汽电双驱高压大容量三相异步电机的研制

李洪森，李小丽，苗青豪，张立伟

(卧龙电气南阳防爆集团股份有限公司，河南南阳473008)

汽电双驱高压大容量三相异步电机的研制

李洪森，李小丽，苗青豪，张立伟

(卧龙电气南阳防爆集团股份有限公司，河南南阳473008)

介绍了汽电双驱高压大容量三相异步电机的研制情况。阐述了该电机在不同工况下的电动-发电原理，提供一种新型节能环保“汽电双驱”引风机方案用高效节能环保电机产品, 该产品有广阔的市场前景。

汽电双驱；高压三相异步电动-发电机；高效节能

0 引言

YFKS系列汽电双驱高压大容量三相异步电机 (包括电动机、发电机 ), 在系统中起到机械能和电能相互平衡的动态调节角色, 其大大提高了系统效率, 符合国家节能环保的推广政策。

1 项目简述

1.1 项目研制背景

2016年，研制了电力市场常规燃煤机“超低排放”工程用YFKS系列高压大容量三相异步电机。该异步电机主要用在电力行业小汽机和电动机联合驱动的引风机机组上(简称汽电双驱)，是我公司为满足该行业发展需要而专门研制的高新技术产品。

电站锅炉一般配置三大风机：包括送风机、引风机、一次风机等。型式有离心式或轴流式，一般大型电站锅炉配用轴流式风机，轴流式风机需要通过一根长度较大的传扭中间轴穿过烟(风)道与驱动设备相连接，驱动设备一般为电机，大功率风机也常常采用小汽轮机驱动。出于简化系统和提高效率的考虑，电站锅炉引风机趋向采用引增合一的方式，即取消增压风机，由引风机单独承担，尤其近来火电厂实施环保超低排放标准以来，由于烟风系统阻力增加，600MW 及以上容量机组的引风机功率增加较多，且采用小汽轮机直接驱动的方式存在效率偏低的问题，而采用汽电双驱动可以很好的解决这个问题，该方法可减少厂用电耗能、增加机组的净供电量、提高电厂的收益。

我公司研制的高压异步电动-发电机的功率范围为3000～ 25000kW, 额定电压为 6kV或10kV, 具有重载起动功能；同时, 这类产品还具有过载能力大、不需直流励磁、结构简单、维修方便、可靠性高等特点。

1.2 汽电双驱引风机组配置方案

起动时,异步电动-发电机直接带动引风机工作，小汽机和异步电动-发电机经变速离合器分离。小汽机在辅汽作用下完成暖机，等小汽机达到变速离合器设定转速时，变速离合器自动使小汽机与异步电动发电机啮合，由小汽机带动异步电动-发电机和引风机运行，异步电动-发电机在超过同步转速后转为发电机运行状态。要求变速离合器不光有变速功能,还要求有自动投入、退出功能。系统连接顺序为：小汽轮机→变速离合器(离合器+减速箱)→异步电动-发电机→引风机(如图1所示)。

图1 系统连接顺序图

1.3 异步电动-发电机在整个系统中作用

汽能量不够时，电机作异步电动机运行，向风机补充机械能，满足系统工艺所需风量要求；汽能量过剩时，汽机运行速度增大，电机转速超过同步转速后作发电机运行，消耗掉汽机送给风机后多余的机械能，向电网反馈电能。异步电动-发电机在整个系统中起到系统机械能和电能相互平衡的动态调节角色。

2 双驱异步电机特点

目前, 该汽电双驱异步电机的研制已取得显著成效, 电力市场国内首台套汽电双驱机组用异步电动-发电机已连续可靠运行近一年,已经各种工况验证考验，具有创新性、先进性和可靠性。

2.1 创新性

(1) 新型的机组布置及电机工作调节方式：汽电双驱机组布置方式为国内首创，异步电动-发电机在整个系统中起系统机械能和电能相互平衡的动态调节角色，提高了系统效率，使整个系统始终高效节能运行。

(2) 攻克了汽电双驱机组引风机的重载起动难题。引风机的飞轮力矩在 60～80t.m2, 要在很短的时间内将几十吨负载力矩拖动到额定转速, 是个很大的系统难题。技术人员利用微积分及热力学理论, 验证出了一套电机起动过程的发热与时间计算方法。对电机起动过程进行计算后，通过调整转子槽型、导条电阻率、转子有效材料、定子线规和匝数、绕组端部尺寸充分考虑、平衡，找到最佳的工作点，同时把电机磁密、电密、热负荷、起动转矩控制在合理范围内，优化通风散热结构, 解决了机组系统重载起动的难题。

