Theory and dvign理論與設(shè)計6kV雙繞組雙速大型循環(huán)水泵電機的研制黃松海'，2焦超群'黃鵬程'， 21北京交通大學(xué)( 100044 )2南車株洲電機有限公司( 412001 )Development of 6kV Double-winding Two-speed Motorfor Large Circulating PumpHUANG Song -hail2 JIAO Chao-qun' HUANG Peng -cheng'21 Beijing Jiaotong University2 CSR Zhuzhou Electric Co., Ltd摘要: 對雙繞組雙速大型循環(huán)水泵電機的設(shè)計思備,有著廣大的市場。以前大型循環(huán)水泵配套的路及原理進行了闡述,對其繞組方案、繞組內(nèi)部環(huán)流和電機大部分是國外進口電機。另外,現(xiàn)有的大型定子槽漏抗等進行了分析。并對6kV雙繞組雙速大型循循環(huán)水泵電機在運行中轉(zhuǎn)速恒定,運行方式單環(huán)水泵電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了介紹,并將測試結(jié)果與理一,機組的循環(huán)水量不能根據(jù)運行工況進行轉(zhuǎn)速論計算和仿真分析進行比較,為今后設(shè)計雙繞組雙速大調(diào)整,電能浪費嚴(yán)重、設(shè)備效率偏低。正是在這型循環(huán)水泵電機打下一個堅實的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:循環(huán)水泵電機環(huán)流有限元種以國產(chǎn)電機替代進口電機和響應(yīng)國家“節(jié)能減中圖分類號: TM343文獻標(biāo)識碼: A排”政策的大背景下，株洲南車電機自主研制了DOI編碼: 10.3969/jissn1006-2807.2012.06.001YKKLD3800-16/2750-18 6kV雙繞組雙速大型循Abstract: Design way and principle of the double-環(huán)水泵電機，是在以往生產(chǎn)的300M w和600MWwinding two-speed motor for largc circulating pump was級火電廠配套電機的基礎(chǔ)上加以開發(fā)而來的。described, mainly focused on the analysis of the windingways, current circulation in the winding and the leakagereactance in the stator slot of the double-winding two-speed1產(chǎn)品數(shù)據(jù)motor for large circulating pump. The structure design ofthe 6kV double-winding two-speed motor for large circulat-設(shè)計依據(jù)為《某電廠(2X600MW)工程立ing pump was introduced and the test results was compared式循環(huán)水泵配套電機技術(shù)協(xié)議書》和8668-2011with the theoretical calculations and simulation analysis,《大型三相立式異步電動機》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。具體技which laid a firm foundation for the future design of two-winding two-speed motor for large circulating pump.術(shù)參數(shù)為:Keywords: Circulating pump Electric motor Cur-額定功率3 800/2 750kW.額定頻率50Hz、額rent circulation Finite element定電壓6 000V、極數(shù)16/18P、絕緣等級F級(按B級考核)、防護等級IP54、電機效率>88%、功率隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,電力的需求越來越因數(shù)>0.7、安裝型式V1 (與泵直連)、工作制S1、大,同時隨著小火電廠的關(guān)閉,興建大型電廠成Tm/T中國煤化工≤6.5、旋轉(zhuǎn)方向為必然趨勢。