徐 群

(上海交通大學(xué)，上海 200240)

0 引言

煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)是電廠(chǎng)常見(jiàn)設(shè)備，因其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，因此要求拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也要很大。由于負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)起動(dòng)電流也較大，導(dǎo)致起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)子發(fā)熱比較嚴(yán)重。

某電廠(chǎng)用煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=1 642 kg·m2(GD2=6 568 kg·m2)，風(fēng)機(jī)關(guān)閉風(fēng)門(mén)常溫起動(dòng)，阻力矩為3 365 N·m，阻力矩較大，阻力矩曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。此風(fēng)機(jī)選用三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，通過(guò)負(fù)載所需力矩，初步計(jì)算出拖動(dòng)負(fù)載的電動(dòng)機(jī)額定功率為800 kW，同時(shí)額定電壓為6 kV，極數(shù)為6P。工程要求電機(jī)直接起動(dòng)，且在100%和95%額定電壓下起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流均小于6.5倍。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間與堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩呈減量關(guān)系，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與堵轉(zhuǎn)電流呈增量關(guān)系。所以通常這么大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻力矩，電動(dòng)機(jī)需采用變頻起動(dòng)或液力耦合器起動(dòng)。

圖1 風(fēng)機(jī)阻力矩曲線(xiàn)

1 電磁設(shè)計(jì)

1.1 電動(dòng)機(jī)額定功率的確定

煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=1 642 kg·m2，相當(dāng)大。為了保證電機(jī)能拖動(dòng)該風(fēng)機(jī)，必須核算電動(dòng)機(jī)的額定功率。

按照IEC標(biāo)準(zhǔn)，電動(dòng)機(jī)能拖動(dòng)的負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J滿(mǎn)足如下公式：

J=0.04×Pn0.9×p2.5

(1)

式中：Pn表示電動(dòng)機(jī)的額定功率；p表示極對(duì)數(shù)。

電機(jī)能拖動(dòng)的負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

J極限=6J

(2)

根據(jù)公式(1)，可算出額定功率為800 kW的6P電機(jī)，能拖動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.04×8000.9×32.5=255.65 kg·m2。

根據(jù)公式(2)，額定功率為800 kW的6P電動(dòng)機(jī)能拖動(dòng)的極限負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J極限=6J=6×255.65=1 533.9 kg·m2，此值遠(yuǎn)小于該風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1 642 kg·m2。顯然，額定功率為800 kW電動(dòng)機(jī)拖不動(dòng)J=1 642 kg·m2的風(fēng)機(jī)。因此，為了能拖動(dòng)此風(fēng)機(jī)，必須增大電動(dòng)機(jī)的額定功率。

將電動(dòng)機(jī)的額定功率增大至1 000 kW，重新計(jì)算該功率下電動(dòng)機(jī)能拖動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.04×1 0000.9×32.5=312.5 kg·m2，極限負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J極限=6J=6×312.5=1 875 kg·m2，此值已大于該風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1 642 kg·m2。故電動(dòng)機(jī)的額定功率選為1 000 kW。

1.2 定轉(zhuǎn)子沖片三圓尺寸的確定

煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，要提高起動(dòng)性能，需加深轉(zhuǎn)子槽型。轉(zhuǎn)子槽型加深后，轉(zhuǎn)子沖片軛部變小，則軛部磁密太大，故需要增大轉(zhuǎn)子沖片外徑。

YB2-560 6P電機(jī)轉(zhuǎn)子的標(biāo)準(zhǔn)外徑為φ614.4 mm，現(xiàn)將其增大40 mm至φ654.4 mm，同時(shí)保證定轉(zhuǎn)子氣隙不變(定子內(nèi)徑也作相應(yīng)變化)；同時(shí)軸的外徑也相應(yīng)增大，軸伸尺寸由φ140 mm放大至φ150 mm，軸上鐵心檔處的外徑由φ240 mm放大至φ260 mm。該電機(jī)的定轉(zhuǎn)子沖片三圓與標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)的尺寸對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 定轉(zhuǎn)子沖片三圓尺寸對(duì)比 單位：mm

