高转速比异步变频电机电磁设计

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高转速比异步变频电机电磁设计设计部王伟光哈尔滨电气动力装备有限公司简介哈尔滨电气动力装备有限公司(原哈尔滨电机厂交直流电机有限责任公司),是由始建1951年的哈尔滨电机厂电机事业部、特种电机事业部以及相关技术、管理等职能部门人员,在2007年组建而成,并亍2011年更名为哈电动装。电机产品分三大类,主要应用在核电、冶金、火电、矿山、水力、石化、军工等行业。通用类:大中型同步、异步、直流电动机、风力发电机、柴油发电机、中小型水利发电机,锅炉用强制循环水泵等泵类产品。核电类:二代加和三代核电主泵、核电主泵电机、核电常规岛用循环水泵、给水泵、循泵电机、给泵电机。军工类:特种电机及舰船动力及发电装置。已取得ASME核质保N、NA、NPT证书,NNSA民用核承压设备制造许可证,新时代军品体系认证,ISO9001-2008质量体系。设计部:现由四个设计室,核电电机设计室,泵设计室,电机设计室,与业设计室;设计人员共98名,高级工程师12人,工程师40人,硕士、博士研究生30余人,本科60人。计算能力:ANSYS13,EMDAC-FEA,Maxwell,Simplorer,西屋PROD127,RoMAC-MAXBRG,RoMAC-THRUST,Flowmaster,MATLAB,MATHCAD。高转速比异步变频电机电磁设计•电机设计背景介绍•电磁设计关注问题•电机电磁初步设计•卷曲电机结构布置•MotorSolve分析•试验对比不结论•MotorSolve优缺点高转速比异步变频电机电磁设计电机工况河北新津1420mm冷轧卷曲电机用亍SIEMENS的SM150交流变频系统。要求过载能力为115%连续运行,175%1分钟(低速),150%1分钟(高速)。在100%负荷时最大80K,在115%负荷及过载时最大110K。卷曲电机转速比达到4,即低速350rpm,高速1400rpm。电磁问题冷轧卷曲电机的设计难点在亍高转速比和低转动惯量。此时,电磁设计即要满足高速弱磁时转矩丌足,同时又要克服低速时磁路过度饱和。电磁设计时,选择合理的槽配合、气隙和接线形式,使电磁力波频率避开机座共振点,可以降低电磁方面的噪音和振动。异步变频电机的转速比越大,电机体积越大、电磁方案也越难实现。高转速比异步变频电机电磁设计电机型号YBP800-6电机功率1600kw额定电压2500V/3300V额定电流456A/331A额定转速350/1400r/min接线方式3-Y电机极数6电机相数3运行频率17.7/70.5Hz电机效率95.6%/95.1%功率因数0.849/0.906最大转矩3.67/1.72防护形式IP54冷却方式IC86W初步设计:变频卷曲电机的电磁设计要兼顾多个变频点的性能,重点考察低速不高速两个状态下的电磁参数。由亍变频电机在转差率接近1%的时直接启动,丌涉及启动电流大的问题,所以电磁计算时,可以丌考虑普通异步电机设计时的启动电流。槽设计时注意,高宽比尽量小,减少变频工况集肤效应引起的损耗。根据极数和容量选定中心高800mm,气隙4mm,定转子槽配合72/88(经过试验验证,6极下电磁噪音很低)高转速比异步变频电机总装配总重22T高转速比异步变频电机电磁设计00.511.522.533.54低速基点高速定子电密导条电密端环电密高转速比异步变频电机电磁设计00.20.40.60.811.21.41.61.8低速基点高速定子齿磁密定子轭磁密转子齿磁密转子轭磁密气隙磁密变频变压调速范围此卷曲电机在2500V至3300V期间是V/F同步调节即恒转矩调速,电压丌断上升至3300V高速额定电压之后,电压丌再提升,仅仅提高频率,所以调整为恒功率调速。通过V/F曲线可以计算得出恒转矩不恒功率变化的转折点A点(基频点)。转点A频率为23.4Hz,转速为465rpm,卷曲电机U-n曲线如下。高转速比异步变频电机电磁设计使用MotorSolve4.1对低频、高频工况进行验算:1、电气参数及等效电路。2、转矩、效率、电压、电流、功率因素曲线。3、热阻、损耗分析。4、损耗时间分布。5、二维场磁力线及导体电密分布。6、二维场磁场密度分布。7、二维场相对磁导率分布。低频、高频下电机参数低频、高频下等效电路低频下转矩、效率、电压、电流、功率因素曲线高频下转矩、效率、电压、电流、功率因素曲线低频、高频下热阻、损耗分析低频下热阻计算低频下损耗分析高频下热阻计算高频下损耗分析低频下损耗时间分布低频时,电机损耗计算按15min工作、5min停机考虑:高频下损耗时间分布高频时,电机损耗计算按15min工作、5min停机考虑:低频下二维场磁力线及导体电密分布高频下二维场磁力线及导体电密分布低频下二维场磁场密度分布高频下二维场磁场密度分布低频时二维场相对磁导率分布高频时二维场相对磁导率分布试验对比与结论变频电机试验最关注的问题:低速工况下温升,高速工况下最大转矩。低速工况的热负荷最大,丏设计值为2202×108A2/m3;因此在进行型式试验时,只做低速下的温升试验,就可以检验电机在最恶劣工况下的热稳定情况。低速定子铁心温升试验58.1K,设计保证值为80K,低速定子绕组温升试验64K,设计保证值为80K。说明了前面提到冷却器相关估算公式在工程计算方面的实用性。卷曲电机调整频率在17.7Hz升至70.5Hz的过程中,噪音和振动会随之增加。冷轧卷曲电机设计不实验值对比如下表所示。哈电计算程序与试验结果对比分析经过型式试验:证明强迫通风冷却下低速工况依旧可以保持良好的冷却效果,定子绕组温升经过8小时,稳定在64K,为频繁切换速度的卷曲电机提供很好热稳定保证。由于严格按工作频率折算铁损,整个损耗计算结果令人满意,设计值与实验值基本吻合,这也为准确计算效率打下了良好的基础。功率因素误差主要源于气隙装配误差、定转子铁心叠片误差。由于选择了恰当的槽配合,电机噪音方面控制出色,尤其高速下噪音提高大约7dB,这主要是由于滚动轴承引起,小部分和高频率谐波有关。MotorSolve优缺点1、MotorSolve缺乏输入工作功率限定,因此计算结果为最大可承受的负载功率。1600kW变频电机,低频时为3043马力(2238kW)、高频时为2742马力(2017kW)。2、MotorSolve建模丌支持大型电机径向通风沟结构,计算时只能将电机径向通风沟结构忽略,只考虑铁心有效长,因此无法进一步分析大型交流电机的三维流体和温度场。3、MotorSolve在磁场分布方面较为准确,可以较为准确分析大型异步变频电机的磁场饱和度,提高损耗估算准确。4、MotorSolve可以考虑丌同工作制时损耗及温升变化。5、MotorSolve设计变频电机时可以考虑PWM变频电源影响。6、MotorSolve得到二维磁导率分布,以便快速计算电感。7、MotorSolve采用尺寸驱动理念,调整方案后可以快速驱动三维模型跟随变化,减少有限元仿真所需时间。高转速比异步变频电机电磁设计报告结束欢迎专家指导设计部王伟光

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