正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機(jī)國產(chǎn)化設(shè)計

趙地，歷銳

(1中海油惠州石化煉油六部，廣東惠州516086;2佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機(jī)國產(chǎn)化設(shè)計

趙地1，歷銳2

(1中海油惠州石化煉油六部，廣東惠州516086;2佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

結(jié)合一臺為國外壓縮機(jī)配套的TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機(jī)，研究了正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機(jī)的防爆優(yōu)勢，單支撐同步電機(jī)的設(shè)計關(guān)鍵點(diǎn)，以及與國內(nèi)外電機(jī)相比該電機(jī)的優(yōu)勢。

正壓外殼型/增安型；無刷勵磁；同步電動機(jī)；國產(chǎn)化設(shè)計

0 引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)和我國防爆電機(jī)工業(yè)的發(fā)展，石油、化工、化肥、煤炭等行業(yè)對大型防爆無刷勵磁同步電動機(jī)的需求量越來越大，尤其是近年石化行業(yè)產(chǎn)量不斷提升，大型防爆無刷勵磁同步電動機(jī)功率也越來越大，與國外相比，國內(nèi)大功率無刷勵磁同步電動機(jī)相對市場占有量較小，因此大功率防爆無刷勵磁同步電動機(jī)的國產(chǎn)化設(shè)計已迫在眉睫。

為此，中海石油煉化有限責(zé)任公司和佳木斯電機(jī)股份有限公司(以下簡稱“佳電”)共同合作進(jìn)行惠州煉油二期2200萬噸/年改擴(kuò)建及100萬噸/年乙烯工程項目用正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機(jī)的國產(chǎn)化設(shè)計，該同步電動機(jī)應(yīng)用在2區(qū)，IIC(氫氣)場所，拖動渣油加氫裝置往復(fù)式新氫壓縮機(jī)負(fù)載。

1 電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1主要技術(shù)參數(shù)如下：額定功率：10000kW；極數(shù)：20P；額定電壓：10kV；額定電流：661A；額定頻率：50Hz；相數(shù)：3相；同步轉(zhuǎn)速：300r/min；絕緣等級：F級；安裝方式：IM7115(單軸承支撐，伸端與壓縮機(jī)共用一個軸承)；冷卻方式：IC81W(上水冷)；旋轉(zhuǎn)方向：逆時針(從電機(jī)軸伸端看)；工作制：S1；功率因數(shù)：0.9(超前)；效率：97%(保證值)；堵轉(zhuǎn)電流/額定電流：5.0(保證值)；堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩：0.6(保證值)；牽入轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩：0.6(保證值)；失步轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩：1.6(保證值)；飛輪轉(zhuǎn)矩GD2：>100 t·m2；防爆標(biāo)志： ExepzIIT3 Gc + ExeIICT3 Gc；同時取得正壓外殼型和增安型防爆合格證。

2 設(shè)計關(guān)鍵點(diǎn)

該電機(jī)在設(shè)計上主要有以下幾個關(guān)鍵點(diǎn)：(1)防爆型式的選擇；(2)低起動電流的設(shè)計；(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.1 防爆型式的選擇

該電機(jī)應(yīng)用在2區(qū)，IIC場所，考慮到增安型、隔爆型、正壓外殼型幾種防爆型式的優(yōu)缺點(diǎn)[6]，為保證機(jī)組長期穩(wěn)定運(yùn)行，本次電機(jī)設(shè)計防爆型式選用正壓外殼型/增安型[1]、[2]，該型式是佳電2012年研制的一種新型防爆型式，具有以下優(yōu)點(diǎn)

(1)正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機(jī)同時設(shè)有兩套銘牌即增安型防爆電機(jī)銘牌和正壓外殼型防爆電機(jī)銘牌，電機(jī)同時獲得增安型防爆電機(jī)合格證及正壓外殼型防爆電機(jī)合格證，兩種防爆型式同時起作用，當(dāng)一種防爆型式失效時另一種防爆型式仍可保證設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)。即同一設(shè)備設(shè)計制成不同的防爆型式，符合GB 3836.1—29.6多種防爆型式的相關(guān)規(guī)定。(2)產(chǎn)品通過了雙重防爆檢測，既通過了增安型電機(jī)絕緣系統(tǒng)試驗，又通過了正壓外殼型防爆試驗，既保留增安型電機(jī)不產(chǎn)生火花、電弧和危險溫度，tE時間保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，同時又具備正壓外殼型電機(jī)防爆安全性高，備用電機(jī)可處于保壓狀態(tài)隨時起車的優(yōu)點(diǎn)。安全性、可靠性提高。(3)正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機(jī)克服了單一防爆形式的缺點(diǎn)。

