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| 我國熱力行業(yè)中型電機變頻調(diào)速的電氣設計研究 |
| （時間:2016-7-5 9:17:26） |
氣設計過程是一個復雜的過程，經(jīng)常會出現(xiàn)城市供熱系統(tǒng)中因熱效率高而逐漸采用大容量鍋爐、電機功率同時增加的現(xiàn)狀。隨之而來的是中型電機啟動及調(diào)速如何設計的問題，涉及到中型電機功率較小情況下變頻控制系統(tǒng)設計、中型電機功率較大情況下變頻控制系統(tǒng)設計。本文通過對變頻調(diào)速電機的設計特點、電機設計中應注意的問題和中型變頻調(diào)速電機設計實例三個方面論述，按照不同情況即不同的電機功率，得出不同的設計方法，從而實現(xiàn)既節(jié)約投資又能保障系統(tǒng)穩(wěn)定、維護較容易的目的。
隨著電力電子技術的發(fā)展，交流電機的變頻調(diào)速已逐步取代了傳統(tǒng)的變極調(diào)速、電磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。被廣泛應用于礦產(chǎn)、鋼鐵、運輸紡織及高空調(diào)家電等領域。其控制性能及經(jīng)濟性能都已接近或超過直流電機調(diào)速系統(tǒng)，變頻調(diào)速的目的主要是節(jié)能調(diào)速和工藝調(diào)速， 能調(diào)速用于具有平方轉(zhuǎn)矩負載特性的風機泵類機構的轉(zhuǎn)速控制。
一、變頻調(diào)速電機的設計特點
變頻調(diào)速專用電動機開發(fā)的必要性就在于解決在變頻調(diào)速情況下，普通Y系列電機勝任不了的問題、其設計特點如下：
（1）用SPWM裝置額定頻率供電時，變頻調(diào)速電機的功率等級和安裝尺寸的對應關系與基本系列電動機相同，這有利于用戶的安裝、維修、推廣與使用。
（2）由于通常的自帶風扇的冷卻方式，在許多場合下將不適用于變頻器供電的變頻調(diào)速電動機，基速以下的恒轉(zhuǎn)矩特性使電動機在低速時的電流和磁通都基本保持不變。然而此時的冷卻風量卻與轉(zhuǎn)速的3次方成正比的減少，使散熱發(fā)生困難。因此，變頻調(diào)速電動機需采用外通風冷卻，同時應充分考慮電機的溫升裕度。
二、電機設計中應注意的問題
（一）電機設計時需減少電機中的氣隙不平衡以及電磁激振力的大小，來降低電機的噪聲。這可以通過提高定子鐵心內(nèi)徑及轉(zhuǎn)子鐵心外徑的加工精度來減少偏差和提高同心度方法來實現(xiàn)。
（二）由于電機在一個頻率范圍內(nèi)工作，要使電機定子的主要階模態(tài)的固有頻率與電磁激振力的階分量錯開是十分困難的，但可以通過選擇合理的槽配合、改進電機的絕緣結(jié)構和采用正弦繞組等以降低低階空間諧波的幅值或者對定子的結(jié)構進行阻尼處理以增大電機定子各階模態(tài)的阻尼，來降低電機定子在發(fā)生振動時的振幅，達到降低噪聲的目。的。
（三）由于變頻電機的高速運行時，轉(zhuǎn)速非常高，這對電電機結(jié)構件的剛度、強度有較高的要求。電機設計時需對電機機座、端蓋、轉(zhuǎn)軸連接系統(tǒng)以及軸承進行分析，采取相應措施。如端蓋采用帶內(nèi)、外散熱筋結(jié)構，同時加強電機與獨立風機連接部分的強度，來保證變頻電動機高速運行時良好的剛度。
三、中型變頻調(diào)速電機設計實例
（一）電網(wǎng)電壓l0kV，采用l0kV電機，l0kV輸入和l0kV輸出的變頻控制系統(tǒng)