大型循環(huán)水泵是各種大型發(fā)電廠必從電:MYHCNMHG逆時針旋轉(zhuǎn)額定不可少的設(shè)備,而循環(huán)水泵電機作為它的驅(qū)動設(shè)轉(zhuǎn)速372/330rmin^!. 空冷。<電機技術(shù)》2012年第6期.1.理論與設(shè)計Thery and design電動機能承受水泵轉(zhuǎn)動部件重量、水推力之2.1繞組方案和的向下軸向力正常34t/最大58t。由于電機功率大于2000kW,電機必須進行差動保護,單繞組變極由于其接法限制很難進行2設(shè)計思路差動保護,雙繞組變極電機以其所需的CT數(shù)少且接線方便而得到普遍應(yīng)用。這種電機從結(jié)構(gòu)為為了提高電機的效率,降低制造材料消耗和上又可分兩種:一種是每槽四層繞組的電機,另成本,電機的設(shè)計制造廠家都力求能用相對小的一種 為每槽僅兩層繞組的電機。采用兩層繞組定子鐵心外徑(小的機座號或中心高),設(shè)計制時,通過電磁計算兩個極下的起動轉(zhuǎn)矩均小于造出容量大的電機。這是當(dāng)今世界電機設(shè)計、制0.5倍，達不到技術(shù)協(xié)議要求,采用4層繞組,每造發(fā)展的總趨勢,也是衡量一個電機設(shè)計制造廠套繞組可分別選取適當(dāng)?shù)墓?jié)距,削弱諧波,有較家技術(shù)水平的重要標(biāo)志。隨著電機的主尺比=高的繞組節(jié)距系數(shù)和繞組分布系數(shù),繞組利用率le/r值!增加,電機必然越來越長,隨之而來的電高。機部件的剛度、強度,電機的振動、通風(fēng)、散熱冷2.2繞組內(nèi)部環(huán)流卻等的處理難度也就越大。電機設(shè)計得越細長,雙繞組雙速電動機中兩套獨立的繞組嵌入電機的重心位置就越高，運行時出現(xiàn)振動的可能同一定 子鐵心槽中，-套定子繞組用于高速,一性也越大。國內(nèi)某些電機設(shè)計制造廠家所生產(chǎn)的套定子繞組用于低速。 當(dāng)-套繞組工作時，另-H630以上立式電機,只是將原來的同功率同中心套繞組也處于工作繞組形成的旋轉(zhuǎn)磁場中, 此時高的臥式電機直接改造為立式電機,往往都出現(xiàn)定 子如同一臺變壓器,工作繞組為原邊,非工作比較大的振動。像這種運行工況的立式電機,為繞組為副邊,組成副邊繞組的線圈中勢必會產(chǎn)保證電機安全平穩(wěn)地運行,防止可能出現(xiàn)振動,生感應(yīng)電勢。若繞組內(nèi)部接線方式不當(dāng),將在非在用材、電氣性能等方面,都應(yīng)該作適當(dāng)?shù)奶幚?。工作繞組中產(chǎn)生環(huán)流，使工作繞組的磁勢波形畸為此，本電機在其電磁及結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要遵循以變,對工作繞組的性能、噪聲和振動將產(chǎn)生有害下特點(21: .的影響，而且將增高電機的溫升、降低電機的使(1)選擇經(jīng)實踐證明電磁振動小、噪音低的用壽命[3]。通過理論和試驗結(jié)果證明,只要繞組定、轉(zhuǎn)子槽配合,以避免出現(xiàn)由電磁所引起的振并聯(lián)支路數(shù)選取合適,且接法恰當(dāng),完全可以抑動。制兩套繞組相互間的感應(yīng)電勢,避免環(huán)流產(chǎn)生,(2)將i=le1τ值控制在1.5以內(nèi),以達到縮短使電機正常運行。本臺電機定子為162槽,設(shè)計鐵心長度、降低電機重心位置和減少振動的目16極繞組的并聯(lián)路數(shù)a=1, 18極繞組的并聯(lián)路數(shù)的。a=3,接線情況如下:(3)在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,采取-一切必要措施,盡(1) 16極繞組為工作繞組: 18極繞組的每可能壓縮電機的軸向高度尺寸。其中包括與椎力條支路連線方法采用間隔式(間隔180°),這軸承廠家溝通,盡量通過降低上、下機架的高度,樣每條支路的合成感應(yīng)電勢為零,不會產(chǎn)生環(huán)達到降低電機軸向高度的目的。流。A相繞組接線圖如圖1, 16極工作時,氣隙雙繞組雙速大型循泵電機的電磁計算與單磁場中的基波磁勢切割定子繞組并在定子繞繞組單速電機的計算基本相同,電磁計算程序基組中感應(yīng)電勢,其槽距角為17.777°,此時,在本.