正壓外殼型無刷雙饋同步電動機的研制

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(1佳木斯大學，黑龍江佳木斯 154000； 2佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

風機和水泵在實際應用中數量眾多，分布面極廣，耗電量巨大。據有關部門的統計，全國風機、水泵電動機裝機總容量約40000MW，耗電量約占全國電力消耗總量的40%左右。目前，靠節流調節變負荷運行的定速風機和水泵還有很大的節電潛力，其潛力挖掘的焦點是提高風機和水泵的運行效率。

無刷雙饋同步電動機變頻調速系統是由高壓無刷雙饋同步電動機和低壓變頻器組成，電機定子功率繞組分別由高壓工頻電源和低壓變頻電源兩路供電，通過調節低壓電源頻率來改變電機轉速，可實現低壓變頻調速裝置控制高壓電動(發電)機，小容量變頻調速裝置控制大容量電動機的效果。特別適用于調速范圍50%以內的風機、水泵、壓縮機等風機、泵用負載的變頻節能應用，具有顯著的成本優勢和節能效果。

TZYWS 450-6 450kW正壓外殼型無刷雙饋電動機是高轉速、大容量、空水冷卻的大型正壓外殼型無刷雙饋電動機，也是目前國內最大容量的正壓外殼型無刷雙饋電動機，該產品用于某公司水務一循15#水泵，作為水泵的動力源。2015年11月，TZYWS 450-6 450kW正壓外殼型無刷雙饋電動機完成了總裝合成與檢驗，并獲得國家起重冶金及防爆電機質量監督檢驗中心發放的防爆合格證，并于2016年1月正式運行，至今運行平穩。

1 無刷雙饋同步電動機變頻調速系統原理

無刷雙饋同步電動機變頻調速系統:傳統交流電動機變頻調速系統中電動機變頻電源完全由變頻器提供，變頻器承受電網電壓并傳輸電動機所需的全部功率。而無刷雙饋電動機變頻調速系統中變頻繞組只承擔部分電功率，電動機所需的電功率大部分來自直接固定工頻電源的電動機工頻繞組，且無論工頻繞組電壓等級，變頻繞組可通過特殊設計，實現低壓供電，因此，無刷雙饋電動機變頻調速系統可由低壓小功率變頻器實現對高壓容量電動機的變頻調速控制。

變頻控制系統是一種配套無刷雙饋電動機運行的新型變頻調速裝置，該裝置利用工頻繞組和變頻繞組所產生的旋轉磁場相互作用原理，通過同時檢測無刷雙饋電動機兩套定子繞組的電壓、電流，并進行傅立葉分解和矢量運算，對變頻繞組進行變頻變壓控制，進而實現變頻調速運行。無刷雙饋電動機有兩套定子繞組，分別提供不同電壓、不同頻率的工作電源，其輸出轉速滿足

式中，fp—工頻繞組頻率；fc—變頻繞組頻率；Pp—工頻繞組極對數；Pc—變頻繞組極對數。

定義fp和fc均為+50Hz時，電動機的理想轉速為額定轉速，當fp為50Hz，fc為0Hz時，電動機的理想轉速為自然同步轉速，那么當fc為負頻率時，電動機運行在次同步速狀態，fc為正頻率時電動機運行在超同步速，由無刷雙饋電動機的特性決定，當fc為正頻率時，同變頻繞組向電網吸收功率，當fc為負頻率時變頻繞組向電網輸送功率，可見只有在超同步速運行時，電動機才具有高效特性，也就是從50%到100%額定轉速的調速范圍內，其電功率分別從工頻繞組和變頻繞組向電動機輸送，效率很高。

2 電動機性能指標

型號名稱：TZYWS 450-6 450kW 正壓外殼型無刷雙饋同步電動機

額定功率：450kW

額定轉速：990r/min

滿載效率：94%

相數：3

工頻繞組額定電壓：6kV

工頻繞組額定電流：40A

工頻繞組額定頻率：50Hz

工頻繞組額定功率因素：0.88

變頻繞組額定電壓：380V

變頻繞組額定電流：290A

變頻繞組額定頻率：16Hz

變頻繞組額定功率因素：0.8

熱分級：155級

安裝方式：IMB20

冷卻方式：IC81W

旋轉方向：逆時針(從電機軸伸端看)

工作制：S1

使用環境：WF1

防爆標志：ExepzIICT3

防護等級：IP54

調速范圍：750r/min～990r/min

3 設計方案

3.1 電磁設計

3.1.1 沖片設計方案

本方案電機的沖片三圓為800/555/270，氣隙1.5，槽配合72/96，由于槽形特殊，需重新開模具及裝壓胎具，沖片材質選用50W350。定、轉子槽形如圖1所示。