①正壓外殼型電機(jī)一旦出現(xiàn)失壓或外部管路故障，電機(jī)就必須停機(jī)進(jìn)行檢查，該產(chǎn)品具備當(dāng)一種防爆型式失效時另一種防爆型式仍可保證設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)，無需停機(jī)。

②正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機(jī)正壓保護(hù)系統(tǒng)模塊設(shè)計進(jìn)行智能化升級，主備機(jī)切換過程中無需等待，克服了增安型電機(jī)每次起動前需重新進(jìn)行吹掃換氣的問題(即由一種防爆型式向另一種防爆型式切換過程順暢，不會出現(xiàn)電機(jī)互鎖停機(jī)問題)。

該產(chǎn)品通過在國際范圍內(nèi)的查新，證實(shí)了該產(chǎn)品在防爆技術(shù)運(yùn)用上的創(chuàng)新性。將兩種防爆型式應(yīng)用在同一產(chǎn)品上，為國內(nèi)外首創(chuàng)。

2.2 低起動電流的設(shè)計[5]

2.3 結(jié)構(gòu)的設(shè)計

電機(jī)安裝方式IM7115, 冷卻方式為IC81W，防護(hù)等級IP54，單支撐結(jié)構(gòu)，法蘭軸伸，尾端設(shè)座式滑動軸承, 電機(jī)采用徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)，避免產(chǎn)生軸向力，同時可以有效地保證電機(jī)鐵心溫度場的均勻分布(電機(jī)總體結(jié)構(gòu)見圖1)。從軸伸端看，電機(jī)右側(cè)帶一個主接線盒；在電機(jī)的保護(hù)上，電機(jī)帶有以下輔助及保護(hù)措施：(1)加熱器；(2)漏水保護(hù)器；(3)定子測溫裝置；(4)軸承測溫裝置；(5)電機(jī)進(jìn)出風(fēng)測溫裝置；(6)正壓保護(hù)裝置及泄露補(bǔ)償裝置；(7)磁平衡電流互感器；(8)軸振動傳感器；(9)勵磁機(jī)轉(zhuǎn)速測量裝置。

圖1 TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1電機(jī)整體結(jié)構(gòu)

2.3.1 電機(jī)的軸系計算[3]

本次設(shè)計的TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機(jī)是我公司設(shè)計的最大功率的單支撐電機(jī)，由于其軸系的特殊性，特對整個軸系進(jìn)行了詳細(xì)的計算，軸系見圖2。

圖2 TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1 軸系結(jié)構(gòu)

計算結(jié)果如下

軸的撓度為：0.4623mm，撓度占?xì)庀兜陌俜謹(jǐn)?shù)4.17%<8%(許用值)；

軸臨界轉(zhuǎn)速計算值為：1352r/min 注：考慮磁拉力；

1352r/min>2.3×300=690r/min，因此軸的臨界轉(zhuǎn)速滿足要求；

軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)量小值為：2.34>1.5(許用系數(shù))；

軸的靜強(qiáng)度安全系數(shù)最小值為：2.40>1.5(許用系數(shù))；

軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計算值為12.97MPa<[τ]=30MPa，[τ]—許用剪切力；

軸的扭轉(zhuǎn)剛度計算值為：0.038(°/m)<[φ]=0.25(°/m)[φ]—許用扭轉(zhuǎn)角。

另外，通過采用有限元軟件對軸的撓度及軸臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析，上述分析結(jié)果與手工計算相符。如圖3所示。

圖3 軸的臨界轉(zhuǎn)速和撓度有限元分析計算

2.3.2 定子電流波動與飛輪力矩的選擇計算[4]

本次設(shè)計的TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機(jī)用于驅(qū)動往復(fù)式壓縮機(jī)，由于壓縮機(jī)的自身特性，設(shè)計時必須保證壓縮機(jī)曲軸的旋轉(zhuǎn)角速度變化在合理范圍內(nèi)，以避免在運(yùn)動機(jī)件連接處引起附加動載荷及在垂直于曲軸的平面內(nèi)產(chǎn)生振動，影響機(jī)件的強(qiáng)度和降低機(jī)械效率。也可避免電動機(jī)直接驅(qū)動壓縮機(jī)時，引起電動機(jī)中電流脈動和供電網(wǎng)中的電壓波動。如何保證曲軸的旋轉(zhuǎn)角速度在允許的波動范圍，關(guān)鍵就是合理選擇系統(tǒng)的飛輪轉(zhuǎn)矩，作為整個系統(tǒng)的驅(qū)動設(shè)備，同步電動機(jī)的飛輪轉(zhuǎn)矩正確選擇十分重要，因此在本次設(shè)計中佳電引進(jìn)了定子電流波動與飛輪力矩的選擇計算。一般同步電動機(jī)的電流波動(振蕩的振幅)要求采用，振蕩角的電角度，經(jīng)計算，在壓縮機(jī)最高運(yùn)行功率100%負(fù)載額定電壓下，計算結(jié)果符合上述要求，且電機(jī)自身飛輪力矩滿足主機(jī)廠的要求(見圖4)。

