正压外壳型无刷双馈同步电动机的研制

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(1佳木斯大学，黑龙江佳木斯 154000； 2佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯 154002)

0 引言

风机和水泵在实际应用中数量众多，分布面极广，耗电量巨大。据有关部门的统计，全国风机、水泵电动机装机总容量约40000MW，耗电量约占全国电力消耗总量的40%左右。目前，靠节流调节变负荷运行的定速风机和水泵还有很大的节电潜力，其潜力挖掘的焦点是提高风机和水泵的运行效率。

无刷双馈同步电动机变频调速系统是由高压无刷双馈同步电动机和低压变频器组成，电机定子功率绕组分别由高压工频电源和低压变频电源两路供电，通过调节低压电源频率来改变电机转速，可实现低压变频调速装置控制高压电动(发电)机，小容量变频调速装置控制大容量电动机的效果。特别适用于调速范围50%以内的风机、水泵、压缩机等风机、泵用负载的变频节能应用，具有显著的成本优势和节能效果。

TZYWS 450-6 450kW正压外壳型无刷双馈电动机是高转速、大容量、空水冷却的大型正压外壳型无刷双馈电动机，也是目前国内最大容量的正压外壳型无刷双馈电动机，该产品用于某公司水务一循15#水泵，作为水泵的动力源。2015年11月，TZYWS 450-6 450kW正压外壳型无刷双馈电动机完成了总装合成与检验，并获得国家起重冶金及防爆电机质量监督检验中心发放的防爆合格证，并于2016年1月正式运行，至今运行平稳。

1 无刷双馈同步电动机变频调速系统原理

无刷双馈同步电动机变频调速系统:传统交流电动机变频调速系统中电动机变频电源完全由变频器提供，变频器承受电网电压并传输电动机所需的全部功率。而无刷双馈电动机变频调速系统中变频绕组只承担部分电功率，电动机所需的电功率大部分来自直接固定工频电源的电动机工频绕组，且无论工频绕组电压等级，变频绕组可通过特殊设计，实现低压供电，因此，无刷双馈电动机变频调速系统可由低压小功率变频器实现对高压容量电动机的变频调速控制。

变频控制系统是一种配套无刷双馈电动机运行的新型变频调速装置，该装置利用工频绕组和变频绕组所产生的旋转磁场相互作用原理，通过同时检测无刷双馈电动机两套定子绕组的电压、电流，并进行傅立叶分解和矢量运算，对变频绕组进行变频变压控制，进而实现变频调速运行。无刷双馈电动机有两套定子绕组，分别提供不同电压、不同频率的工作电源，其输出转速满足

式中，fp—工频绕组频率；fc—变频绕组频率；Pp—工频绕组极对数；Pc—变频绕组极对数。

定义fp和fc均为+50Hz时，电动机的理想转速为额定转速，当fp为50Hz，fc为0Hz时，电动机的理想转速为自然同步转速，那么当fc为负频率时，电动机运行在次同步速状态，fc为正频率时电动机运行在超同步速，由无刷双馈电动机的特性决定，当fc为正频率时，同变频绕组向电网吸收功率，当fc为负频率时变频绕组向电网输送功率，可见只有在超同步速运行时，电动机才具有高效特性，也就是从50%到100%额定转速的调速范围内，其电功率分别从工频绕组和变频绕组向电动机输送，效率很高。

2 电动机性能指标

型号名称：TZYWS 450-6 450kW 正压外壳型无刷双馈同步电动机

额定功率：450kW

额定转速：990r/min

满载效率：94%

相数：3

工频绕组额定电压：6kV

工频绕组额定电流：40A

工频绕组额定频率：50Hz

工频绕组额定功率因素：0.88

变频绕组额定电压：380V

变频绕组额定电流：290A

变频绕组额定频率：16Hz

变频绕组额定功率因素：0.8

热分级：155级

安装方式：IMB20

冷却方式：IC81W

旋转方向：逆时针(从电机轴伸端看)

工作制：S1

使用环境：WF1

防爆标志：ExepzIICT3

防护等级：IP54

调速范围：750r/min～990r/min

3 设计方案

3.1 电磁设计

3.1.1 冲片设计方案

本方案电机的冲片三圆为800/555/270，气隙1.5，槽配合72/96，由于槽形特殊，需重新开模具及装压胎具，冲片材质选用50W350。定、转子槽形如图1所示。

图1定、转子槽形

3.1.2 定子绕组方案

定子两套绕组，分功率绕组和变频绕组。定子功率绕组绝缘结构采用我公司正常的6kV少胶绝缘结构，主绝缘厚度3，匝间绝缘0.4，变频绕组主绝缘厚度1，匝间绝缘0.4。具体数值见表1。

