汽電雙驅高壓大容量三相異步電機的研制

李洪森，李小麗，苗青豪，張立偉

(臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司，河南南陽473008)

汽電雙驅高壓大容量三相異步電機的研制

李洪森，李小麗，苗青豪，張立偉

(臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司，河南南陽473008)

介紹了汽電雙驅高壓大容量三相異步電機的研制情況。闡述了該電機在不同工況下的電動-發電原理，提供一種新型節能環保“汽電雙驅”引風機方案用高效節能環保電機產品, 該產品有廣闊的市場前景。

汽電雙驅；高壓三相異步電動-發電機；高效節能

0 引言

YFKS系列汽電雙驅高壓大容量三相異步電機 (包括電動機、發電機 ), 在系統中起到機械能和電能相互平衡的動態調節角色, 其大大提高了系統效率, 符合國家節能環保的推廣政策。

1 項目簡述

1.1 項目研制背景

2016年，研制了電力市場常規燃煤機“超低排放”工程用YFKS系列高壓大容量三相異步電機。該異步電機主要用在電力行業小汽機和電動機聯合驅動的引風機機組上(簡稱汽電雙驅)，是我公司為滿足該行業發展需要而專門研制的高新技術產品。

電站鍋爐一般配置三大風機：包括送風機、引風機、一次風機等。型式有離心式或軸流式，一般大型電站鍋爐配用軸流式風機，軸流式風機需要通過一根長度較大的傳扭中間軸穿過煙(風)道與驅動設備相連接，驅動設備一般為電機，大功率風機也常常采用小汽輪機驅動。出于簡化系統和提高效率的考慮，電站鍋爐引風機趨向采用引增合一的方式，即取消增壓風機，由引風機單獨承擔，尤其近來火電廠實施環保超低排放標準以來，由于煙風系統阻力增加，600MW 及以上容量機組的引風機功率增加較多，且采用小汽輪機直接驅動的方式存在效率偏低的問題，而采用汽電雙驅動可以很好的解決這個問題，該方法可減少廠用電耗能、增加機組的凈供電量、提高電廠的收益。

我公司研制的高壓異步電動-發電機的功率范圍為3000～ 25000kW, 額定電壓為 6kV或10kV, 具有重載起動功能；同時, 這類產品還具有過載能力大、不需直流勵磁、結構簡單、維修方便、可靠性高等特點。

1.2 汽電雙驅引風機組配置方案

起動時,異步電動-發電機直接帶動引風機工作，小汽機和異步電動-發電機經變速離合器分離。小汽機在輔汽作用下完成暖機，等小汽機達到變速離合器設定轉速時，變速離合器自動使小汽機與異步電動發電機嚙合，由小汽機帶動異步電動-發電機和引風機運行，異步電動-發電機在超過同步轉速后轉為發電機運行狀態。要求變速離合器不光有變速功能,還要求有自動投入、退出功能。系統連接順序為：小汽輪機→變速離合器(離合器+減速箱)→異步電動-發電機→引風機(如圖1所示)。

圖1 系統連接順序圖

1.3 異步電動-發電機在整個系統中作用

汽能量不夠時，電機作異步電動機運行，向風機補充機械能，滿足系統工藝所需風量要求；汽能量過剩時，汽機運行速度增大，電機轉速超過同步轉速后作發電機運行，消耗掉汽機送給風機后多余的機械能，向電網反饋電能。異步電動-發電機在整個系統中起到系統機械能和電能相互平衡的動態調節角色。

2 雙驅異步電機特點

目前, 該汽電雙驅異步電機的研制已取得顯著成效, 電力市場國內首臺套汽電雙驅機組用異步電動-發電機已連續可靠運行近一年,已經各種工況驗證考驗，具有創新性、先進性和可靠性。

2.1 創新性

(1) 新型的機組布置及電機工作調節方式：汽電雙驅機組布置方式為國內首創，異步電動-發電機在整個系統中起系統機械能和電能相互平衡的動態調節角色，提高了系統效率，使整個系統始終高效節能運行。

(2) 攻克了汽電雙驅機組引風機的重載起動難題。引風機的飛輪力矩在 60～80t.m2, 要在很短的時間內將幾十噸負載力矩拖動到額定轉速, 是個很大的系統難題。技術人員利用微積分及熱力學理論, 驗證出了一套電機起動過程的發熱與時間計算方法。對電機起動過程進行計算后，通過調整轉子槽型、導條電阻率、轉子有效材料、定子線規和匝數、繞組端部尺寸充分考慮、平衡，找到最佳的工作點，同時把電機磁密、電密、熱負荷、起動轉矩控制在合理范圍內，優化通風散熱結構, 解決了機組系統重載起動的難題。