此系統(tǒng)結(jié)構簡單，無須單獨的電源變壓器，變頻器自帶輸入隔離變壓器，直接接電網(wǎng)即可，不需要電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換的變壓器，不占用低壓變壓器的容量，同時電機和變頻器的效率都很高，電機運行時S小，轉(zhuǎn)差功率損耗小，效率高。電機效率>93%，變頻器的效率=97%，電機加變頻器的整體綜合效率>90.2%此外變頻器對電網(wǎng)側(cè)和電機側(cè)的諧波都非常小，可忽略不計，電網(wǎng)側(cè)諧波總量一般小于1%，電機側(cè)諧波可以忽略不計，可以使用普通電機，不需要用變頻器專用電機。還有輸出電纜長度無限制，輸入輸出電流都最小，大約30 ～ 40A，采用的電纜截面小，電纜成本和施工的成本低。另外電機的接線方式為星形接法，必要時可以直接采用旁路，在l0kV的電網(wǎng)下，直接啟動l0kV的電機，旁路系統(tǒng)簡單，不需要星角轉(zhuǎn)換，可以在變頻器發(fā)生故障后，用工頻電源馭動電機繼續(xù)運行。采用大品牌的變頻器，運行的可靠性極高，售后維修的成本很低，設計壽命20年。電機功率與電網(wǎng)電壓匹配，符合國家的政策。但是變頻單元的額定電流64A，富裕量很大，性價比不如6kV輸出的變頻器。變頻器本體體積比6kV輸出的變頻器略大，價格比l0kV輸入、6kV輸出的變頻器略高。
（二）電網(wǎng)電壓l0kV，采用6kV電機，l0kV輸入和6kV輸出的變頻控制系統(tǒng)
此系統(tǒng)結(jié)構簡單，無須單獨的電源變壓器，變頻器自帶l0kV輸入隔離變壓器，直接接電網(wǎng)即可，不需要電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換的變壓器，不占用低壓變壓器的容量，同時電機和變頻器的效率都很高，電機效率>93%，變頻器的效率=97%，電機加變頻器的整體綜合效率>90.2%。此外變頻器對電網(wǎng)側(cè)和電機側(cè)的諧波都非常小，可忽略不計，電網(wǎng)側(cè)諧波總量一般小于2%，電機側(cè)諧波可以忽略不計�？梢允褂闷胀姍C，不需要用變頻器專用電機。還有輸出電纜長度無限制，輸入輸出電流都較小，大約60 ～ 70A，略高于l0kV的變頻器額定電流，采用的電纜截面較小，電纜成本和施工的成本較低。另外變頻單元的額定電流70A ，接近電機額定電流，電機與變頻器的額定電流容量匹配性好，富裕量足夠，性價比比l0kV輸出的要好。變頻器本體體積比l0kV輸出的小，價格比l0kV輸出的變頻器低。采用大品牌的變頻器，運行的可靠性極高，售后維修的成本很低，設計壽命20年。電機功率與電網(wǎng)電壓匹配，符合國家的政策。但是變頻運行的接線方式為星形接法，不能采用旁路，適合丁不需要旁路的場合。
總之，通過以上的對比分析，得到重要的設計結(jié)論：對于400kW及以下的中型電機，應設計0.4kV的變頻控制系統(tǒng)；對于450kW的中型電機，應設計0.4kV的變頻控制系統(tǒng)或高壓變頻控制系統(tǒng)；對于500kW中型電機，在電氣設計中應設計l0kV輸入，6kV輸出的變頻控制系統(tǒng)，電機即可以采用l0kV（可以旁路），也可以采用6kV（不需要旁路時），比較靈活；電機的功率與電網(wǎng)電壓匹配，符合國家政策，而且這樣的方案具有整體綜合效率高，電纜截面小，電纜和施工成本低，諧波小可忽略不計，電機不降容，可以使用普通電機，不需要變頻器專用電機，電纜長度無限制，變頻器的額定電流容量與電機的額定電流匹配性好，不需要占用低壓變壓器的容量，無電磁干擾。由于電流小，這種變頻器的可靠性已經(jīng)超過了低壓變頻器。這些設計已經(jīng)在熱力工程實踐中取得良好效果。
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