6kV双绕组双速大型循环水泵电机的研制

Theory and dvign理论与设计6kV双绕组双速大型循环水泵电机的研制黄松海'，2焦超群'黄鹏程'， 21北京交通大学( 100044 )2南车株洲电机有限公司( 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: 对双绕组双速大型循环水泵电机的设计思备,有着广大的市场。以前大型循环水泵配套的路及原理进行了阐述,对其绕组方案、绕组内部环流和电机大部分是国外进口电机。另外,现有的大型定子槽漏抗等进行了分析。并对6kV双绕组双速大型循循环水泵电机在运行中转速恒定,运行方式单环水泵电机的结构设计进行了介绍,并将测试结果与理一,机组的循环水量不能根据运行工况进行转速论计算和仿真分析进行比较,为今后设计双绕组双速大调整,电能浪费严重、设备效率偏低。正是在这型循环水泵电机打下一个坚实的基础。关键词:循环水泵电机环流有限元种以国产电机替代进口电机和响应国家“节能减中图分类号: TM343文献标识码: A排”政策的大背景下，株洲南车电机自主研制了DOI编码: 10.3969/jissn1006-2807.2012.06.001YKKLD3800-16/2750-18 6kV双绕组双速大型循Abstract: Design way and principle of the double-环水泵电机，是在以往生产的300M w和600MWwinding two-speed motor for largc circulating pump was级火电厂配套电机的基础上加以开发而来的。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产品数据motor for large circulating pump. The structure design ofthe 6kV double-winding two-speed motor for large circulat-设计依据为《某电厂(2X600MW)工程立ing pump was introduced and the test results was compared式循环水泵配套电机技术协议书》和8668-2011with the theoretical calculations and simulation analysis,《大型三相立式异步电动机》行业标准。具体技which laid a firm foundation for the future design of two-winding two-speed motor for large circulating pump.术参数为:Keywords: Circulating pump Electric motor Cur-额定功率3 800/2 750kW.额定频率50Hz、额rent circulation Finite element定电压6 000V、极数16/18P、绝缘等级F级(按B级考核)、防护等级IP54、电机效率>88%、功率随着国民经济的发展,电力的需求越来越因数>0.7、安装型式V1 (与泵直连)、工作制S1、大,同时随着小火电厂的关闭,兴建大型电厂成Tm/T中国煤化工≤6.5、旋转方向为必然趋势。大型循环水泵是各种大型发电厂必从电:MYHCNMHG逆时针旋转额定不可少的设备,而循环水泵电机作为它的驱动设转速372/330rmin^!. 空冷。<电机技术》2012年第6期.1.理论与设计Thery and design电动机能承受水泵转动部件重量、水推力之2.1绕组方案和的向下轴向力正常34t/最大58t。由于电机功率大于2000kW,电机必须进行差动保护,单绕组变极由于其接法限制很难进行2设计思路差动保护,双绕组变极电机以其所需的CT数少且接线方便而得到普遍应用。这种电机从结构为为了提高电机的效率,降低制造材料消耗和上又可分两种:一种是每槽四层绕组的电机,另成本,电机的设计制造厂家都力求能用相对小的一种 为每槽仅两层绕组的电机。采用两层绕组定子铁心外径(小的机座号或中心高),设计制时,通过电磁计算两个极下的起动转矩均小于造出容量大的电机。这是当今世界电机设计、制0.5倍，达不到技术协议要求,采用4层绕组,每造发展的总趋势,也是衡量一个电机设计制造厂套绕组可分别选取适当的节距,削弱谐波,有较家技术水平的重要标志。随着电机的主尺比=高的绕组节距系数和绕组分布系数,绕组利用率le/r值!