低压大功率变频调速鼠笼式三相异步电动机设计心得

论文

‰删施泓

理论与设计

低压大功率变频调速鼠笼式三相异步电动机设计心得

肖

红

范作智

抚顺煤矿电机制造有限责任公司（１１３００８）

ＤｅｓｉｇｎＥｘｐｅｒｉｅｎｃｅａｂｏｕｔＬｏｗＶｏｌｔａｇｅ

ｍｇｈ ｐｏｗｅｒ

Ｖａｒｉａｂｌｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ－ｓｐｅｅｄＴｈｒｅｅＰｈａｓｅＡｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ

ＦａｎＺｕｏｚｈｉ

Ｍｏｔｏｒ

Ｘ｛ｎｏＨｏｎｇ

ＦｕｓｈｕｎＣｏａｌＭｉｎｉｎｇＭｏｔｏｒＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＬｔｄ．

摘要：在传统的感应电机电磁计算程序中增加变频凋速电机的方案计算，结合工作阐述了该电磁方案设计及机械结构方面的一些心得。

关键词：变频调速电机电磁计算结构设计

Ａｂｓｔｒａｅｔ：Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｐｅｅｄ．ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ

接线方式：Ｙ额定频率：５０

Ｈｚ

Ｈｚ

Ｙ６０

Ｈｚ

改频范围：０～５０￣７５工作制：Ｓｌ冷却方式：水冷１．２技术要求

Ｏ～６０￣７０Ｈｚ

Ｓｌ

ｐｒｏｇｒａｍｏｆｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－

ｍｏｔｏｒｗａｓａｄｄｅｄｉｎｔｏｔｈｅ

水冷

ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｄｕｃｔｉｏｎ

ｍｏｔｏｒ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅａｎｄｗｏｒｋｉｎ

ｗｈａｔｔｈｅｙｈａｖｅｌｅａｒｎｅｄｆｒｏｍ

电机能在海拔不超过１０００ｍ，温度不超过４０＂Ｃ的环境下连续额定运行。当功率、电压及频率为额定值时，电动机效率为９５．７％，功率因数为０．８９，起动转矩对额定转矩之比的保证值为１．５倍。

在满足电机要求的水冷条件且满足电机要

ｔｈｅｆｉｅｌｄｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ

ｗｅｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｅｉｔｈｅｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｖａｒｉａｂｌｅ．ｆｒｅｑｕｅｎｃ

ａｇｎｅｔｉｃ

ＭｏｔｏｒＥｌｅｃｔｒｏｍ

Ｃｏｍｐｕｔｅｍａｃｈｉｎｅｒｙ

近年来随着变频技术的日益成熟，变频器供电的三相笼型感应电动机在各行各业开始了广泛的应用。现将我们按用户要求设计的低压大功率变频调速电机的设计方法进行全面阐述。该变频电机是用于风力发电机组齿轮箱试验的。

求的频率、电压下＇允许电机在冷态从零转速以１．５倍起动转矩堵转起动，堵转时间不大＝Ｊ＝３ｍｉｎ。允许电机在冷态、额定工况下，在不超过３ｍｉｎ时间内，以１．８倍过载而不发生颠覆。电动机采用Ｈ级绝缘，定子绕组温升值（电阻法）应不超过１００Ｋ，轴承的允许温度（温度计法），应不超过

１

电机参数

９５℃。

１．１规格

２

电磁计算

所设计的变频调速电动机的两种规格如下：额定功率：１５００ｋＷ

额定电流：８７２

Ａ

１８５０

ｋＷ

２．１程序改进

采用电磁设计核算程序是根据输入的原始数据如额定电压、额定功率、额定电流、频率和槽形尺寸等，经过迭代计算完成。但对于变频电

‘电机技术＇２０１０年第１期 玎

１７８０Ａ６９０

额定电压：１１４０额定转速：１４８７

Ｖｒ／ｍｉｎ

Ｖ

１７８６ｒ／ｒａｉｎ

万方数据　

论文

理论与设计

机而言，需要考虑个频率点的性能参数，因此参照文献ｆｌ】的方法对原计算程序进行了改编，完成了对变频电机的核算任务。如表ｌ所示，方案完全满足用户对电机性能的要求。

表ｌ

１５００ｋＷ变频电机主要参数一览表频率

电压电压感应电势转矩

电机功率ＨｚＵｌ线，Ｖ

Ｕｌ相／Ｖ

日／Ｖ

Ｔ／Ｎｍ

Ｐ，／ｋＷ

５

１２７．６５

７３．７０６３．０８１６７０１．１３２２１．４９ｌＯ

２４３．２１

１４０．４２１２６．１６１５９１４．３１４６５２１２０

４７２．４９２７２．８０２５２．３３１４３３９．４８８７３５４３０

６９８．６７４０３．３９３７８．４９１２７６６．３８１１８１．６ｌ４０９２２．０３５３２．３５５０４．６６１１１８９．１２１３８９．５０５０１１４０．ＯＯ６６０．００６３０．８２９６２７．０４１５００．００６０１１４０ＯＯ６６０．００６２５．２８８０２３．６４１５００．ＯＯ７０