表1 定子绕组参数表

两套绕组接线顺序如图2、图3所示。

图2功率绕组(2极)接线图

图3变频绕组(6极)接线图

3.1.3 转子绕组方案

转子绕组为散绕结构，分4种线圈。转子线圈参数见表2。

表2 转子线圈参数表

转子绕组接线顺序见图4，转子接线图见图5。

图4转子绕组接线顺序

图5转子接线图

3.2 结构设计

TZYWS 450-6 450kW 正压外壳型无刷双馈同步电动机，电机的安装方式IMB20, 冷却方式为IC81W，防护等级IP55，接线盒防护等级为IP55，采用滚动轴承。无刷双馈同步电动机整体结构采用中型异步电动机方箱2代的结构设计，此种结构不仅结构强度好、美观大方，而且我公司具备大量的生产制造经验、生产成本较低。风路采用混流式通风结构，采用上水冷冷却器，使电机风路合理，散热良好。具体结构图见图6。

图6电机结构图

3.2.1 定子结构

定子主要由机座、定子铁心、定子线圈等部件组成，定子具有两套相互独立的绕组，一套绕组为高压绕组，额定电压为6kV，位于定子槽的下层，另一套绕组为低压绕组，额定电压为380V，位于定子槽的上层。两套绕组均为成型线圈，下线方式采用单层叠绕组的形式，两套绕组分别引入独立的接线盒如图7所示。

图7定子示意图

机座起着固定、支撑、保护定子铁心、定子绕组的作用，同时还构成电动机通风循环回路，因此，机座采用优质钢板焊接成一个牢固的整体，侧板采用弯折结构，增强强度、减少焊接量。定子铁心利用通风槽板形成径向风路，减少漏磁通、加大气隙通风、提高效率、降低温升。机座两侧装有防潮加热器，电源380V、50Hz，功率400W。

3.2.2 转子结构

转子主要由转轴、风扇、转子线圈等零部件组成。转轴为焊筋轴，轴伸端安装离心式风扇，非轴伸端安装平衡环，TZYWS 450-6 450kW正压外壳型无刷双馈同步电动机转子线圈为散线形式，共有5种不同的线圈，线圈匝数节距均不同，经过连接形成四套闭合的线圈组，下线后端部用无纬带绑扎后浸漆固定。转子示意图如图8所示。

图8转子示意图

3.2.3 正压设计

电动机内部布设吹扫管道，正压外壳型电机要求起动前能对电机内部吹扫干净，不留死角、电机在运行时电机内部最小压力差大于50Pa(标准考核值)、150Pa(控制装置高于报警值或连锁停机值)通过实验, 合理布置吹扫管路，保证吹扫时无死角，并找到电机运行时最小压力点，确保电机的防爆性能。

在电机运行前，为了防止电机内部存在可燃气体，需要换气吹扫，该系统由排气阀和控制单元组成，通过气压控制，可自动调节进气量:排气阀设在冷却器上部，制单元安装在机座侧板上，干燥清洁的仪表风通过控制单元，进入机座底板上的两条管道，管道上分布有排气孔，仪表风从排气孔排出后均匀地分布在电机下部，这样就避免了电机内部留有死角，防止危险气体的残留。当电机内部气压达到一定压力后，排气阀自动打开开始排气，逐渐达到进排气平衡，当换气量达到电机内腔体积的5倍左右时，关闭气源换气结束。当电机运行时换气装置进行通风补偿，使电机内部气压大于外部气压，有效防止可燃性气体的进入。TZYWS 450-6 450kW 正压外壳型无刷双馈同步电动机选用我公司自主研发生产的JDCT-6000(P)型正压装置。

本电机吹扫正压参数经试验，数据如下

(1)电动机吹扫数据

吹扫气体：惰性气体、干燥空气

电机内部净体积：6m3

吹扫时间：20min

吹扫流速：1500NL/min

(2)电动机正压运行参数

内部压力值：1000Pa

低压报警值：150Pa

中压报警值：500Pa

高压报警值：3000Pa

泄漏补偿值：500NL/min

4 研制过程中的问题及解决方案

4.1 转子

电动机试验时转子线圈损坏，具体情况及原因如下：起动时盘车，接通电源，电压升至2000V～3000V左右转子起动，起动电流达80A左右，电机起动后正常运转，但是有烧焦的味道，电机顶部有烟雾吹出。

拆机检查定子未发现问题。转子轴伸端(接线端)发现一处烧黑的痕迹，拆开转子接线，发现一组转子线圈端部靠近接线处大面积烧黑。测量绝缘电阻，6组线圈中有5组对地绝缘电阻为零。继续切开线圈端部，发现有2支线圈端部匝间短路，绝缘烧毁。转子共有6个极相组，经检测有五组线圈中，底层线圈均有一支线圈破压，位置均在槽底部第一层，槽口出线处无损伤。

