for induction motor in frequency inverter test unit.

Frequency inverter；test unit；induction motor；star-delta conversion

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.01.05

TM343

A

1008-7281(2017)01-0017-003

劉洋 男 1987年生；畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事大中型交流異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)工作.

2016-10-14