１１４０．ＯＯ

６６０．００

６１８．８５

６８７８．７７

１５００．００

频率

转速

定子最大转矩倍数

功率Ｈｚ

Ｎ／ｒｍｉｎ １

电流

Ｔｍ／Ｔ

效率

因数

转差率

（倍）

玎

％

ｌｘｌＡ

ＣＯＳｏ

５１２６．６５１６１３．５７１．５２２６９．３Ｏ．８９６１５．５６５９

１０２７９．１７１４５争３７１．６２５８４．３Ｏ．８９７６．９４５０２０５８１．７７１２８８．３ｌ１．８０３９１．８０．９０２３．０３８５３０８６３．９２１１４３．４ｌ２．００６９４．２０．９０７１．７８７１４０１１８５．９５１００５．０８２．２６４９５．２Ｏ．９０９１．１７１０５０１４８７．８９８７１．７０２．６０４９５．６０．９０９０．８０７５６０１７８５．２２８６９．４６２．１７６９５．８０．９１００．８２１２７０

２０８２．３４

８７３．７２

１．８７０

９５８

０．９０５

０．８４１０

频率

定子电感

转子电感

激磁电感

定子电阻

转子电阻

Ｈｚ

ｍＨ

ｍＨ

ｍＨ

ｉｎｎ

ｍｎ

５０．２３３２０２８２８１１．７１７０３．７５８９６，３８３６１００．２３３２０．２８２８１１．１２２７３．７５８９６．３８３６２００．２３３２０．２８２８１０．８１８１３．７５８９６．３８３６３００．２３３２０．２８２８１０．６８３６３．７５８９６３８３６４００．２３３２０．２８２８１０．５８１８３．７５８９６．３８３６５００．２３３３０．２８２９１０．５９７４３．７５８９６．３８３６６００．２３３６０．２８３０１０．８５７６３．７５８９６．３８３６７０

０．２３３６

０．２８３ｌ

１１．１４３５

３．７５８９

６．３８３６

２．２方案设计

２．２．１经过反复的电磁计算调试，确定了设计参数

由于电机轴长２．４ｍ，加工过程中如机座与轴承台的同轴度偏差较大时，易造成定、转子相擦，因此选气隙ｇ＝２．５，铁芯四圆直径Ｄｌ／Ｄｉｌ／Ｄｉ２／

１４ ２０１０年第１期‘电机技术＇

万　

方数据３－／拗－ｙ删锄泓

Ｄ２＝９９０／６５０／３５０／２４０；本电机为室内试验用，为尽量减少振动和噪声，优选槽配合ＱＩ／Ｑ２＝６０／７２；定子绕组线规：１５００ｋＷ电机采用４．３．７５Ｘ６。７耐电晕薄膜绕包烧结绕组线，１８００ｋＷ电机采

用８－３．５５Ｘ６．３聚酰亚胺薄膜绕包线，绕组对地

绝缘均采用粉云母半迭包８＝２，以避免变频器调速时谐波电流对绕组的损伤；每槽导体数：８（１５００ｋＷ）、４（１８５０ｋＷ）；定子开口槽，槽宽／槽深＝１７／７４；转子矩形导条３５×６．５；转子架空通风；定转子铁心长７５０ｍｍ。

２．２．２计算电磁负荷（以１５００ｋＷ为例）：

磁密：Ｂｓ＝０．６１０２Ｔ、ＢＴｌ＝１．１０１３Ｔ、ＢＣＩ＝

１．１５３２Ｔ、ＢＴ２＝０．９９３２Ｔ、ＢＣ２＝Ｉ．０４６２Ｔ；

电密：定子∥ｌ＝２．５Ａ／ｒａｍ２、转子如＝４．５Ａ／ｍｍ２、

端环如＝２．５Ａ／ｍｍ２；

热负荷：ＡＪＩ＝１１３０Ａ２／ｃｍ．ｍｍ２。

３

结构设计

电机总装简图如下＇具体设计上作了以下考

虑。

本电机轴伸端轴承采用ＮＵ２３８Ｅｃ和６２３８Ｅｃ，测试端采用ＮＵ２３６Ｅｃ；为防止轴电流损坏轴承，在电机外侧安装ＨＺｌ２Ａ．３２Ｘ１６Ｘ４０／Ｖ１型金属石墨电刷。