圖1定、轉子槽形

3.1.2 定子繞組方案

定子兩套繞組，分功率繞組和變頻繞組。定子功率繞組絕緣結構采用我公司正常的6kV少膠絕緣結構，主絕緣厚度3，匝間絕緣0.4，變頻繞組主絕緣厚度1，匝間絕緣0.4。具體數值見表1。

表1 定子繞組參數表

兩套繞組接線順序如圖2、圖3所示。

圖2功率繞組(2極)接線圖

圖3變頻繞組(6極)接線圖

3.1.3 轉子繞組方案

轉子繞組為散繞結構，分4種線圈。轉子線圈參數見表2。

表2 轉子線圈參數表

轉子繞組接線順序見圖4，轉子接線圖見圖5。

圖4轉子繞組接線順序

圖5轉子接線圖

3.2 結構設計

TZYWS 450-6 450kW 正壓外殼型無刷雙饋同步電動機，電機的安裝方式IMB20, 冷卻方式為IC81W，防護等級IP55，接線盒防護等級為IP55，采用滾動軸承。無刷雙饋同步電動機整體結構采用中型異步電動機方箱2代的結構設計，此種結構不僅結構強度好、美觀大方，而且我公司具備大量的生產制造經驗、生產成本較低。風路采用混流式通風結構，采用上水冷冷卻器，使電機風路合理，散熱良好。具體結構圖見圖6。

圖6電機結構圖

3.2.1 定子結構

定子主要由機座、定子鐵心、定子線圈等部件組成，定子具有兩套相互獨立的繞組，一套繞組為高壓繞組，額定電壓為6kV，位于定子槽的下層，另一套繞組為低壓繞組，額定電壓為380V，位于定子槽的上層。兩套繞組均為成型線圈，下線方式采用單層疊繞組的形式，兩套繞組分別引入獨立的接線盒如圖7所示。

圖7定子示意圖

機座起著固定、支撐、保護定子鐵心、定子繞組的作用，同時還構成電動機通風循環回路，因此，機座采用優質鋼板焊接成一個牢固的整體，側板采用彎折結構，增強強度、減少焊接量。定子鐵心利用通風槽板形成徑向風路，減少漏磁通、加大氣隙通風、提高效率、降低溫升。機座兩側裝有防潮加熱器，電源380V、50Hz，功率400W。

3.2.2 轉子結構

轉子主要由轉軸、風扇、轉子線圈等零部件組成。轉軸為焊筋軸，軸伸端安裝離心式風扇，非軸伸端安裝平衡環，TZYWS 450-6 450kW正壓外殼型無刷雙饋同步電動機轉子線圈為散線形式，共有5種不同的線圈，線圈匝數節距均不同，經過連接形成四套閉合的線圈組，下線后端部用無緯帶綁扎后浸漆固定。轉子示意圖如圖8所示。

圖8轉子示意圖

3.2.3 正壓設計

電動機內部布設吹掃管道，正壓外殼型電機要求起動前能對電機內部吹掃干凈，不留死角、電機在運行時電機內部最小壓力差大于50Pa(標準考核值)、150Pa(控制裝置高于報警值或連鎖停機值)通過實驗, 合理布置吹掃管路，保證吹掃時無死角，并找到電機運行時最小壓力點，確保電機的防爆性能。

在電機運行前，為了防止電機內部存在可燃氣體，需要換氣吹掃，該系統由排氣閥和控制單元組成，通過氣壓控制，可自動調節進氣量:排氣閥設在冷卻器上部，制單元安裝在機座側板上，干燥清潔的儀表風通過控制單元，進入機座底板上的兩條管道，管道上分布有排氣孔，儀表風從排氣孔排出后均勻地分布在電機下部，這樣就避免了電機內部留有死角，防止危險氣體的殘留。當電機內部氣壓達到一定壓力后，排氣閥自動打開開始排氣，逐漸達到進排氣平衡，當換氣量達到電機內腔體積的5倍左右時，關閉氣源換氣結束。當電機運行時換氣裝置進行通風補償，使電機內部氣壓大于外部氣壓，有效防止可燃性氣體的進入。TZYWS 450-6 450kW 正壓外殼型無刷雙饋同步電動機選用我公司自主研發生產的JDCT-6000(P)型正壓裝置。

本電機吹掃正壓參數經試驗，數據如下

(1)電動機吹掃數據

吹掃氣體：惰性氣體、干燥空氣

電機內部凈體積：6m3

吹掃時間：20min

吹掃流速：1500NL/min

(2)電動機正壓運行參數

內部壓力值：1000Pa

低壓報警值：150Pa

中壓報警值：500Pa

高壓報警值：3000Pa

泄漏補償值：500NL/min

4 研制過程中的問題及解決方案

4.1 轉子

電動機試驗時轉子線圈損壞，具體情況及原因如下：起動時盤車，接通電源，電壓升至2000V～3000V左右轉子起動，起動電流達80A左右，電機起動后正常運轉，但是有燒焦的味道，電機頂部有煙霧吹出。