上是按兩臺獨立的電機進行的，只不過由于兩18極繞組中,同相相鄰的極相組間的相位差為套繞組處于同- -槽中, 因而某些參數(shù)如定子槽漏17.777° x0=160°但它D-EC0° ,則E10-12-=-E中國煤化工抗計算方法略有不同而已,另外還需考慮定子繞<160°MYHCNMHG_-E<0° , E91-93=組布置、環(huán)流分析等。E<160-，10-10--20必殺支路的合成電.2.2012年第6期《電機技術(shù)》Thery and design理論與設(shè)計勢為0。式中: L2== 江=Ns2obeis22W"1.2.3 ].1.可以.2E.可一1.可-一.間回hhs2= =au2+2L2_ho+hyh2入u2=--，/L2=圖1 18極A相繞組接線圖上、下層繞組每相槽漏抗及短距繞組槽漏抗(2) 18極繞組為工.作繞組: 16極繞組的連線的計算推導(dǎo)與參考文獻["相同,不再展開敘述。方法是將所有極相組串聯(lián)成- -條支路,每條支路的合成感應(yīng)電勢為零,不會產(chǎn)生環(huán)流。A相繞組3結(jié)構(gòu)接線圖如圖2。1-0.2.0.0....0...的.分間目3.1電機基本結(jié)構(gòu)YKKLD3800-16/2750-18 6kV雙繞組雙速大圖2 16極A相繞組接線圖型循泵電機基本結(jié)構(gòu)如圖6。2.3定子槽漏抗如圖3所示為- -矩形開口槽，上層繞組高度h,下層繞組高度h2。定子槽內(nèi)上、下層兩套繞組互相獨立,互不干擾。為了計算方便,又可分解為圖4和圖15141。C01軸端螺母2 滾動軸承裝配3冷卻器 4轉(zhuǎn)子5定子6機架7 推力滑動軸承8護欄圖6電機結(jié)構(gòu)圖電機整體采用懸掛式結(jié)構(gòu)，上軸承采用滑動圖13圖4圖5軸承,型號為SMZ15-250-8A,軸承本身作絕緣先計算圖4的上層繞組的每槽漏抗。設(shè)在圖處理,防止軸電流的產(chǎn)生;下軸承為滾動軸承,型4所示的槽內(nèi)有N;根串聯(lián)導(dǎo)體,導(dǎo)體內(nèi)電流為i,號為N U1060,軸向載荷主要由上端的滑動軸承承受。機座采用國際上流行的箱式結(jié)構(gòu),主要由上層繞組每槽漏抗:鋼板焊接制成,機座的四角用彎鋼板和槽鋼進行xsI'=2πfL=2πfNs1 μoleis|2W加固，具有剛度好,重量輕的優(yōu)點。機座布置有式中: L=- =Ns?uolerhs\i;2兩個空-空冷卻器,考慮到外風(fēng)扇及引風(fēng)罩置于As|=}u1+hLi非軸伸端時電機高度將超過4.5m,這樣造成運ho輸困難。另外,對電機的噪聲和振動以及電機的hulrbo3bo制造及維護有影響,故設(shè)計采取外冷卻風(fēng)機通下面來計算如圖5所示的下層繞組槽漏抗。風(fēng)冷卻。定、轉(zhuǎn)子鐵心均為用硅鋼片制成的沖片設(shè)在圖5的槽內(nèi)有Ns2根串聯(lián)導(dǎo)體,導(dǎo)體內(nèi)電流為疊壓中國煤化工鳳道。 定子鐵心i2,下層繞組每槽漏抗:采用外THCNMHG鐵心和機座能夠xs2'=2nfL2=2rfNs2 Holeis2(2)同時加工，有利于適應(yīng)日前電機加工周期普遍較《電機技術(shù)》2012年第6期.3.理論與設(shè)計Thery and design短的特點。定子鐵心兩端的壓圈分別與機座的兩4設(shè)計和試驗數(shù)據(jù)對比道中壁焊接固定,根據(jù)用戶要求,定子每相可配置溫度傳感器。線圈端部之間用端箍和綁扎繩YKKLD3800-16/2750-18 6kV雙繞組雙速大扎牢在一-起, 經(jīng)過真空壓力浸無溶劑漆后,整個型循泵電機是我廠 根據(jù)客戶要求開發(fā)的新產(chǎn)品,定子成為一個整體,能夠經(jīng)受振動和提高防潮能為了驗證該電機設(shè)計和分析的正確性,進行了電力,定子線圈是雙層疊繞組,絕緣等級按用戶要機型式試驗,設(shè)計與試驗主要數(shù)據(jù)對比如表2。求。轉(zhuǎn)軸采用軸上焊筋結(jié)構(gòu),有利于轉(zhuǎn)子上的軸表2 YKKLD3800-16/2750-18電機設(shè)計與試驗數(shù)據(jù)對比表向通風(fēng)和減輕轉(zhuǎn)子的重量。