雷向福，張 顆，周德富，王 艷，王 振，李素平

海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與檢測國家重點實驗室（湘潭電機股份有限公司），湖南 湘潭 411101

前言

當(dāng)前鋼鐵行業(yè)中軋機向?qū)捳{(diào)速、大容量、高速方向發(fā)展[1-3]，軋機機組通常是幾個機架集中傳動，主傳動電動機單機容量達(dá)到4000kW。由于大容量、高轉(zhuǎn)速直流電動機制造難度大以及直流電機調(diào)速的固有缺陷，越來越多的軋機采用LCI交直交變頻調(diào)速同步電動機驅(qū)動[4-5]。

LCI傳動系統(tǒng)是Load Commutated Inverter for the Drive System of Synchronous Motor，稱為負(fù)載換向式SCR(可控硅整流裝置)電流型變頻器，系統(tǒng)電源頻率不是外部給的，而是與電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置相關(guān)聯(lián)的，即變頻電源的頻率和相位受同步電動機旋轉(zhuǎn)位置的約束，稱為自控式同步電動機傳動系統(tǒng)，或者稱自控變頻調(diào)速系統(tǒng)。這種調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式類似于直流電機，轉(zhuǎn)子磁極位置檢測器和逆變器代替了直流電機的換向器和電刷的功能，這種系統(tǒng)曾被稱為“無換向器電機”。

LCI變頻器的輸出頻率一般不是獨立調(diào)節(jié)，而是依靠轉(zhuǎn)子位置監(jiān)測器得到的轉(zhuǎn)子位置信號按一定順序周期性地觸發(fā)逆變器中相應(yīng)的晶閘管調(diào)節(jié)。這種“自控式”功能，保證變頻器的輸出頻率和電機轉(zhuǎn)速始終保持同步，不存在失步和振蕩現(xiàn)象。某些專業(yè)技術(shù)書中將同步電動機和電機側(cè)的變流器合起來稱為無換向器電動機或無整流子電動機。它將直流電動機和交流異步電動機兩種電機的優(yōu)點結(jié)合在一起。例如有直流電動機的調(diào)速特性，但無換向器；又與交流異步電動機一樣具有結(jié)構(gòu)簡單、不需要經(jīng)常維護(hù)和檢修的特點。

LCI無須強迫換相，其電路結(jié)構(gòu)簡單，功率單元的晶閘管元件數(shù)量較少，元件的耐壓要求低，多應(yīng)用在一些大容量的調(diào)速傳動系統(tǒng)中，特別是在高電壓、高轉(zhuǎn)速的大功率傳動中應(yīng)用廣泛。采用LCI變頻調(diào)速同步電動機須有足夠的漏電感，以限制晶閘管的di/dt，電機要能夠承受變頻器的諧波電流。本文介紹湘潭電機為某鋼廠軋機驅(qū)動電機設(shè)計的基于LCI變頻調(diào)速的三相同步電動機。

1 電動機主要參數(shù)及運行條件

電動機主要技術(shù)參數(shù)如下：

型號： TBPKS900-6

額定功率：4000kW

轉(zhuǎn)速：482/1500r/min

額定電壓：3150/3150V

額定電流：752/767A

相數(shù)： 三相

繞組連接：Y接

極數(shù)： 6極

頻率： 24.1/75Hz

功率因數(shù)：1

效率（不含勵磁損耗）：97.5/95.6 %

勵磁電壓：102/81V

勵磁電流：397/331A

直軸超瞬變電抗 X′d：0.197 (24.1Hz)

交軸超瞬變電抗 X′q：0.185 (24.1Hz)

絕緣等級：F

冷卻方式：IC8A6W7

電動機運行條件為：

環(huán)境溫度：45℃

冷卻水進(jìn)水溫度: ≤33℃

冷卻水進(jìn)水壓力：0.2～0.4MPa

冷卻水水質(zhì)：工業(yè)凈水

海拔高度：≤1000 m

相對濕度: ≤95%

安裝位置：軋鋼廠房內(nèi)

2 電動機設(shè)計原則

2.1 設(shè)計特點

湘潭電機已經(jīng)成功開發(fā)研制了 TBPKS1000-6 4800kW 700/1400r/min 3150V 6相（雙Y移30°）軋鋼用LCI同步電動機，在設(shè)計和制造方面積累了豐富經(jīng)驗，其工藝和結(jié)構(gòu)為 TBPKS900-6 4000kW 482/1500r/min 3150V三相同步電動機的研制提供了很好的參考。該型電動機在設(shè)計上借鑒了以往軋鋼電機成熟的結(jié)構(gòu)及工藝制造方法，電機主要尺寸的確定采用類比設(shè)計方法，電機的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮軋鋼機以及LCI變頻器對電機的要求，對電機關(guān)鍵部件進(jìn)行剛度和強度的計算，以使電機適應(yīng)實際工況的要求，確保該型電動機設(shè)計制造成功。