增加,电机必然越来越长,随之而来的电高。机部件的刚度、强度,电机的振动、通风、散热冷2.2绕组内部环流却等的处理难度也就越大。电机设计得越细长,双绕组双速电动机中两套独立的绕组嵌入电机的重心位置就越高，运行时出现振动的可能同一定 子铁心槽中，-套定子绕组用于高速,一性也越大。国内某些电机设计制造厂家所生产的套定子绕组用于低速。 当-套绕组工作时，另-H630以上立式电机,只是将原来的同功率同中心套绕组也处于工作绕组形成的旋转磁场中, 此时高的卧式电机直接改造为立式电机,往往都出现定 子如同一台变压器,工作绕组为原边,非工作比较大的振动。像这种运行工况的立式电机,为绕组为副边,组成副边绕组的线圈中势必会产保证电机安全平稳地运行,防止可能出现振动,生感应电势。若绕组内部接线方式不当,将在非在用材、电气性能等方面,都应该作适当的处理。工作绕组中产生环流，使工作绕组的磁势波形畸为此，本电机在其电磁及结构设计中主要遵循以变,对工作绕组的性能、噪声和振动将产生有害下特点(21: .的影响，而且将增高电机的温升、降低电机的使(1)选择经实践证明电磁振动小、噪音低的用寿命[3]。通过理论和试验结果证明,只要绕组定、转子槽配合,以避免出现由电磁所引起的振并联支路数选取合适,且接法恰当,完全可以抑动。制两套绕组相互间的感应电势,避免环流产生,(2)将i=le1τ值控制在1.5以内,以达到缩短使电机正常运行。本台电机定子为162槽,设计铁心长度、降低电机重心位置和减少振动的目16极绕组的并联路数a=1, 18极绕组的并联路数的。a=3,接线情况如下:(3)在结构设计时,采取-一切必要措施,尽(1) 16极绕组为工作绕组: 18极绕组的每可能压缩电机的轴向高度尺寸。其中包括与椎力条支路连线方法采用间隔式(间隔180°),这轴承厂家沟通,尽量通过降低上、下机架的高度,样每条支路的合成感应电势为零,不会产生环达到降低电机轴向高度的目的。流。A相绕组接线图如图1, 16极工作时,气隙双绕组双速大型循泵电机的电磁计算与单磁场中的基波磁势切割定子绕组并在定子绕绕组单速电机的计算基本相同,电磁计算程序基组中感应电势,其槽距角为17.777°,此时,在本.上是按两台独立的电机进行的，只不过由于两18极绕组中,同相相邻的极相组间的相位差为套绕组处于同- -槽中, 因而某些参数如定子槽漏17.777° x0=160°但它D-EC0° ,则E10-12-=-E中国煤化工抗计算方法略有不同而已,另外还需考虑定子绕<160°MYHCNMHG_-E<0° , E91-93=组布置、环流分析等。E<160-，10-10--20必杀支路的合成电.2.2012年第6期《电机技术》Thery and design理论与设计势为0。式中: L2== 江=Ns2obeis22W"1.2.3 ].1.可以.2E.可一1.可-一.间回hhs2= =au2+2L2_ho+hyh2入u2=--，/L2=图1 18极A相绕组接线图上、下层绕组每相槽漏抗及短距绕组槽漏抗(2) 18极绕组为工.作绕组: 16极绕组的连线的计算推导与参考文献["相同,不再展开叙述。方法是将所有极相组串联成- -条支路,每条支路的合成感应电势为零,不会产生环流。A相绕组3结构接线图如图2。1-0.2.0.0....0...的.分间目3.1电机基本结构YKKLD3800-16/2750-18 6kV双绕组双速大图2 16极A相绕组接线图型循泵电机基本结构如图6。2.3定子槽漏抗如图3所示为- -矩形开口槽，上层绕组高度h,下层绕组高度h2。定子槽内上、下层两套绕组互相独立,互不干扰。为了计算方便,又可分解为图4和图15141。C01轴端螺母2 滚动轴承装配3冷却器 4转子5定子6机架7 推力滑动轴承8护栏图6电机结构图电机整体采用悬挂式结构，上轴承采用滑动图13图4图5轴承,型号为SMZ15-250-8A,轴承本身作绝缘先计算图4的上层绕组的每槽漏抗。设在图处理,防止轴电流的产生;下轴承为滚动轴承,型4所示的槽内有N;根串联导体,导体内电流为i,号为N U1060,轴向载荷主要由上端的滑动轴承承受。机座采用国际上流行的箱式结构,主要由上层绕组每槽漏抗:钢板焊接制成,机座的四角用弯钢板和槽钢进行xsI'=2πfL=2πfNs1 μoleis|2W加固，具有刚度好,重量轻的优点。机座布置有式中: L=- =Ns?uolerhs\i;2两个空-空冷却器,考虑到外风扇及引风罩置于As|=}u1+hLi非轴伸端时电机高度将超过4.5m,这样造成运ho输困难。