1.3 轉(zhuǎn)子槽型尺寸及導(dǎo)條材質(zhì)的確定

負(fù)載風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，最終導(dǎo)致起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)子發(fā)熱問(wèn)題尤為突出。由于負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量太大，為了滿(mǎn)足起動(dòng)要求，放大電機(jī)功率至1 000 kW，同時(shí)更換轉(zhuǎn)子導(dǎo)條材質(zhì)，加深轉(zhuǎn)子槽，以提高起動(dòng)性能。

轉(zhuǎn)子采用矩形槽，更改前后的轉(zhuǎn)子槽型見(jiàn)圖2。

圖2 轉(zhuǎn)子槽型

(1) 加深轉(zhuǎn)子槽，提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

鼠籠轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條內(nèi)會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)，集膚效應(yīng)使槽內(nèi)導(dǎo)體有效高度減小，相當(dāng)于導(dǎo)條的有效截面積減小，使轉(zhuǎn)子的有效電阻增大，起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子槽形越深，集膚效應(yīng)就越顯著，越能提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。對(duì)于該大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量風(fēng)機(jī)用電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子槽加深，由原來(lái)的50.2 mm×6.5 mm變?yōu)?3.2 mm×7.3 mm，來(lái)提高集膚效應(yīng)，進(jìn)而提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

(2) 選用高電阻率的導(dǎo)條，提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

(3) 縮小轉(zhuǎn)子槽口，降低起動(dòng)電流

1.4 電磁參數(shù)及性能

電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)最終確定為：額定功率為1 000 kW，額定電壓為6 000 V，極數(shù)為6P。通過(guò)軟件計(jì)算電機(jī)的電磁參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 YB2-560-6 1 000 kW 6 000 V電磁參數(shù)

電動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下

電機(jī)型號(hào)：YB2-560-6 安裝方式：IM1001

功率：1 000 kW 防護(hù)等級(jí)：IP55

電壓：6 000 V 絕緣等級(jí)：F

頻率：50 Hz 溫升：B級(jí)考核

效率：96.0% 冷卻方式：IC411

功率因數(shù)：0.854 最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：2.51

堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)：6.06 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：0.95

由于起動(dòng)電流Ist與電壓的平方(U2)成正比，在95%額定電壓下起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流倍數(shù)為5.49，小于6.5，滿(mǎn)足客戶(hù)要求。

1.5 電動(dòng)機(jī)性能曲線(xiàn)

根據(jù)電磁設(shè)計(jì)方案，可以畫(huà)出電機(jī)的性能曲線(xiàn)圖，分別有電機(jī)效率-輸出功率曲線(xiàn)(見(jiàn)圖3)、功率因數(shù)-輸出功率曲線(xiàn)(見(jiàn)圖4)、起動(dòng)電流-轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)(見(jiàn)圖5)、熱容量曲線(xiàn)(見(jiàn)圖6)。

圖3 電機(jī)效率-輸出功率曲線(xiàn)

圖4 功率因數(shù)-輸出功率曲線(xiàn)

圖5 起動(dòng)電流-轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)

圖6 熱容量曲線(xiàn)

電機(jī)效率-輸出功率曲線(xiàn)反應(yīng)了電動(dòng)機(jī)在不同功率下運(yùn)行的效率情況；功率因數(shù)-輸出功率曲線(xiàn)表示電動(dòng)機(jī)在不同功率下運(yùn)行的功率因數(shù)情況；起動(dòng)電流-轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)表示電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中不同轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的起動(dòng)電流大小；電動(dòng)機(jī)的熱容量是指電機(jī)從冷態(tài)開(kāi)始，在轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)電流水平下運(yùn)行的最大時(shí)間，其曲線(xiàn)能反應(yīng)不同堵轉(zhuǎn)電流下電動(dòng)機(jī)的最大全壓起動(dòng)時(shí)間。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)采用IC411冷卻方式，有兩個(gè)獨(dú)立冷卻風(fēng)路(內(nèi)風(fēng)路和外風(fēng)路)見(jiàn)圖7。電機(jī)的大部分熱量由定子產(chǎn)生，這些熱量通過(guò)定子鐵心傳遞給機(jī)座，其余熱量通過(guò)內(nèi)風(fēng)路的循環(huán)也傳遞給機(jī)座，傳遞到機(jī)座上的所有熱量再通過(guò)外風(fēng)路風(fēng)扇吹機(jī)座表面將其帶走。