轉(zhuǎn)子鐵心兩側(cè)壓圈上3800kW(6極)2750kW (18極)裝置風(fēng)扇,吹拂電機繞組端部,利于電機內(nèi)部形數(shù)據(jù)名稱設(shè)計值試驗值標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計值試驗值|標(biāo)準(zhǔn)值成對稱風(fēng)路。.上機架為輻射型焊接結(jié)構(gòu),在機架額定電壓 kV 6 6|6中安裝有立式電機的關(guān)鍵部件,承受軸向推力與空載電流A214.8 216| 201.5| 204導(dǎo)向的整體式滑動軸承。機座下端蓋與軸承座間定子額定電流A| 494| 498 |393| 389最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)倍| 2.31 2.5 1| 2.12| 2.3| 1.采用固定連接,在軸承座內(nèi)裝有滾動軸承,轉(zhuǎn)軸起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)倍0.76 0.8| 0| 0.51| 0.45 0.下端通過聯(lián)軸器與工作泵相聯(lián)。堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)倍| 4.73| 5.0 6.5| 3.: 7| 4.2| 6.53.2機座有限元分析效事94.2 983.4 93功事因數(shù)0.7865| 0.78| 0.7| 0.7203| 0.7 0.3.2.1 載荷溫升K.|708065 80機座在工作中主要受以下兩種載荷作用:振動mm0.06 | 0.070.05| 0.07(1)軸向力,主要為工作泵的軸向推力、噪聲dB(A)100 109109轉(zhuǎn)子自重和單邊磁拉力,本電機中,軸向水推力為580kN,轉(zhuǎn)子自重為120kN,單邊磁拉力為根據(jù)以上數(shù)據(jù)對比可以作以下分析:空載電61kN。流略高于設(shè)計值,電機振動值和噪聲符合標(biāo)準(zhǔn)(2)轉(zhuǎn)矩,電機正常工作時的額定轉(zhuǎn)矩為要求。另外,用電阻法測得定子繞組溫升為70K,99330Nm,取過載系數(shù)為2.5時,過載轉(zhuǎn)矩為說明該電機的溫升值較低,有一-定的裕量,能滿足用戶使用要求。由于18極電機槽口漏抗數(shù)值較248 325Nm。大,故起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)僅為0.45,達不到標(biāo)準(zhǔn)要求3.2.2邊界條件機座下端以地腳螺栓與水泵連接,在Solid-的0.7倍。但因該設(shè)計是技術(shù)協(xié)議產(chǎn)品,它是根據(jù)Works仿真中,在機座與水泵的安裝面上施加面用戶提供的水泵轉(zhuǎn)動慣量和起動轉(zhuǎn)矩特性曲線,約束來模擬這一-約束形式[5]。算出電機起動時間是在電機安全起動時間以內(nèi)。所以,該電機通過了用戶驗收要求。3.2.3機座靜力學(xué)仿真.機座靜力學(xué)仿真結(jié)果見表1。參考文獻表l機座在過載工況載荷 下的靜力學(xué)仿真結(jié)果[]陳世坤.電機設(shè)計(第二版)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.載荷情況應(yīng)力MPa綜合變形mm[2]況國文. 3600kW立式斜流泵驅(qū)動電動機的設(shè)計[J].東方電機,過載工況載荷40.291995, 2.3.2.4仿真結(jié)果分析[3]周玲慧. 中型雙繞組變極雙速異步電機設(shè)計中的主要技術(shù)問題[].中小型電機, 1998, 2.危險位置主要發(fā)生在上機架,其最大軸向變4]陳金國.雙繞組變極調(diào)速三相異步電動機槽漏抗的計算[J].中形量為0.29mm。根據(jù)公司電機設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，上機架小型電機, 2000, 3.的變形允許值為0.3mm,機座最大應(yīng)力為49MPa[5]譚加中國煤化工汾析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].中南<215MPa (機座材料為Q235a時的屈服強度),MYHCNMHG。\以稿日期: 2012-05-03)綜_上分析本電機機座結(jié)構(gòu)符合靜力學(xué)要求。.4.2012年第6期《電機技術(shù)》