(3) 解决了大容量电机“发热与散热”的问题。该类电机发热在 200～500 kW 左右。如何减少发热和扩大散热是电机研制的关键难题。运用美国 Ansoft电磁分析软件对电、磁性能进行稳态和暂态分析, 并运用美国西屋公司的风量及稳态与暂态温升计算软件对电机的热态状况进行分析、优化设计, 完全掌握了大容量电机的“发热与散热 ”解决方法。该方法属于国内领先技术。

(4)大容量电机高扭矩特性的设计, 满足大惯量负载的起动要求。电磁方案在控制发热指标的前提下尽可能地提高起动转矩。结构上从电动机的安全与受力出发, 对转轴的机械强度、轴承承载与寿命、机座钢度、绝缘电气强度、转子导条温度、电机空载和负载起动时间等进行了多方位的计算。

(5)采用电机强度分析技术分析起动过程。在结构上, 采用特殊的转子槽形及特殊的导条配合方式, 运用美国 ANSYS结构分析软件, 对高扭矩特性下定转子的热应力、离心力、磁拉力等复合应力进行分析, 尤其是对导条与端环焊接部位强度的分析。结果表明其完全适应高扭矩电机起动对结构强度的要求。

(6) 电机内风路流场仿真分析： 电机用风扇设计采用国际上最具权威的三元流动理论(国际上称吴氏理论)进行气动设计，并结合CFD流体分析技术，使风扇具有气动性能优良、效率高、振动小、噪声低、高效区域广的特点(见图2、图3)。

图2 电机用风扇速度流线图

图3 电机用风扇静压分布云图

(7) 折弯式低振动主体结构设计：定、转子铁心与机座和轴采用过盈配合热套结构，机座侧板采用折弯结构，增加定子支撑强度，减小了风路风阻, 且外观造型美观。

2.2 先进性

(1)理念先进：对于交流三相异步电机来说, 本身有一个固有的机械电气特性: 当电机的额定转速低于同步转速时, 电机做电动机运行；当电机的额定转速等于同步转速时, 电机不做功；当电机的额定转速高于同步转速时,电机做发电机运行。

(2) 设计手段先进：该产品采用电机强度分析技术,分析了电机在起动时的热应力、离心力、磁拉力等复合应力作用于转子导条尤其是作用于导条与端环焊接部位的强度；采用了弯曲振动模拟系统进行振动分析；运用流场分析, 使空气冷热交换器的结构优化, 风阻最小,以确保冷却能力。

(3) 防护等级高：该系列电机采用箱式结构，端盖式轴承，内外风路自成一体，能够严格达到IP55的防护要求，保证电机内部不受外部物资污染，提高了运行稳定性和维护周期。防护等级高，有效解决了由于电动机使用现场灰尘多、潮湿带来的定转子绝缘损伤问题，保证电机连续可靠运行，减少维护时间、使用寿命长。

(4) 安装、维护方便：电机带有齐全的监控装置，除常规定子测温、轴承测温、漏水监控仪、差动保护、避雷器等，针对异步电机-发电机存在电动与发电工况下的切换与运行，采取了相应过压、过流、过速等检测保护装置。能够满足用户对电机的全天候监控。

主机和大型零部件上均设置了专用吊装孔，为零部件制造、运输和现场装配和维修提供了便利。

主机与底座、球面滑动轴承与端盖、端盖与定子之间的连接均采用螺栓把紧、定位销定位结构。因此，该电机零部件安装具有良好的复位精度，现场安装、调试和检修省时省力。

主机与底座之间设置有可更换调整垫片，且四周配备有调整装置和起拔用螺钉，方便用户现场安装找正。

根据用户现场安装条件和电机结构特点，设计制造了专用工装(包括调整工具和拆检工具等)，方便用户现场安装、维护和检修。

电机出厂时已确定电机磁力中心线位置，并将数据标记在专用铭牌上，方便用户现场装配，并确保电机安全可靠运行。

(5) 性能指标先进。表1列出了国内某电厂首台套已投产YFKS 900-8 5800kW 10kV异步电动-发电机设计值、协议值、标准值及试验值。

表1 试验结果

从表1可知，效率实测为96.8%(达到国家二级能效),高出技术协议 0.5%；功率因数实测为0.91, 高出技术协议0.04；堵转电流倍数实测为5.7, 低于技术协议0.3；堵转转矩倍数实测为1.1, 高出技术协议0.5；最大转矩倍数实测为2.7, 高出技术协议0.9；实测振动值为0.4mm/s, 仅是技术协议17.4% ；实测噪声值与技术协议相比低了3dB(A)。由此可见, 其性能指标高于国家标准，比技术协议指标先进。某电厂已投产YFKS 900-8 5800kW 10kV电机设计值、协议值、标准值及试验值。

