YVF315~630系列高压变频调速三相异步电动机

发表于 讨论求助 2023-05-10 14:56:27

【摘要】设计开发了新一代YVF315630系列高压变频调速三相异步电动机,产品具有系统节能、低振动、低噪声、外形小、重量轻、型谱广、功率密度高、节能环保等特点。特别对变频调速系统节能、基本数据、高效设计、绝缘结构设计、强迫通风内外风路设计、绝缘端盖设计做了重点介绍。最后通过产品试验数据与目标数据对比,分析得出了该系列产品开发设计达到了预期目标。

 

0 引言

随着电力电子技术、微电子技术的发展和中高压变频技术的不断进步,高压变频器技术越来越成熟。同时国家对节能环保、降低能耗的产品越来越重视,特别是以电力、钢铁、石油石化、化工、建材等行业为重点[1],加快了节能减排产品的研发。其中电机系统是重要的耗能设备,2014年中国电机系统耗电量占全社会耗电量的60%70%,因此电机系统节能的潜力巨大。

电机系统节能是指在提高机组各设备自身效率的同时,更关注提高系统整体运行效率。采用变频调速系统,节能可以提高到30%50%。变频调速系统关键设备是变频电机。2012年,由上海电器科学研究所(集团)有限公司等负责起草的GB/T28562YVF系列高压变频调速三相异步电动机技术条件(机座号355-630)》技术调节[2],对变频电机进行了规范。

依据国家节能环保和国家技术条件,2015年成功开发了新一代YVF315630系列高压变频调速三相异步电动机。该系列产品也是我国高压变频调速电机的升级换代产品,各种性能符合国家标准,已批量进入市场。

 

1 基本技术

YVF315630系列高压变频调速三相异步电动机基本技术参数如下。

(1)型号:YVF315630

(2)额定功率:1604000kW

(3)额定电流:11425A

(4)额定电压:610kV

(5)额定频率:50Hz

(6)变频范围:050Hz

(7)相数:3

(8)极数:412P

(9)工作制定额:S1

(10)热分级:155级;

(11)安装方式:IMB3

(12)使用系数:1.0

(13)防护等级:IP55

(14)轴承温度:≤80℃;

(15)效率:满足GB30254-2013能效标准中二级能效[3]

(16)功率因数、温升、堵转电流倍数、堵转转矩倍数、最大转矩倍数:满足国家技术条件GB/T28562-2012

(17)噪声Lp85dB(A)

(18)振动:速度1.8mm/s,位移13μm


2 产品设计

2.1 高效设计

变频调速电动机通过调整转速达到系统节能,但电动机本身也需要降低能耗、提高效率。电动机运行时主要有五大损耗:铁损耗、定子绕组损耗、转子绕组损耗、机械损耗及总杂散耗。通过优化电磁方案,并根据电动机在不同典型频率下的电磁参数,优化对比,合理选择三圆、槽配合和槽型,改善磁路,降低定子和转子铁损耗;结合变频调速电动机的实际使用情况,在保证电动机各项性能参数的前提下,适当降低定子电流密度,降低定子绕组损耗;调整转子导条和端环电阻及截面积,降低转子绕组损耗;对变频调速电动机的内风路进行流体分析计算,使内风扇工作在高效区域,内风扇和强迫通风风扇性能匹配,减少机械损耗;优化电机的轴承配置,轴承选用机械损耗较小的62系列的深沟球轴承和NU10系列的短圆柱滚子轴承,在保证轴承有足够的理论寿命的前提下,降低轴承的机械损耗。通过各种措施,使变频调速电动机在工频运行时,效率达到GB30254-2013中的二级能效等级。

2.2 绝缘结构设计

新一代YVF315630系列高压变频调速三相异步电动机绝缘体系非常重要,是该系列电动机安全可靠运行的重要部分。定子绕组绝缘采用中胶粉云母带,加强线圈的匝间绝缘及主绝缘强度,白坯下线后经VPI整体浸漆,电动机主绝缘厚度分别是5.3mm(电压10kV)3.0mm(电压6kV)。同时利用绝缘端箍等结构件,采取合理的绕组端部线路绑扎固定方式,提高端部整体强度等。通过以上绝缘措施提高了变频调速电动机的绝缘可靠性。

2.3 强迫通风内风扇的设计

目前国内变频调速电动机的内风路全部为双侧对称强迫通风,68P低速变频调速电动机因转速低,采用对称轴流内风扇时风压低、风量小,采用对称离心内风扇时风扇外径不能大于定子内径,使得内风扇风压、风量也比较小,无法充分利用转子自身的扇风能力。本次设计采用单侧强迫通风内风路,如图1所示,一则可以将离心风扇外径做得大于定子内径,提高内风扇工作风压、风量,二则可将转子自身带的内风扇和强迫通风内风扇的风压串联起来,提高电机内部的冷却风量,从而提高电动机的通风散热能力[4-5]