通过对烧毁线圈的分析，认为在转子线圈制造过程中，转子线圈绝缘薄弱，转子两套绕组之间发生短接，而此无刷双馈电机运行原理较为特殊，转子绕组由两套绕组经特殊设计变形得到，两套绕组一旦发生短接，会产生过电流，持续的过电流导致转子线圈温升过高，造成线圈绝缘烧毁。

而后我公司对工艺进行了改进，降低了转子线圈制造难度，重新制造转子时，我公司总结经验教训，为避免上述事故的再次发生，对生产过程的各个环节严格把关，并将容易产生问题的线圈更改形式，将最外层的线圈组由叠绕组改为同心式绕组，减少线圈交叉部分，并降低了端部高度，从而降低了线圈绝缘损坏的风险。

当电机再次装配完成，进行试验时，电机多次起动，没有再次发生故障，确定可靠运行。

4.2 变频控制系统

无刷双馈系统试验时，当系统处于异步切同步过程中发生IGBT爆炸。爆炸发生前工频绕组的电流不稳定，说明同步不成功，电机没有进入同步运行状态。爆炸发生在工频绕组电流快速增加的过程中，明显听到多次爆炸声，而且爆炸声能明显听出间隔，间隔时间在百毫秒以上。同时爆炸声音非常大。

变频装置中的三相全桥9只IGBT模块全部严重炸毁，18个IGBT单管都有明显的损伤，属于严重过电流炸毁，瞬间电流高达数千安培以上。耗能部分IGBT严重炸毁，而且是上下桥臂两个IGBT单管都有明显的损伤。三路9只输入整流二极管，7只正常，2只损坏，处于短路状态，外壳完好没有破损。直流母排严重损坏，多处母排与IGBT连接处铜牌融化。瞬间电流非常大。与IGBT直接连接的驱动小板严重损坏。以IGBT为中心周边全部被电弧灼伤，隔离板以外器件全部正常，主控板等所有PCB板均正常，没有发现任何故障。原因分析如下

(1)检查发现耗能部分IGBT驱动小板，上桥臂驱动G极没有短接。

(2)耗能IGBT上下桥臂直通没有保护措施。

(3)无刷双馈电机处于馈电状态，将使母线电压快速升高，母线过压硬件保护功能也处于失效状态。

(4)无刷双馈变频装置的全桥的输出接在变频绕组上由于只是工频绕组输入了6kV的高压电源，因此相对于全桥电路来说有无穷大的能量直到全部炸毁。

经我公司总结经验，对变频方案进行改进，当电机再次装配完成，进行试验时，电机多次起动，没有再次发生故障，确定可靠运行。

5 产品性能测试、防爆检验

5.1 产品性能测试

TZYWS 450-6 450kW 正压外壳型无刷双馈同步电动机主要性能见表3。

表3 正压外壳型无刷双馈同步电动机主要性能

从试验性能可以看出，该电机具备效率高、功率因数高、振动小、噪声低等优良性能，且变频启动，通过V-F控制，无需考虑起动电流及起动转矩等问题。

5.2 防爆检验

防爆电机在性能合格的同时，防爆安全检查也是关键部分。我们委托国家起重冶金及防爆电机质量监督检验中心对该电动机进行了防爆安全检查。通过了产品图纸、技术文件检查，并对电动机样机进行了最高正压、最低正压检查，以及泄漏试验、换气和稀释试验、控制装置可靠性试验等全面检测。结果表明各项性能指标全部合格，并取得了防爆合格证，防爆标志：ExepzIICT3 Gc。

6 结语

我公司此次生产的TZYWS 450-6 450kW 正压外壳型无刷双馈同步电动机，由于其品质高、性能好、运行稳定、节能效果显著，现已具备国内首创、国际领先水平。实践证明，该系列产品具有显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，同时还大大减少了设备维护、维修费用，另外能很好地改善功率因数，也可以为电网节约容量。直接和间接经济效益十分明显。目前该系列产品正逐渐替代普通变频类产品推向市场。

[1] 王雪帆.一种转子绕组采用变极法设计的新型无刷双馈电机.中国电机工程学报，2003.

[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] 邓先明，姜建国.无刷双馈电机的工作原理及电磁设计[J]. 中国电机工程学报，2003.

[4] 熊飞，王雪帆，张经纬，等.无刷双馈电机的小信号模型稳定性分析.中国电机工程学报，2009.

[5] 邓先明，姜建国，方荣惠.笼型转子无刷双馈电机的电磁分析和等效电路[J]. 电工技术学报，2005.

[6] 邓先明，姜建国，伍小杰，等.笼型转子无刷双馈电机的无功功率和稳定性.电工技术学报，2008.