另外,对电机的噪声和振动以及电机的hulrbo3bo制造及维护有影响,故设计采取外冷却风机通下面来计算如图5所示的下层绕组槽漏抗。风冷却。定、转子铁心均为用硅钢片制成的冲片设在图5的槽内有Ns2根串联导体,导体内电流为叠压中国煤化工凤道。 定子铁心i2,下层绕组每槽漏抗:采用外THCNMHG铁心和机座能够xs2'=2nfL2=2rfNs2 Holeis2(2)同时加工，有利于适应日前电机加工周期普遍较《电机技术》2012年第6期.3.理论与设计Thery and design短的特点。定子铁心两端的压圈分别与机座的两4设计和试验数据对比道中壁焊接固定,根据用户要求,定子每相可配置温度传感器。线圈端部之间用端箍和绑扎绳YKKLD3800-16/2750-18 6kV双绕组双速大扎牢在一-起, 经过真空压力浸无溶剂漆后,整个型循泵电机是我厂 根据客户要求开发的新产品,定子成为一个整体,能够经受振动和提高防潮能为了验证该电机设计和分析的正确性,进行了电力,定子线圈是双层叠绕组,绝缘等级按用户要机型式试验,设计与试验主要数据对比如表2。求。转轴采用轴上焊筋结构,有利于转子上的轴表2 YKKLD3800-16/2750-18电机设计与试验数据对比表向通风和减轻转子的重量。转子铁心两侧压圈上3800kW(6极)2750kW (18极)装置风扇,吹拂电机绕组端部,利于电机内部形数据名称设计值试验值标准值设计值试验值|标准值成对称风路。.上机架为辐射型焊接结构,在机架额定电压 kV 6 6|6中安装有立式电机的关键部件,承受轴向推力与空载电流A214.8 216| 201.5| 204导向的整体式滑动轴承。机座下端盖与轴承座间定子额定电流A| 494| 498 |393| 389最大转矩倍数倍| 2.31 2.5 1| 2.12| 2.3| 1.采用固定连接,在轴承座内装有滚动轴承,转轴起动转矩倍数倍0.76 0.8| 0| 0.51| 0.45 0.下端通过联轴器与工作泵相联。堵转电流倍数倍| 4.73| 5.0 6.5| 3.: 7| 4.2| 6.53.2机座有限元分析效事94.2 983.4 93功事因数0.7865| 0.78| 0.7| 0.7203| 0.7 0.3.2.1 载荷温升K.|708065 80机座在工作中主要受以下两种载荷作用:振动mm0.06 | 0.070.05| 0.07(1)轴向力,主要为工作泵的轴向推力、噪声dB(A)100 109109转子自重和单边磁拉力,本电机中,轴向水推力为580kN,转子自重为120kN,单边磁拉力为根据以上数据对比可以作以下分析:空载电61kN。流略高于设计值,电机振动值和噪声符合标准(2)转矩,电机正常工作时的额定转矩为要求。另外,用电阻法测得定子绕组温升为70K,99330Nm,取过载系数为2.5时,过载转矩为说明该电机的温升值较低,有一-定的裕量,能满足用户使用要求。由于18极电机槽口漏抗数值较248 325Nm。大,故起动转矩倍数仅为0.45,达不到标准要求3.2.2边界条件机座下端以地脚螺栓与水泵连接,在Solid-的0.7倍。但因该设计是技术协议产品,它是根据Works仿真中,在机座与水泵的安装面上施加面用户提供的水泵转动惯量和起动转矩特性曲线,约束来模拟这一-约束形式[5]。算出电机起动时间是在电机安全起动时间以内。所以,该电机通过了用户验收要求。3.2.3机座静力学仿真.机座静力学仿真结果见表1。参考文献表l机座在过载工况载荷 下的静力学仿真结果[]陈世坤.电机设计(第二版)[M].北京:机械工业出版社,2000.载荷情况应力MPa综合变形mm[2]况国文. 3600kW立式斜流泵驱动电动机的设计[J].东方电机,过载工况载荷40.291995, 2.3.2.4仿真结果分析[3]周玲慧. 中型双绕组变极双速异步电机设计中的主要技术问题[].中小型电机, 1998, 2.危险位置主要发生在上机架,其最大轴向变4]陈金國.双绕组变极调速三相异步电动机槽漏抗的计算[J].中形量为0.29mm。根据公司电机设计标准，上机架小型电机, 2000, 3.的变形允许值为0.3mm,机座最大应力为49MPa[5]谭加中国煤化工汾析及结构优化[D].中南<215MPa (机座材料为Q235a时的屈服强度),MYHCNMHG。\以稿日期: 2012-05-03)综_上分析本电机机座结构符合静力学要求。.4.2012年第6期《电机技术》