1 强迫通风结构示意图

 2.4 强迫通风外风扇的设计

目前国内变频调速电动机的外风路采用轴流风扇通风。轴流风扇的动力电机安装在连接筒的尾端,动力电机和连接筒形成一个悬臂梁结构,强迫通风动力电机容易振动。通过计算机流场分析发现,采用这种强迫通风,轴流风扇鼓风产生的气流成环形吹向冷却管,导致冷却器的冷却管只有中间环状区域内有冷却风通过,其余大量的冷却管无冷却风通过,降低了冷却器的散热效率,如图2、图3所示[6-7]

轴流风扇产生的气流

轴流风扇冷却器出口风速分布

本次设计将强迫通风动力电机固定在冷却器上,如图1所示。从而提高了电动机的支撑强度,解决了强迫通风小和电机振动问题;同时将强迫通风外风扇改进为离心扇,解决了轴流风扇存在的不足,提高了外风路的风压风量。通过外风路流场分析,在弧形风罩中间设置导风弧板效果更好,在弧形风罩和导风弧板的导风作用下,冷却风均匀通过冷却管,提高了冷却器的散热容量,使电动机散热更好,如图4、图5所示。

轴流风扇产生的气流


轴流风扇冷却器出口风速分布

2.5 绝缘端盖设计

GB/T28562-2012YVF系列高压变频调速三相异步电动机技术条件(机座号355-630)》中要求,对轴电压峰值大于300mV的电动机要求采取绝缘措施。变频调速电动机通用的方法为非轴伸端直接采用绝缘轴承,受绝缘滚动轴承规格型号的限制[8],中心高较大的电动机无法采用滚动轴承,只能采用滑动轴承,增加了电动机制造成本。本次设计滚动轴承采用新型绝缘端盖,通过在端盖的轴承室内增加一个特制的绝缘套,滚动轴承安装在轴承室内后,轴承外圈和端盖直接绝缘,从而避免轴电流对轴承的损伤。使用绝缘端盖后,轴承可以使用正常滚动轴承,不用价格昂贵的绝缘滚动轴承,降低了电动机制造成本和用户的维护使用成本,如图6所示。

绝缘端盖与滚动轴承的安装

 

3 产品试验情况

通过2015年产品试制,共完成60多个规格变频调速电动机的型式试验,通过表1部分规格电动机试验数据对比,各种性能符合GB/T285622012变频调速电动机技术条件,特别是效率、振动、噪声远优于国家技术条件,如表1所示。主要优点有:

部分规格电动机试验数据

(1)效率高。通过优化电磁设计、风路结构设计、转子加工工艺等,变频调速电动机的铜耗、铁耗、机械损耗等显著降低,提高电动机在不同频率下的效率。在基准频率和额定电压情况下,全系列变频调速电动机的效率均达到国家二级能效标准。

(2)型谱广、功率密度高。额定电压为6kV,同功率、同极数的电动机比国家技术条件低12个中心高,如YVF630-4变频调速电动机的最大功率为4500kW,远高于国家标准GB/T28562-2012中的2800kW,属于低中心高大容量高功率密度电机。同时在电机行业率先系列开发出国家标准GB/T28562-2012所没有的10kV级变频调速电动机,拓宽了高压变频调速电动机的型谱,满足市场对10kV级变频调速电动机的需求。

(3)外形尺寸小,重量轻。高压变频调速电动机通过电机的高功率密度设计、轻型化的电机机座设计和冷却风路设计,使电机外形小、尺寸紧凑,重量低于国内同行业约7%

(4)低噪声、低振动。高压变频调速电动机的整机噪声控制在85dB(A)以下,在基准频率和额定电压情况下,主电机的整机振动不超过GB10068B(1.5mm/s),优于国家标准。

 

4 结语

通过新一代YVF315630系列高压变频调速三相异步电动机设计与试制,验证了高压变频电动机定子绝缘体系、通风冷却结构、防止轴电压的绝缘端盖、高效率的设计措施,最终设计分析数据与试验结果基本一致,部分性能超过预期目标,达到了试制目的。

 

参考文献

[1]李薇,乔建伟,来海丰.YAP系列增安型变频调速三相异步电动机的开发和应用[J].电气防爆,2004(3)1-10.

[2]YVF系列高压变频调速三相异步电动机技术条件(机座号355-630)GB/T28562-2012[S].

[3]高压三相笼型异步电动机能效限定值及能效等级:GB30254-2013[S].

[4]郑国丽,周黎民,邓尧强,等.高效电机风路结构设计参数优化[J].电机与控制应用,201541(4)62-65.

[5]李贤明,王同章,周平.大功率高速电动机高效率低噪声离心风扇的研究与设计[J].防爆电机,200540(1)9-11.

[6]汪书苹,赵争鸣,冯径.YKK355630系列高压三相异步电动机高效风扇的设计[J].清华大学学报,2009(1)9-12.

[7]王天煜,王凤翔.大型异步电动机定子振动与模态分析[J].中国电机工程学报,200727(12)41-45.

[8]苏湘君.电动机轴承异常分析及处理[J].华电技术,200931(1)47-49.

本文转自《电机与控制应用》2017年第9期

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