拆機檢查定子未發現問題。轉子軸伸端(接線端)發現一處燒黑的痕跡，拆開轉子接線，發現一組轉子線圈端部靠近接線處大面積燒黑。測量絕緣電阻，6組線圈中有5組對地絕緣電阻為零。繼續切開線圈端部，發現有2支線圈端部匝間短路，絕緣燒毀。轉子共有6個極相組，經檢測有五組線圈中，底層線圈均有一支線圈破壓，位置均在槽底部第一層，槽口出線處無損傷。

通過對燒毀線圈的分析，認為在轉子線圈制造過程中，轉子線圈絕緣薄弱，轉子兩套繞組之間發生短接，而此無刷雙饋電機運行原理較為特殊，轉子繞組由兩套繞組經特殊設計變形得到，兩套繞組一旦發生短接，會產生過電流，持續的過電流導致轉子線圈溫升過高，造成線圈絕緣燒毀。

而后我公司對工藝進行了改進，降低了轉子線圈制造難度，重新制造轉子時，我公司總結經驗教訓，為避免上述事故的再次發生，對生產過程的各個環節嚴格把關，并將容易產生問題的線圈更改形式，將最外層的線圈組由疊繞組改為同心式繞組，減少線圈交叉部分，并降低了端部高度，從而降低了線圈絕緣損壞的風險。

當電機再次裝配完成，進行試驗時，電機多次起動，沒有再次發生故障，確定可靠運行。

4.2 變頻控制系統

無刷雙饋系統試驗時，當系統處于異步切同步過程中發生IGBT爆炸。爆炸發生前工頻繞組的電流不穩定，說明同步不成功，電機沒有進入同步運行狀態。爆炸發生在工頻繞組電流快速增加的過程中，明顯聽到多次爆炸聲，而且爆炸聲能明顯聽出間隔，間隔時間在百毫秒以上。同時爆炸聲音非常大。

變頻裝置中的三相全橋9只IGBT模塊全部嚴重炸毀，18個IGBT單管都有明顯的損傷，屬于嚴重過電流炸毀，瞬間電流高達數千安培以上。耗能部分IGBT嚴重炸毀，而且是上下橋臂兩個IGBT單管都有明顯的損傷。三路9只輸入整流二極管，7只正常，2只損壞，處于短路狀態，外殼完好沒有破損。直流母排嚴重損壞，多處母排與IGBT連接處銅牌融化。瞬間電流非常大。與IGBT直接連接的驅動小板嚴重損壞。以IGBT為中心周邊全部被電弧灼傷，隔離板以外器件全部正常，主控板等所有PCB板均正常，沒有發現任何故障。原因分析如下

(1)檢查發現耗能部分IGBT驅動小板，上橋臂驅動G極沒有短接。

(2)耗能IGBT上下橋臂直通沒有保護措施。

(3)無刷雙饋電機處于饋電狀態，將使母線電壓快速升高，母線過壓硬件保護功能也處于失效狀態。

(4)無刷雙饋變頻裝置的全橋的輸出接在變頻繞組上由于只是工頻繞組輸入了6kV的高壓電源，因此相對于全橋電路來說有無窮大的能量直到全部炸毀。

經我公司總結經驗，對變頻方案進行改進，當電機再次裝配完成，進行試驗時，電機多次起動，沒有再次發生故障，確定可靠運行。

5 產品性能測試、防爆檢驗

5.1 產品性能測試

TZYWS 450-6 450kW 正壓外殼型無刷雙饋同步電動機主要性能見表3。

表3 正壓外殼型無刷雙饋同步電動機主要性能

從試驗性能可以看出，該電機具備效率高、功率因數高、振動小、噪聲低等優良性能，且變頻啟動，通過V-F控制，無需考慮起動電流及起動轉矩等問題。

5.2 防爆檢驗

防爆電機在性能合格的同時，防爆安全檢查也是關鍵部分。我們委托國家起重冶金及防爆電機質量監督檢驗中心對該電動機進行了防爆安全檢查。通過了產品圖紙、技術文件檢查，并對電動機樣機進行了最高正壓、最低正壓檢查，以及泄漏試驗、換氣和稀釋試驗、控制裝置可靠性試驗等全面檢測。結果表明各項性能指標全部合格，并取得了防爆合格證，防爆標志：ExepzIICT3 Gc。

6 結語

我公司此次生產的TZYWS 450-6 450kW 正壓外殼型無刷雙饋同步電動機，由于其品質高、性能好、運行穩定、節能效果顯著，現已具備國內首創、國際領先水平。實踐證明，該系列產品具有顯著的節電效果，是一種理想的調速控制方式。既提高了設備效率，又滿足了生產工藝要求，同時還大大減少了設備維護、維修費用，另外能很好地改善功率因數，也可以為電網節約容量。直接和間接經濟效益十分明顯。目前該系列產品正逐漸替代普通變頻類產品推向市場。

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