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| 我國熱力行業(yè)中型電機(jī)變頻調(diào)速的電氣設(shè)計(jì)研究 |
| （時(shí)間:2016-7-5 9:17:26） |
氣設(shè)計(jì)過程是一個(gè)復(fù)雜的過程，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)城市供熱系統(tǒng)中因熱效率高而逐漸采用大容量鍋爐、電機(jī)功率同時(shí)增加的現(xiàn)狀。隨之而來的是中型電機(jī)啟動(dòng)及調(diào)速如何設(shè)計(jì)的問題，涉及到中型電機(jī)功率較小情況下變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、中型電機(jī)功率較大情況下變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文通過對(duì)變頻調(diào)速電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、電機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題和中型變頻調(diào)速電機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例三個(gè)方面論述，按照不同情況即不同的電機(jī)功率，得出不同的設(shè)計(jì)方法，從而實(shí)現(xiàn)既節(jié)約投資又能保障系統(tǒng)穩(wěn)定、維護(hù)較容易的目的。
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)的變頻調(diào)速已逐步取代了傳統(tǒng)的變極調(diào)速、電磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。被廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)、鋼鐵、運(yùn)輸紡織及高空調(diào)家電等領(lǐng)域。其控制性能及經(jīng)濟(jì)性能都已接近或超過直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，變頻調(diào)速的目的主要是節(jié)能調(diào)速和工藝調(diào)速， 能調(diào)速用于具有平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性的風(fēng)機(jī)泵類機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速控制。
一、變頻調(diào)速電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)
變頻調(diào)速專用電動(dòng)機(jī)開發(fā)的必要性就在于解決在變頻調(diào)速情況下，普通Y系列電機(jī)勝任不了的問題、其設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：
（1）用SPWM裝置額定頻率供電時(shí)，變頻調(diào)速電機(jī)的功率等級(jí)和安裝尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系與基本系列電動(dòng)機(jī)相同，這有利于用戶的安裝、維修、推廣與使用。
（2）由于通常的自帶風(fēng)扇的冷卻方式，在許多場(chǎng)合下將不適用于變頻器供電的變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，基速以下的恒轉(zhuǎn)矩特性使電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的電流和磁通都基本保持不變。然而此時(shí)的冷卻風(fēng)量卻與轉(zhuǎn)速的3次方成正比的減少，使散熱發(fā)生困難。因此，變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)需采用外通風(fēng)冷卻，同時(shí)應(yīng)充分考慮電機(jī)的溫升裕度。
二、電機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題
（一）電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需減少電機(jī)中的氣隙不平衡以及電磁激振力的大小，來降低電機(jī)的噪聲。這可以通過提高定子鐵心內(nèi)徑及轉(zhuǎn)子鐵心外徑的加工精度來減少偏差和提高同心度方法來實(shí)現(xiàn)。
（二）由于電機(jī)在一個(gè)頻率范圍內(nèi)工作，要使電機(jī)定子的主要階模態(tài)的固有頻率與電磁激振力的階分量錯(cuò)開是十分困難的，但可以通過選擇合理的槽配合、改進(jìn)電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)和采用正弦繞組等以降低低階空間諧波的幅值或者對(duì)定子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻尼處理以增大電機(jī)定子各階模態(tài)的阻尼，來降低電機(jī)定子在發(fā)生振動(dòng)時(shí)的振幅，達(dá)到降低噪聲的目。的。