本电机的冷却方法为ＩＣ３Ｗ７水冷式，机座采用折流式水道，以利于定子绕组散热。轴承支撑也采用了水冷却结构，大大降低了轴承的温度。

转子安装轴流式风扇，转子支架上设４．５０×１６０通风道，利于转子通风。变频电机起动较慢，为防止电机低速时轴承两侧漏油，增设了多重保

护，在轴承外侧加装甩油环的同时，增加毛毡和

论文

％删巍泓

Ｖ型油封密封。

转子轴计算挠度厂＿４％＜ｌＯ％，临界转速／额定转速之比为１．８，转子外圆对两轴承挡的联合基准同轴度为７级，风扇和平衡环对联合其基准的圆跳动为７级，转子较动平衡２．５级。

定子采用Ｈ级绝缘、ＶＰＩ浸漆工艺，定子端部由支架和端箍双重固定，以减小电机运行时磁拉力对线圈端部的影响，提高了绕组的整体刚度。

国家规定，满足用户要求。

参

考

文

献

理论与设计

与实际测量值相吻合，电机与变频装置的调试非常顺利，并且本电动机在运行过程中，定子绕组温升、轴承温升和噪声等各项技术指标全部符合

Ｉ高剑，黄守道．在Ｅｌ／ｆ＝ｃｏｎｓｔ条件下变频电机电磁核算程序的探讨．防爆电机，２００７．１．

２孙振字．变频调速用三相异步电动机恒转矩及恒功率特性的控制．防爆电机，２００２，９．

３李国华，黄守道，段改林．变频电源供电异步电动机噪声和振动

４

结语

本电动机的电磁方案计算采用文献【ｌ】的计

的分析．防爆电机．２００６，２．

４陈世坤主编．电机设ｉ十．北京：机械工业出版社，２００５．

（收稿日期：２００９．０８－０８）

作者简介：肖红，女，１９７５年生，本科，工程师，从事三相异步电动机设计工作。

算方法，得出不同频率下电动机参数及性能指标

～

◆◇◆◆◇

蝌

４

屹

则

采用特殊的防护等级结构

出口高效电机，其防护等级往往要达到

ＩＰ５６。要达到６级防水，一般情况下，须在两端采用骨架油封密封。但通过试验发现，在电机高速运转时，骨架油封会与电机轴产生较大的摩擦，大大增加电机的机械损耗，最多可降低效率２％。尤其是２极电机，由于转速快，骨架油封与电机

图２

轴摩擦产生的热量。不仅使效率降低，严重时会烧坏轴承，使整台电机报废。通过查阅资料，反复试验，研制出一种全新的ＩＰ５６防护结构，它取消了骨架油封，减少了摩擦，且达到了６级防水要求。其结构见图２。

复试验，采用特殊刀具、严格控制进刀量、实施正反刀等措施达到了既省时又降耗的目的。根据对电机型式试验的数据比较，该工艺可提高效率

０．１％－０．５％。

５

采用特殊的转子加工工艺

由于转子压装、铸铝及转子加工会造成转

６

结束语

高效电机不仅要降低损耗、提高效率，同时

子片与片之间的粘连，从而增大转子表面的附加杂散损耗。采用转子表面酸洗工艺能有效消除粘连，降低损耗。该工艺效果明显，但耗时耗料，有时可能影响交货期。通过对转子加工进行反

要控制成本，这样才能提高产品的竞争力。上述方法在降低损耗的同时，有效控制了成本，相对于传统方法，具有较大高的推广意义和价值。

（收穰日期：２００９－ｌＯ－１２）

‘电机技术＞２０１０年第１期 １５

万方数据　

论文

低压大功率变频调速鼠笼式三相异步电动机设计心得

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

肖红， 范作智， Xiao Hong， Fan Zuozhi抚顺煤矿电机制造有限责任公司,113008电机技术

ELECTRICAL MACHINERY TECHNOLOGY2010，(1)0次

参考文献(4条)

1.高剑.黄守道 在E1/f1=const条件下变频电机电磁核算程序的探讨[期刊论文]-防爆电机 2004(1)2.孙振宇 变频调速三相异步电动机恒转矩及恒功率特性的控制[期刊论文]-防爆电机 2002(3)3.李国华.黄守道.段改林 变频电源供电异步电动机噪声和振动的分析[期刊论文]-防爆电机 2006(2)4.陈世坤 电机设计 2005

相似文献(10条)

1.期刊论文 刘淑萍.Liu Shuping 异步电机的变频调速与变频调速专用电机的特性 -煤矿现代化2008(4)

实现变频调速最直接的原因就是普通异步电动机简单的结构、低廉的成本和方便的调速.交频调速专用电机的设计初衷是专为交流调速而用的,如果变频调速必须要配用变频专用电机,它就与变频调速固有的简单、坚固、耐用性产生矛盾,本文讨论的问题是交频调速及变频调速专用电机的特性等问题.