(3) 解決了大容量電機“發熱與散熱”的問題。該類電機發熱在 200～500 kW 左右。如何減少發熱和擴大散熱是電機研制的關鍵難題。運用美國 Ansoft電磁分析軟件對電、磁性能進行穩態和暫態分析, 并運用美國西屋公司的風量及穩態與暫態溫升計算軟件對電機的熱態狀況進行分析、優化設計, 完全掌握了大容量電機的“發熱與散熱 ”解決方法。該方法屬于國內領先技術。

(4)大容量電機高扭矩特性的設計, 滿足大慣量負載的起動要求。電磁方案在控制發熱指標的前提下盡可能地提高起動轉矩。結構上從電動機的安全與受力出發, 對轉軸的機械強度、軸承承載與壽命、機座鋼度、絕緣電氣強度、轉子導條溫度、電機空載和負載起動時間等進行了多方位的計算。

(5)采用電機強度分析技術分析起動過程。在結構上, 采用特殊的轉子槽形及特殊的導條配合方式, 運用美國 ANSYS結構分析軟件, 對高扭矩特性下定轉子的熱應力、離心力、磁拉力等復合應力進行分析, 尤其是對導條與端環焊接部位強度的分析。結果表明其完全適應高扭矩電機起動對結構強度的要求。

(6) 電機內風路流場仿真分析： 電機用風扇設計采用國際上最具權威的三元流動理論(國際上稱吳氏理論)進行氣動設計，并結合CFD流體分析技術，使風扇具有氣動性能優良、效率高、振動小、噪聲低、高效區域廣的特點(見圖2、圖3)。

圖2 電機用風扇速度流線圖

圖3 電機用風扇靜壓分布云圖

(7) 折彎式低振動主體結構設計：定、轉子鐵心與機座和軸采用過盈配合熱套結構，機座側板采用折彎結構，增加定子支撐強度，減小了風路風阻, 且外觀造型美觀。

2.2 先進性

(1)理念先進：對于交流三相異步電機來說, 本身有一個固有的機械電氣特性: 當電機的額定轉速低于同步轉速時, 電機做電動機運行；當電機的額定轉速等于同步轉速時, 電機不做功；當電機的額定轉速高于同步轉速時,電機做發電機運行。

(2) 設計手段先進：該產品采用電機強度分析技術,分析了電機在起動時的熱應力、離心力、磁拉力等復合應力作用于轉子導條尤其是作用于導條與端環焊接部位的強度；采用了彎曲振動模擬系統進行振動分析；運用流場分析, 使空氣冷熱交換器的結構優化, 風阻最小,以確保冷卻能力。

(3) 防護等級高：該系列電機采用箱式結構，端蓋式軸承，內外風路自成一體，能夠嚴格達到IP55的防護要求，保證電機內部不受外部物資污染，提高了運行穩定性和維護周期。防護等級高，有效解決了由于電動機使用現場灰塵多、潮濕帶來的定轉子絕緣損傷問題，保證電機連續可靠運行，減少維護時間、使用壽命長。

(4) 安裝、維護方便：電機帶有齊全的監控裝置，除常規定子測溫、軸承測溫、漏水監控儀、差動保護、避雷器等，針對異步電機-發電機存在電動與發電工況下的切換與運行，采取了相應過壓、過流、過速等檢測保護裝置。能夠滿足用戶對電機的全天候監控。