经过对比可得出如下结论: 我公司的异步电动-发电机性能指标优于现有国家标准GB /T 13957《大型三相异步电动机基本系列技术条件》中相关参数的规定, 与国内同行业相比具有自身的优势, 产品性能接近或优于国外同类产品。

2.3 可靠性

通过现场运行及我公司多个规格试制情况表明：该类电机性能优异、振动小、噪声低、运行稳定、可靠性高。同时该产品的研制具备健全的质量保证体系。如针对关键工艺完成了先行试验, 对电机的主体框架材料和焊缝进行了探伤, 电动机设有常规定子测温、轴承测温、漏水监控仪、差动保护、避雷器等，针对异步电动-发电机存在电动与发电工况下的切换与运行，相应采取了相应过压 、过流、过速等检测保护装置,从而可靠保证产品质量和运行质量。

3 效益分析及推广应用前景

(1) 企业效益：该类电机实现当年研发, 当年投产, 当年见效。截止目前, 实现该类异步电动-发电机销售收入2000多万元, 且市场需求大有趋于增强之势。

(2) 用户效益：该异步电动-发电机运行时, 可将系统富余的机械能转化为电能，根据业主提供的实际运行数据，机组年发电利用小时数为5000h，按发电量约为额定功率的50%，以 5800kW 电机为例,电价以0.36元/kWh计, 年发电产值为522万元, 不到半年就能收回电机的全部投资。

(3) 社会效益:节能环保，“能源与污染”是全球面临的共性问题，“能源回收再利用”是国家重点扶持的节能项目。该异步电动-发电机实现了机组机械能和电能相互平衡的动态调节角色, 大大提高了系统效率, 符合目前世界环保和节能的大格局。

(4)市场需求情况：因异步电动-发电机具有投资小、结构简单、无励磁、维修方便、可靠性高等优势，且在系统中起到机械能和电能相互平衡的动态调节角色, 大大提高了系统效率,作为电力、石化市场高效节能项目用电机，是一个新的发展方向及经济增长点，符合国家高效节能环保推广政策，该产品有广阔的推广应用前景。

4 结语

YFKS系列汽电双驱高压大容量三相异步电机产品的开发, 旨在提供一种高效节能高压大容量三相异步电机，提升机组系统效率，拓宽电机使用范围并提高我国高压电机的生产制造水平。

[1] 汤蕴璆.电机学[M].北京：机械工业出版社，2014.

[2] 陆安定.电动机节能改造实用手册.上海：上海科学技术出版社，1995.

[3] 于平义，仵均科.异步发电机[J].设计与研究，2005.04.013.

[4] 陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，2000.

[5] 杨顺昌.并网运行的异步发电机设计中几个问题的探讨[J].电工技术，1991.

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Development of Vapor-and Electric-Drive Three-Phase AsynchronousGenerator with Large Capacity and High Voltage

LiHongsen,LiXiaoli,MiaoQinghao,andZhangLiwei

(Wolong Electric Nanyang Explosion Protection Group Co., Ltd., Nanyang 473008, China)

This paper introduces the development situation of vapor-and electric-drive three-phase asynchronous motor-generator with large capacity and high voltage produced by Nanyang Explosion Protection Group Co., Ltd., and describes its principle at different operating conditions of motor and generator. A high-efficiency energy-saving environment-friendly electric machine for a new type of energy-saving environment-friendly induced draft fan with “vapor- and electric-drive” is provided. It has a wide application prospect.

Vapor-and electric-drive；high-voltage three-phase asynchronous motor-generator；high efficiency and energy saving

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.02.05

TM343+.1

A

1008-7281(2017)02-0015-004

李洪森 男 1982年生；毕业于太原理工大学电气工程及其自动化专业，现从事高压电动机的设计与开发等工作.

2016-12-26