大惯量风机用三相异步电动机的设计

2020-12-23徐群

上海大中型电机 2020年4期

徐群

(上海交通大学，上海 200240)

0 引言

烟气再循环风机是电厂常见设备，因其转动惯量大，因此要求拖动旋转的电动机转动惯量也要很大。由于负载转动惯量大，电动机的起动时间较长，同时起动电流也较大，导致起动过程中转子发热比较严重。

某电厂用烟气再循环风机，转动惯量J=1 642 kg·m2(GD2=6 568 kg·m2)，风机关闭风门常温起动，阻力矩为3 365 N·m，阻力矩较大，阻力矩曲线见图1。此风机选用三相异步电动机拖动，通过负载所需力矩，初步计算出拖动负载的电动机额定功率为800 kW，同时额定电压为6 kV，极数为6P。工程要求电机直接起动，且在100%和95%额定电压下起动时，起动电流均小于6.5倍。因为电动机的起动时间与堵转转矩呈减量关系，堵转转矩与堵转电流呈增量关系。所以通常这么大的转动惯量和阻力矩，电动机需采用变频起动或液力耦合器起动。

图1 风机阻力矩曲线

1 电磁设计

1.1 电动机额定功率的确定

烟气再循环风机的转动惯量J=1 642 kg·m2，相当大。为了保证电机能拖动该风机，必须核算电动机的额定功率。

按照IEC标准，电动机能拖动的负载的转动惯量J满足如下公式：

J=0.04×Pn0.9×p2.5

(1)

式中：Pn表示电动机的额定功率；p表示极对数。

电机能拖动的负载的转动惯量

J极限=6J

(2)

根据公式(1)，可算出额定功率为800 kW的6P电机，能拖动的负载转动惯量J=0.04×8000.9×32.5=255.65 kg·m2。

根据公式(2)，额定功率为800 kW的6P电动机能拖动的极限负载转动惯量J极限=6J=6×255.65=1 533.9 kg·m2，此值远小于该风机的转动惯量1 642 kg·m2。显然，额定功率为800 kW电动机拖不动J=1 642 kg·m2的风机。因此，为了能拖动此风机，必须增大电动机的额定功率。

将电动机的额定功率增大至1 000 kW，重新计算该功率下电动机能拖动的负载转动惯量J=0.04×1 0000.9×32.5=312.5 kg·m2，极限负载转动惯量J极限=6J=6×312.5=1 875 kg·m2，此值已大于该风机的转动惯量1 642 kg·m2。故电动机的额定功率选为1 000 kW。

1.2 定转子冲片三圆尺寸的确定

烟气再循环风机的转动惯量很大，要提高起动性能，需加深转子槽型。转子槽型加深后，转子冲片轭部变小，则轭部磁密太大，故需要增大转子冲片外径。

YB2-560 6P电机转子的标准外径为φ614.4 mm，现将其增大40 mm至φ654.4 mm，同时保证定转子气隙不变(定子内径也作相应变化)；同时轴的外径也相应增大，轴伸尺寸由φ140 mm放大至φ150 mm，轴上铁心档处的外径由φ240 mm放大至φ260 mm。该电机的定转子冲片三圆与标准电机的尺寸对比见表1。

表1 定转子冲片三圆尺寸对比单位：mm

1.3 转子槽型尺寸及导条材质的确定

负载风机的转动惯量大，导致电动机起动时间长，最终导致起动过程中转子发热问题尤为突出。由于负载转动惯量太大，为了满足起动要求，放大电机功率至1 000 kW，同时更换转子导条材质，加深转子槽，以提高起动性能。

转子采用矩形槽，更改前后的转子槽型见图2。

图2 转子槽型

(1) 加深转子槽，提高起动转矩

鼠笼转子电动机在起动时，转子导条内会产生集肤效应，集肤效应使槽内导体有效高度减小，相当于导条的有效截面积减小，使转子的有效电阻增大，起动时产生较大的起动转矩。转子槽形越深，集肤效应就越显著，越能提高起动转矩。对于该大转动惯量风机用电动机，转子槽加深，由原来的50.2 mm×6.5 mm变为63.2 mm×7.3 mm，来提高集肤效应，进而提高起动转矩。