（三）由于變頻電機(jī)的高速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速非常高，這對(duì)電電機(jī)結(jié)構(gòu)件的剛度、強(qiáng)度有較高的要求。電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)電機(jī)機(jī)座、端蓋、轉(zhuǎn)軸連接系統(tǒng)以及軸承進(jìn)行分析，采取相應(yīng)措施。如端蓋采用帶內(nèi)、外散熱筋結(jié)構(gòu)，同時(shí)加強(qiáng)電機(jī)與獨(dú)立風(fēng)機(jī)連接部分的強(qiáng)度，來保證變頻電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)良好的剛度。
三、中型變頻調(diào)速電機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例
（一）電網(wǎng)電壓l0kV，采用l0kV電機(jī)，l0kV輸入和l0kV輸出的變頻控制系統(tǒng)
此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無須單獨(dú)的電源變壓器，變頻器自帶輸入隔離變壓器，直接接電網(wǎng)即可，不需要電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換的變壓器，不占用低壓變壓器的容量，同時(shí)電機(jī)和變頻器的效率都很高，電機(jī)運(yùn)行時(shí)S小，轉(zhuǎn)差功率損耗小，效率高。電機(jī)效率>93%，變頻器的效率=97%，電機(jī)加變頻器的整體綜合效率>90.2%此外變頻器對(duì)電網(wǎng)側(cè)和電機(jī)側(cè)的諧波都非常小，可忽略不計(jì)，電網(wǎng)側(cè)諧波總量一般小于1%，電機(jī)側(cè)諧波可以忽略不計(jì)，可以使用普通電機(jī)，不需要用變頻器專用電機(jī)。還有輸出電纜長(zhǎng)度無限制，輸入輸出電流都最小，大約30 ～ 40A，采用的電纜截面小，電纜成本和施工的成本低。另外電機(jī)的接線方式為星形接法，必要時(shí)可以直接采用旁路，在l0kV的電網(wǎng)下，直接啟動(dòng)l0kV的電機(jī)，旁路系統(tǒng)簡(jiǎn)單，不需要星角轉(zhuǎn)換，可以在變頻器發(fā)生故障后，用工頻電源馭動(dòng)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。采用大品牌的變頻器，運(yùn)行的可靠性極高，售后維修的成本很低，設(shè)計(jì)壽命20年。電機(jī)功率與電網(wǎng)電壓匹配，符合國家的政策。但是變頻單元的額定電流64A，富裕量很大，性價(jià)比不如6kV輸出的變頻器。變頻器本體體積比6kV輸出的變頻器略大，價(jià)格比l0kV輸入、6kV輸出的變頻器略高。
（二）電網(wǎng)電壓l0kV，采用6kV電機(jī)，l0kV輸入和6kV輸出的變頻控制系統(tǒng)
此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無須單獨(dú)的電源變壓器，變頻器自帶l0kV輸入隔離變壓器，直接接電網(wǎng)即可，不需要電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換的變壓器，不占用低壓變壓器的容量，同時(shí)電機(jī)和變頻器的效率都很高，電機(jī)效率>93%，變頻器的效率=97%，電機(jī)加變頻器的整體綜合效率>90.2%。此外變頻器對(duì)電網(wǎng)側(cè)和電機(jī)側(cè)的諧波都非常小，可忽略不計(jì)，電網(wǎng)側(cè)諧波總量一般小于2%，電機(jī)側(cè)諧波可以忽略不計(jì)。可以使用普通電機(jī)，不需要用變頻器專用電機(jī)。還有輸出電纜長(zhǎng)度無限制，輸入輸出電流都較小，大約60 ～ 70A，略高于l0kV的變頻器額定電流，采用的電纜截面較小，電纜成本和施工的成本較低。另外變頻單元的額定電流70A ，接近電機(jī)額定電流，電機(jī)與變頻器的額定電流容量匹配性好，富裕量足夠，性價(jià)比比l0kV輸出的要好。變頻器本體體積比l0kV輸出的小，價(jià)格比l0kV輸出的變頻器低。采用大品牌的變頻器，運(yùn)行的可靠性極高，售后維修的成本很低，設(shè)計(jì)壽命20年。電機(jī)功率與電網(wǎng)電壓匹配，符合國家的政策。但是變頻運(yùn)行的接線方式為星形接法，不能采用旁路，適合丁不需要旁路的場(chǎng)合。
總之，通過以上的對(duì)比分析，得到重要的設(shè)計(jì)結(jié)論：對(duì)于400kW及以下的中型電機(jī)，應(yīng)設(shè)計(jì)0.4kV的變頻控制系統(tǒng)；對(duì)于450kW的中型電機(jī)，應(yīng)設(shè)計(jì)0.4kV的變頻控制系統(tǒng)或高壓變頻控制系統(tǒng)；對(duì)于500kW中型電機(jī)，在電氣設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)計(jì)l0kV輸入，6kV輸出的變頻控制系統(tǒng)，電機(jī)即可以采用l0kV（可以旁路），也可以采用6kV（不需要旁路時(shí)），比較靈活；電機(jī)的功率與電網(wǎng)電壓匹配，符合國家政策，而且這樣的方案具有整體綜合效率高，電纜截面小，電纜和施工成本低，諧波小可忽略不計(jì)，電機(jī)不降容，可以使用普通電機(jī)，不需要變頻器專用電機(jī)，電纜長(zhǎng)度無限制，變頻器的額定電流容量與電機(jī)的額定電流匹配性好，不需要占用低壓變壓器的容量，無電磁干擾。由于電流小，這種變頻器的可靠性已經(jīng)超過了低壓變頻器。這些設(shè)計(jì)已經(jīng)在熱力工程實(shí)踐中取得良好效果。
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