驱动往复式压缩机用同步电动机起动计算

历　锐，乔丽娜

(国家防爆电机工程技术研究中心，黑龙江佳木斯154002)



驱动往复式压缩机用同步电动机起动计算

历锐，乔丽娜

(国家防爆电机工程技术研究中心，黑龙江佳木斯154002)

摘要以用于驱动往复式压缩机的正压外壳型/增安型无刷励磁同步电动机为例，结合相应的边界条件，依据理论计算与有限元法相结合的方式对同步电动机的起动能力、起动时间、起动时阻尼绕组的温升等方面进行计算与仿真。并对计算结果进行分析，得出的结论完全附合电动机起动的需要，为更加准确的计算驱动往复式压缩机用同步电动机起动计算奠定了基础。

关键词往复式压缩机；同步电动机；起动计算；有限元法

0引言

近年来，随着石化行业的迅猛发展，生产规模的不断扩大，大型往复式压缩机机组在石化设备中占有越来越重要的地位。同步电动机在驱动往复式压缩机时，由于其负载力矩特性是不均匀或呈周期性变化的。其谐波力矩在运行过程中持续存在，作用于同步电动机主轴上的脉动转矩将使动态稳定运行产生强制振荡，也就是引起同步电动机功率角相对于其平均值作周期性变化，从而使电动机的转矩和电流产生波动[1]。为避免对压缩机组造成毁坏，避免在强制振荡中发生共振现象，整个机组一般选取较大飞轮力矩GD2，以限制同步电动机的谐波力矩和电流波动因素[2]。由于压缩机组具有较大飞轮力矩GD2，对同步电动机的起动影响较大，因此必须进行详细的电机起动计算，确保产品的可靠性。

1起动能力计算

通过对电机型号：TZYW/TAW 6350-20/3250正压外壳型/增安型无刷励磁同步电动机的起动能力进行分析，并对压缩机起动过程阻力矩进行计算见表1，具体起动能力计算过程如下。

(1)电动机额定功率:6350kW

(2)电动机额定转速:300r/min

(3) 起动点阻力矩M1 ：157 854 N·M

=9550×6350÷300

=202141 N·M

(5) 起动点阻力矩与电机额定转矩比值

157854÷202141=0.781

(6) 驱动端轴瓦内径D1=406.4mm (电机为单支撑结构，与压缩机共用驱动端轴承)

(7) 非驱动端轴瓦内径D2=400mm

(8) 驱动端轴瓦所受重力P1=13500kg

(9) 非驱动端轴瓦所受重力P2=20000kg

(10) 驱动端静摩擦力矩M2

M2=0.5×kf×P1×D1×10-3

=0.5×0.3×13500×406.4×10-3×9.8

=8065 N·M

(11)非驱动端静摩擦力矩M3

M3=0.5×kf×P2×D2×10-3

=0.5×0.3×20000×400×10-3×9.8

=11760 N·M

(12)总阻力矩

MM=M1+M2+M3

=157854+8065+11760

=177679 N·M

(13)起动转矩倍数Mqd=1.20

(14)全电压时起动能力计算Mqd×T>MM

1.2×202141=242569>177679 N·M

经核算全电压情况下电机起动能力合格。

(15)降压时起动能力计算

α2×Mqd×T>MM

式中，α—电机端电压百分比。

表1　压缩机起动过程阻力矩

2起动时间计算

同步电动机起动时间计算过程如下

(1)压缩机组总飞轮转矩GD2=120 000kg·m2

(2)额定转速n=300r/min

(3)电动机牵入转矩倍数Mqr=0.80

(4)起动过程平均阻力矩倍数Mc=0.30

(5)起动时间估算

全电压约为7s。

3起动时阻尼绕组的起动温升估算(叠片磁极结构)

(1)起动时阻尼笼中产生的热量A2,单位(J)