2.会议论文 刘莹 对于变频调速电机低频及超低频电气参数的测量 19963.学位论文 蒋炜 变频调速屏蔽电机分析及其控制系统的设计 2006

屏蔽电机属于特种电机，用于输送易燃、易爆、腐蚀和有毒的各类介质。近年来，它被广泛应用且迅速发展。屏蔽电机同普通异步电机的不同在于屏蔽电机的定子绕组和转子绕组带有金属屏蔽套。当电机运行时，旋转磁场切割屏蔽套，在屏蔽套中感应涡流，产生涡流损耗。较大的屏蔽套涡流损耗对电机性能产生影响。

在异步电机调速系统中，变频调速效率最高，同时性能也最好。但是当屏蔽电机采用变频器供电时，变频器输出的大量谐波必定会在屏蔽套内产生谐波涡流损耗，进一步影响电机性能。本文以此为课题，对变频调速屏蔽电机的屏蔽套涡流损耗以及屏蔽电机的变频调速控制系统进行了一些理论分析和实验研究。

本文首先以电路的观点，在普通异步电动机等效电路的基础上，得出了屏蔽电机的稳态等效电路。重点分析了屏蔽电机在由变频器供电时，谐波对屏蔽套涡流损耗的影响。利用叠加原理，把电源中谐波分量看成一系列独立电源，根据屏蔽电机谐波等效电路，依次计算k次谐波的涡流损耗。文中对一台实验样机的涡流损耗进行了计算，将计算结果与实验数据对比。并且通过叠片笼型和实心笼型两种转子的异步电动机分别在工频电源和变频器供电下的空载实验，对空载损耗进行了计算和对比分析，来验证理论分析的正确性。

然后在以转子磁链矢量定向的MT轴旋转坐标系下，建立了屏蔽电机的数学模型，并且提出屏蔽电机的矢量控制策略，改善了屏蔽电机的起动和调速性能。以仿真软件Matlab / Simulink为平台，建立了屏蔽电机矢量控制系统仿真模型，对该种控制方案进行了仿真研究。

最后在理论分析与仿真研究的基础上，以数字信号处理芯片和功率智能模块为硬件平台，设计了一套屏蔽电机变频调速控制系统。并进行了实验研究，完成了部分控制程序的调试工作。

4.会议论文 黄育麟 特吕茨施勒尔清梳联合机给棉电机改为变频调速 2002

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论文

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本文以水电站平板闸门的传动装置为背景，针对其两台电机刚性联接的特点，对两台异步电机硬轴传动过程中的负载分配和功率平衡问题进行了研究。论文从水电站闸门需要运行可靠、启停平稳、开度控制准确入手，调研了双电机的研究现状。详细介绍了变频调速的发展过程，分析了无速度传感器矢量控制、直接转矩控制的原理，对矢量控制和直接转矩控制的转速转矩特性进行了分析。结合矢量控制调速范围广、稳态误差小和直接转矩控制动态响应快的特点，将矢量控制和直接转矩控制算法引入双电机同步传动中，提出了一种新的主从控制方法：主电机采用矢量控制，转速和转矩双闭环，跟踪给定指令速度；从电机速度开环，跟踪主电机转矩指令。由于传统的直接转矩控制方法存在逆变器开关频率不固定，电流和转矩脉动大，低速性能不好等缺点，论文中从电机采用了基于PI的空间矢量调制（SVM-DTC）方法，解决开关表中电压矢量有限的问题，同时解决传统直接转矩控制固有的逆变器开关频率变化问题，使得电流和转矩脉动变小，提高低速运行时的效果。通过仿真结果表明系统具有较好的动静态性能，验证了本设计的合理性。

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从理论上论述了两相电机通过控制合成电压矢量实现变频调速的可行性.对运用该方法的控制系统和电机运行特征进行了仿真.仿真结果表明该方法具有良好的调速效果.在调速范围内,两相电机可实现对称运行.

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