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及其飛輪力矩計算

2.3.3 可靠的密封技術(shù)

該產(chǎn)品借鑒了我公司生產(chǎn)的成熟的TZYW系列正壓型無刷勵磁同步電動機(jī)的產(chǎn)品設(shè)計和制造經(jīng)驗，采用了密封可靠性極高的新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料，尤其是在密封材料的選取上進(jìn)行了大量的試驗驗證，選取了耐腐蝕、抗老化、耐高溫的優(yōu)質(zhì)密封材料，從而控制電機(jī)的泄漏量，提高了電機(jī)的密封可靠性，確保產(chǎn)品的一次性成功。

2.3.4 創(chuàng)新的試驗方法

由于本次項目用電機(jī)為單支撐結(jié)構(gòu)，試驗時難度較大，以往單支撐電機(jī)試驗時采用加長軸與電機(jī)軸伸法蘭對接，加長軸上加工有軸承臺，設(shè)置支撐軸承、試驗底架與電機(jī)對接后進(jìn)行試驗。本次直接采用試驗軸承，對電機(jī)軸伸端軸頸部位精加工，在此部位支撐后進(jìn)行試驗，與以往相比節(jié)約時間，降低成本，可靠性高。

3 與國內(nèi)外同類產(chǎn)品的比較優(yōu)勢

結(jié)構(gòu)優(yōu)勢：電機(jī)采用單支撐結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場安裝對中更加方便，降低了系統(tǒng)損耗，提高了系統(tǒng)效率，環(huán)保節(jié)能。

防爆優(yōu)勢：采用雙重防爆型式，克服了單一防爆型式的缺點(diǎn)，提高了產(chǎn)品的安全性和可靠性。

技術(shù)優(yōu)勢：采用先進(jìn)的有限元軟件精確設(shè)計，電機(jī)的電磁、結(jié)構(gòu)設(shè)計方案更精確合理，采用先進(jìn)的計算方法及手段，提高了產(chǎn)品的科技含量，使產(chǎn)品性能更佳。

服務(wù)優(yōu)勢：與國內(nèi)外其它企業(yè)相比，佳電通過多年的發(fā)展，在全國各主要城市都設(shè)有銷售及售后服務(wù)機(jī)構(gòu)，在全國范圍內(nèi)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)。

4 結(jié)語

TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機(jī)研制生產(chǎn)成功，將使我國大型防爆電機(jī)的地位得到提升，進(jìn)一步推進(jìn)國內(nèi)三相同步電動機(jī)發(fā)展，填補(bǔ)國內(nèi)空白。同時為我國大型防爆電機(jī)的設(shè)計制造積累大量寶貴的經(jīng)驗，為今后大電機(jī)的設(shè)計生產(chǎn)、大型設(shè)備國產(chǎn)化打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] GB 3836.3—2010，爆炸性環(huán)境 第3部分：由增安型“e”保護(hù)的設(shè)備[S].

[2] GB 3836.5—2004，爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第5部分：正壓外殼型“p”[S].

[3] 徐灝.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010:26-14～26-32.

[4] 陳興衛(wèi).驅(qū)動壓縮機(jī)用同步電動機(jī)的定子電流波動計算與飛輪力矩選擇[J].電機(jī)技術(shù)，2014.5.

[5] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000:253-258.

[6] 陳興衛(wèi).無刷勵磁同步電動機(jī)的防爆技術(shù)特點(diǎn)[J].防爆電機(jī)，2014.4.

Chinalized Design of TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1 Pressurized Enclosure/Increased-Safety Brushless Excitation Synchronous Motor

ZhaoDiandLiRui

(1.CNOOC Huizhou Petrochemical Refinery Sixth Business Unit, Huizhou 516086, China；2.Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)

Taking a TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1 pressurized enclosure/increased-

safety brushless excitation synchronous motor matched with an foreign compressor as an example, this paper researches explosion-proof advantages of this kind of motors, key points of designing single-supporting synchronous motors, and advantages of this kind of motors compared with domestic and international motors.

Pressurized enclosure/increased-safety；brushless excitation；synchronous motor；chinalized design

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.03.10

TM357

A

1008-7281(2017)03-0032-004

趙地 男 1980年生；畢業(yè)于北京化工大學(xué)機(jī)械工程及自動化專業(yè)，現(xiàn)從事設(shè)備管理工作.

2016-01-30