=21135029

(2)阻尼条计算常数

式中，CB—阻尼条比电阻系数；lB—阻尼条长，单位(mm)；Z2—每极阻尼条数；qB—阻尼条截面积，单位(mm2)。

(3)阻尼环计算常数

式中，CK—阻尼环材料；DK—阻尼环平均直径，单位(mm)； P—极对数；qK—阻尼环的截面积，单位(mm2)。

(4)阻尼条总体积VB

VB=2p×Z2×lB×qB

=2×10×9×1050×254.4

=48081600mm3

(5)阻尼环总体积VK

VK=2π×DK×qK

=2π×2701×4000

=67849120mm3

(6)阻尼条估算温升θB

=136℃

式中，KB—阻尼条材料的比热，KB=380;γB—阻尼条材料的密度，γB=8.45。

(7)阻尼环估算温升θK

=0.6℃

式中，KK—阻尼环材料的比热，紫铜KK=390; γK—阻尼环材料的密度，紫铜γK=8.9。

4采用有限元法对起动过程的仿真计算

随着有限元计算软件的应用，对同步电动机的起动过程的分析计算更为直观，下面以TZYW/TAW10000-20/3250正压外壳型/增安型无刷励磁同步电动机为例，展示对电机起动过程一些分析。

电机采用全电压起动，起动时间为6s，起动时间曲线见图1；起动转矩曲线见图2；起动时平均转矩为334.15kN·m(折算成起动转矩倍数约为1.05)，起动电流曲线见图3，起动时平均电流为2870A(折算成起动电流倍数为4.34)。

(起动时平均转矩为334.15kN·m，折算成起动转矩倍数约为1.05，协议要求0.6倍)

(起动时平均电流为2870A，折算成起动电流倍数为4.34 )

通过有限元的仿真分析，电机起动时的几项性能参数更加直观，确保电机的起动性能能满足负载的需求，电机的起动能力合格。

5结语

本文通过应用理论计算与有限元法对驱动往复式压缩机的同步电动机的起动计算进行了简单介绍，为我国大型装备国产化提供了一定的技术积累。随着石化行业的高速发展，装备大型化的需求越来越多，为确保产品的起动过程的可靠性，在产品设计初期进行相应的理论计算及有限元分析越来越重要。希望通过本文的介绍，使大家对同步电动机的起动计算有进一步的了解，同时也为促进大型装备国产化发展，拓展国际高端大型电机市场提供具有重要价值的计算方法。

参考文献

[1]李幼倩，韩君强.现代新型增安型无刷励磁同步电动机的设计及应用.北京：机械工业出版社，2009.

[2]杨万青，陈兴卫.电机实用设计技术.北京：机械工业出版社，2014.

[3]张东宇，张胜男.永磁直驱同步风力发电机电磁设计及仿真分析.防爆电机，2014.3.

[4]戴志立，彭晓，李漠发.直驱永磁同步风力发电机空载短路分析.防爆电机，2014.6.

[5]程小华.同步发电机各特性命名之异议.防爆电机，2015.4.

Starting Calculation of Synchronous Motor for Driving

Reciprocating Compressor

LiRuiandQiaoLina

(National Engineering Research Center of Explosion-Proof Electric Machine, Jiamusi 154002, China)

AbstractTaking a pressurized enclosure/increased-safety brushless excitation synchronous motor for driving reciprocating compressor as an example, it is calculated and simulated in starting capability, starting time, starting damper winding temperature rise and other aspects by combining theoretical calculation and finite-element method and on the basis of corresponding boundary conditions. By analyzing the calculated result, some beneficial conclusions are given, and it can lay the foundation of starting calculation of synchronous motor for driving reciprocating compressor.

Key wordsReciprocating compressor；synchronous motor；starting calculation；finite-element method

收稿日期：2015-09-14

作者简介：历锐 男1982年生；毕业于黑龙江八一农垦大学机械设计制造及其自动化专业，现从事电机设计研发工作.

中图分类号：TM341

文献标识码：A

文章编号：1008-7281(2016)01-0032-003

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.01.09