圖7 冷卻風(fēng)路

2.1 定子

定子鐵心與機(jī)座采用過(guò)盈配合，通過(guò)熱套方式進(jìn)行裝配。機(jī)座(見(jiàn)圖8)采用鑄鐵HT250材質(zhì)，機(jī)座的外表面及兩側(cè)內(nèi)表面布滿(mǎn)散熱筋，在左右45°方向共有四個(gè)軸向通風(fēng)道。電機(jī)的各出線(xiàn)盒安裝在電機(jī)左右45°側(cè)上方通風(fēng)道處，不影響散熱面積及冷卻風(fēng)的流動(dòng)。機(jī)座上的密布的散熱筋使其有足夠的散熱面積，進(jìn)而保證機(jī)座有足夠的散熱能力。

圖8 機(jī)座

2.2 轉(zhuǎn)子

2.2.1 轉(zhuǎn)軸

軸伸尺寸由φ140 mm放大至φ150 mm，軸上鐵心檔處的外徑由φ240 mm放大至φ260 mm；同時(shí)，轉(zhuǎn)子沖片外徑由φ614.4 mm放大至φ654.4 mm，以提高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。轉(zhuǎn)子采用光軸，轉(zhuǎn)軸材質(zhì)選用45#鋼。

2.2.2 轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速和撓度計(jì)算

本電機(jī)為6極，其轉(zhuǎn)子采用剛性軸。一般而言，剛性轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速不小于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的125%。通過(guò)軟件計(jì)算，該電機(jī)在考慮單邊磁拉力情況下的第一臨界轉(zhuǎn)速為2 974 r/min，大于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的1.25倍(994 r/min×1.25=1 242.5 r/min)，轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速滿(mǎn)足要求。同時(shí)，在考慮單邊磁拉力情況下計(jì)算出的轉(zhuǎn)子變形量為0.16 mm，撓度值為5.8%，小于氣隙的10%，轉(zhuǎn)子撓度的設(shè)計(jì)值滿(mǎn)足要求。

2.2.3 風(fēng)扇

本電機(jī)內(nèi)、外風(fēng)扇均為徑向離心式風(fēng)扇，內(nèi)風(fēng)扇材質(zhì)為鑄鋁合金，外風(fēng)扇為鋼板焊接件。在保證冷卻效果的前提下，內(nèi)、外風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)均采用流線(xiàn)型設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)既可以提高風(fēng)扇的效率，又可以降低風(fēng)扇的噪聲。

3 試驗(yàn)

電機(jī)試制完成后，順利進(jìn)行型式試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)的各項(xiàng)性能均較好，完全滿(mǎn)足客戶(hù)要求。電機(jī)的各項(xiàng)性能試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 電機(jī)各性能 試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值對(duì)比

電機(jī)各項(xiàng)性能試驗(yàn)值中效率和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩均在標(biāo)準(zhǔn)容差允許范圍內(nèi)，其余各項(xiàng)性能試驗(yàn)值均優(yōu)于設(shè)計(jì)值。其中，客戶(hù)最關(guān)心的起動(dòng)電流試驗(yàn)值為額定電流的5.87倍，遠(yuǎn)小于客戶(hù)要求的6.5倍。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行合理的電磁、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證了電機(jī)能拖動(dòng)大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量風(fēng)機(jī)負(fù)載。該電動(dòng)機(jī)的試制成功，為今后大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載用異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)方向。