(2) 选用高电阻率的导条，提高起动转矩

(3) 缩小转子槽口，降低起动电流

1.4 电磁参数及性能

电动机的基本参数最终确定为：额定功率为1 000 kW，额定电压为6 000 V，极数为6P。通过软件计算电机的电磁参数见表2。

表2 YB2-560-6 1 000 kW 6 000 V电磁参数

电动机的技术参数如下

电机型号：YB2-560-6 安装方式：IM1001

功率：1 000 kW 防护等级：IP55

电压：6 000 V 绝缘等级：F

频率：50 Hz 温升：B级考核

效率：96.0% 冷却方式：IC411

功率因数：0.854 最大转矩倍数：2.51

堵转电流倍数：6.06 堵转转矩倍数：0.95

由于起动电流Ist与电压的平方(U2)成正比，在95%额定电压下起动时，起动电流倍数为5.49，小于6.5，满足客户要求。

1.5 电动机性能曲线

根据电磁设计方案，可以画出电机的性能曲线图，分别有电机效率-输出功率曲线(见图3)、功率因数-输出功率曲线(见图4)、起动电流-转速曲线(见图5)、热容量曲线(见图6)。

图3 电机效率-输出功率曲线

图4 功率因数-输出功率曲线

图5 起动电流-转速曲线

图6 热容量曲线

电机效率-输出功率曲线反应了电动机在不同功率下运行的效率情况；功率因数-输出功率曲线表示电动机在不同功率下运行的功率因数情况；起动电流-转速曲线表示电动机起动过程中不同转速下对应的起动电流大小；电动机的热容量是指电机从冷态开始，在转子堵转电流水平下运行的最大时间，其曲线能反应不同堵转电流下电动机的最大全压起动时间。

2 结构设计

电动机采用IC411冷却方式，有两个独立冷却风路(内风路和外风路)见图7。电机的大部分热量由定子产生，这些热量通过定子铁心传递给机座，其余热量通过内风路的循环也传递给机座，传递到机座上的所有热量再通过外风路风扇吹机座表面将其带走。

图7 冷却风路

2.1 定子

定子铁心与机座采用过盈配合，通过热套方式进行装配。机座(见图8)采用铸铁HT250材质，机座的外表面及两侧内表面布满散热筋，在左右45°方向共有四个轴向通风道。电机的各出线盒安装在电机左右45°侧上方通风道处，不影响散热面积及冷却风的流动。机座上的密布的散热筋使其有足够的散热面积，进而保证机座有足够的散热能力。

图8 机座

2.2 转子

2.2.1 转轴

轴伸尺寸由φ140 mm放大至φ150 mm，轴上铁心档处的外径由φ240 mm放大至φ260 mm；同时，转子冲片外径由φ614.4 mm放大至φ654.4 mm，以提高转子的转动惯量。转子采用光轴，转轴材质选用45#钢。

2.2.2 转子临界转速和挠度计算

本电机为6极，其转子采用刚性轴。一般而言，刚性转子的临界转速不小于电机额定转速的125%。通过软件计算，该电机在考虑单边磁拉力情况下的第一临界转速为2 974 r/min，大于电机额定转速的1.25倍(994 r/min×1.25=1 242.5 r/min)，转子临界转速满足要求。同时，在考虑单边磁拉力情况下计算出的转子变形量为0.16 mm，挠度值为5.8%，小于气隙的10%，转子挠度的设计值满足要求。

2.2.3 风扇

本电机内、外风扇均为径向离心式风扇，内风扇材质为铸铝合金，外风扇为钢板焊接件。在保证冷却效果的前提下，内、外风扇的结构均采用流线型设计，这种设计既可以提高风扇的效率，又可以降低风扇的噪声。