主機和大型零部件上均設置了專用吊裝孔，為零部件制造、運輸和現場裝配和維修提供了便利。

主機與底座、球面滑動軸承與端蓋、端蓋與定子之間的連接均采用螺栓把緊、定位銷定位結構。因此，該電機零部件安裝具有良好的復位精度，現場安裝、調試和檢修省時省力。

主機與底座之間設置有可更換調整墊片，且四周配備有調整裝置和起拔用螺釘，方便用戶現場安裝找正。

根據用戶現場安裝條件和電機結構特點，設計制造了專用工裝(包括調整工具和拆檢工具等)，方便用戶現場安裝、維護和檢修。

電機出廠時已確定電機磁力中心線位置，并將數據標記在專用銘牌上，方便用戶現場裝配，并確保電機安全可靠運行。

(5) 性能指標先進。表1列出了國內某電廠首臺套已投產YFKS 900-8 5800kW 10kV異步電動-發電機設計值、協議值、標準值及試驗值。

表1 試驗結果

從表1可知，效率實測為96.8%(達到國家二級能效),高出技術協議 0.5%；功率因數實測為0.91, 高出技術協議0.04；堵轉電流倍數實測為5.7, 低于技術協議0.3；堵轉轉矩倍數實測為1.1, 高出技術協議0.5；最大轉矩倍數實測為2.7, 高出技術協議0.9；實測振動值為0.4mm/s, 僅是技術協議17.4% ；實測噪聲值與技術協議相比低了3dB(A)。由此可見, 其性能指標高于國家標準，比技術協議指標先進。某電廠已投產YFKS 900-8 5800kW 10kV電機設計值、協議值、標準值及試驗值。

經過對比可得出如下結論: 我公司的異步電動-發電機性能指標優于現有國家標準GB /T 13957《大型三相異步電動機基本系列技術條件》中相關參數的規定, 與國內同行業相比具有自身的優勢, 產品性能接近或優于國外同類產品。

2.3 可靠性

通過現場運行及我公司多個規格試制情況表明：該類電機性能優異、振動小、噪聲低、運行穩定、可靠性高。同時該產品的研制具備健全的質量保證體系。如針對關鍵工藝完成了先行試驗, 對電機的主體框架材料和焊縫進行了探傷, 電動機設有常規定子測溫、軸承測溫、漏水監控儀、差動保護、避雷器等，針對異步電動-發電機存在電動與發電工況下的切換與運行，相應采取了相應過壓 、過流、過速等檢測保護裝置,從而可靠保證產品質量和運行質量。

3 效益分析及推廣應用前景

(1) 企業效益：該類電機實現當年研發, 當年投產, 當年見效。截止目前, 實現該類異步電動-發電機銷售收入2000多萬元, 且市場需求大有趨于增強之勢。

(2) 用戶效益：該異步電動-發電機運行時, 可將系統富余的機械能轉化為電能，根據業主提供的實際運行數據，機組年發電利用小時數為5000h，按發電量約為額定功率的50%，以 5800kW 電機為例,電價以0.36元/kWh計, 年發電產值為522萬元, 不到半年就能收回電機的全部投資。

(3) 社會效益:節能環保，“能源與污染”是全球面臨的共性問題，“能源回收再利用”是國家重點扶持的節能項目。該異步電動-發電機實現了機組機械能和電能相互平衡的動態調節角色, 大大提高了系統效率, 符合目前世界環保和節能的大格局。

(4)市場需求情況：因異步電動-發電機具有投資小、結構簡單、無勵磁、維修方便、可靠性高等優勢，且在系統中起到機械能和電能相互平衡的動態調節角色, 大大提高了系統效率,作為電力、石化市場高效節能項目用電機，是一個新的發展方向及經濟增長點，符合國家高效節能環保推廣政策，該產品有廣闊的推廣應用前景。

4 結語

YFKS系列汽電雙驅高壓大容量三相異步電機產品的開發, 旨在提供一種高效節能高壓大容量三相異步電機，提升機組系統效率，拓寬電機使用范圍并提高我國高壓電機的生產制造水平。

[1] 湯蘊璆.電機學[M].北京：機械工業出版社，2014.

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Development of Vapor-and Electric-Drive Three-Phase AsynchronousGenerator with Large Capacity and High Voltage

LiHongsen,LiXiaoli,MiaoQinghao,andZhangLiwei

(Wolong Electric Nanyang Explosion Protection Group Co., Ltd., Nanyang 473008, China)

This paper introduces the development situation of vapor-and electric-drive three-phase asynchronous motor-generator with large capacity and high voltage produced by Nanyang Explosion Protection Group Co., Ltd., and describes its principle at different operating conditions of motor and generator. A high-efficiency energy-saving environment-friendly electric machine for a new type of energy-saving environment-friendly induced draft fan with “vapor- and electric-drive” is provided. It has a wide application prospect.

Vapor-and electric-drive；high-voltage three-phase asynchronous motor-generator；high efficiency and energy saving

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.02.05

TM343+.1

A

1008-7281(2017)02-0015-004

李洪森 男 1982年生；畢業于太原理工大學電氣工程及其自動化專業，現從事高壓電動機的設計與開發等工作.

2016-12-26