大型壓縮機驅動電機的技術方案說明

前言

目前，在交交變頻同步電機領域大型高速兩極同步電機還主要從國外進口。最近西氣東輸等項目需求的主電機的首次國產化自主開發由哈電、上電共同承擔，產品開發成功將在這個領域取得主導地位。

本文主要針對于大型壓縮機驅動電機從參數及結構形式等方面的技術方案進行說明。由于用于丙烷預冷壓縮機的電機功率和轉速均低于混合冷劑壓縮機電機，因此下面僅以混合冷劑壓縮機電機為例，對同步電動機和勵磁機技術方案簡單介紹。

1 同步電動機技術方案

根據項目本身對電動機的初步技術要求，并對多個方案進行比較、優化，確定了兩種規格電機的設計方案如下：

電動機的基本規格及參數

為了提高電機的動態特性和轉動部件應力的安全系數，通過詳細的分析計算，可以合理地選取電機轉子的直徑以便即保證足夠的轉軸剛度又保證一定的安全裕度。同時將影響電動機動態特性的主要電氣參數即直軸超瞬變電抗Xd″限制0.2左右的水平。為了提高變頻器的可靠性，減小電機磁場諧波，提高電機效率，電機采用雙三相繞組結構，每套繞組之間移相30度。為了實現電機的閉環控制和保證電機的同步運行在電機的軸頭裝有編碼器。

電動機由定子、轉子、三個軸承、底板、罩子和冷卻裝置等零部件組成，初步電機結構圖見附圖。為了增強轉子系統的穩定性，電機裝有第三軸承。

電機為正壓通風防爆型，以防止外部的易爆炸氣體進入電機內部，同時設有正壓保護系統。

電機配有潤滑油站，低壓循環油保障電動機軸承的正常潤滑和冷卻，高壓油在電動機啟動和停機時接通，以保證啟動和停機時電機軸承的安全。

電動機采用空水冷卻，冷卻器采用下水冷或側水冷形式，避免意外的漏水對電動機的危害。

電機在出廠前將按相應的國家標準進行電機的型式試驗。

2 勵磁發電機技術方案

由于該同步電動機有防爆要求，因此轉子勵磁不能用集電環引入直流對電動機進行勵磁(即靜止勵磁)，需采用同軸的無刷勵磁機進行勵磁。

圖1為同步電動機的定子繞組、勵磁繞組、無刷勵磁機的定、轉子繞組相互關系示意圖。

無刷勵磁機采用4極發電機，定子和轉子都采用三相對稱繞組，勵磁發電機結構與三相繞線型一部電機相似，轉子線圈的引出線與旋轉整流環相連。

無刷勵磁機定子三相繞組與相配套工頻調壓裝置聯接，其相序產生的氣隙旋轉磁場方向應與電動機的轉軸的轉向相反。這樣就可以保證轉子旋轉后不會發生定子磁場的旋轉速度相對于轉子為零，即不會出現電動機的勵磁電壓為零而使電動機失步的情況。

電動機未啟動置于靜止狀態時，如果無刷勵磁機的定子端與工頻調壓裝置閉合接通，電動機勵磁繞組就可獲得由勵磁機定子旋轉磁場感應到轉子的工頻電勢經過旋轉整流環整流后的直流電流。調節勵磁機定子的電壓，根據電動機的轉速可計算出勵磁機端電壓與勵磁電流的關系曲線。

勵磁機的定子電壓的施加采用自控，在電動機出現故障時，控制系統會立即自動切斷勵磁機的定子電源。

根據目前國內已設計、制造過的大型空冷汽輪發電機的無刷勵磁系統的經驗和初步核算，旋轉整流環用的主要的電器元件國內完全可以生產。

3 電機設計、制造的難點

由于該種電動機的轉速高、功率大，在前期分析論證的基礎上，主要的技術難點有以下幾個方面：

(1)轉軸及其它旋轉部件強度及應力分析；

(2)轉軸及護環的材料選用問題；

(3)轉軸的臨界轉速及軸系動態特性分析問題；

(4)軸承的結構型式、熱穩定性分析及密封問題；

(5)電機的噪音控制問題；

(6)旋轉整流環用的主要電器元件試驗篩選問題；

(7)機組可靠性問題。

4 結語

針對于以上技術難點，設計開展前逐一進行分析、計算、類比驗證，同時對配套材料和器件廠商進行了調研。通過以上工作，可以認為上述問題國內的電機制造廠家是完全有能力解決，并且不會對電機的設計、制造和電機的性能產生影響。