2.2 絕緣結(jié)構(gòu)

絕緣結(jié)構(gòu)關(guān)系到改善定子繞組造成的電場分布不均勻，可以降低電場不均勻系數(shù)，提高擊穿電壓，還能改善工藝制造過程中主絕緣內(nèi)部存在的氣隙、尖角和雜質(zhì)等因素造成的電場集中和局部放電，能達(dá)到延長電機使用壽命的目的[6]。由于采用 LCI變頻調(diào)速軋鋼用同步電動機須耐受3000V/μs電壓變化率，對電機的匝間絕緣和對地絕緣提出更高要求。帶電抗器的電機絕緣需要耐受2～2.5倍電機額定電壓，不帶濾波器變頻器的電機絕緣要求更高。額定電壓為3150V的電動機需要按照6.3kV的額定電壓來考核，對地絕緣厚度加防暈層和匝間絕緣需要特別加強，采用F級少膠粉云母VPI浸漬環(huán)氧酸酐無溶劑浸漬樹脂的絕緣體系，滿足匝間耐電暈?zāi)芰Φ囊?，通過采用環(huán)氧酸酐無溶劑浸漆，達(dá)到增加掛漆量，提升了電機整體絕緣水平。

2.3 防軸電流設(shè)計

交流傳動系統(tǒng)由于采用變頻供電方式導(dǎo)致三相輸出電壓矢量和不為零，導(dǎo)致中性點電壓不為零，這個電壓稱為共模電壓，共模電壓與轉(zhuǎn)子耦合，產(chǎn)生轉(zhuǎn)軸對地的脈沖電壓，峰值可達(dá)10～40V。轉(zhuǎn)子軸電壓一旦形成回路就會產(chǎn)生軸電流，產(chǎn)生的軸電流瞬間可達(dá)幾百安甚至上千安培，極易把軸頸和軸瓦燒壞，造成軸承溫升過快、燒毀和電機振動等[7-8]。

該型電機采用端蓋滑動軸承，球面調(diào)心瓦，兩端軸瓦與軸承箱可靠絕緣，傳動端設(shè)有接地電刷，以防止軸電流損壞軸瓦。端蓋滑動軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計充分考慮了用戶現(xiàn)場維護(hù)，檢修方便。該軸承可承受來自負(fù)載軸向推力30kN，軸向串動量1mm。

2.4 阻尼繞組設(shè)計

軋鋼機用調(diào)速用LCI同步電動機需要承受大幅變化的沖擊載荷以及頻繁的正反轉(zhuǎn)，電動機在咬鋼或拋鋼時，突變的負(fù)載和速度、轉(zhuǎn)矩和定子電流的變化造成功率角變化振蕩，在阻尼繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生驅(qū)動或阻礙性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速趨于同步速度，同步電動機快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。在目前大型凸極同步電動機中阻尼繞組的結(jié)構(gòu)有兩種：一種是用銅端環(huán)把所有磁極的阻尼條直接短路連接起來稱為全阻尼繞組結(jié)構(gòu)；另一種是把每個磁極上的阻尼條兩端分別焊接在兩磁極壓板上，然后在磁極鴿尾槽處用鋼板把磁極與磁軛連接起來，稱為半阻尼繞組結(jié)構(gòu)。全阻尼繞組沖擊電流范圍、功角振蕩范圍明顯小于半阻尼繞組，從增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少功率角振蕩原則，該電動機選擇全阻尼繞組。阻尼條為7根，直徑16mm，節(jié)距35mm，阻尼繞組端環(huán)有足夠面積，接觸良好，牢固可靠，端環(huán)連接片采用多層薄銅帶軟連接，改善阻尼環(huán)受力提高過電流能力。

LCI自控同步電動機的阻尼繞組可以改善變流器的換流特性。阻尼繞組使換流的阻抗減少，加快了變流器的負(fù)載換流時間，并使電壓波形的缺口減少，改善了電壓波形。同時，阻尼繞組加強了電動機過載能力，使換流極限加大。超瞬變電抗x′d和x′q的大小直接影響同步電動機的換流特性，從加速換流過程的角度出發(fā)，超瞬變電抗小x′d和x′q越小越好，LCI的同步電動機超瞬變電抗x′d比常規(guī)電動機小得多，大約在0.18左右。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 三相同步電動機模型的建立

Ansoft中的 RMxprt 電機模塊是基于電機等效電路和磁路的設(shè)計理念來計算、仿真各種電機模型，具有建立模型簡單快捷、參數(shù)調(diào)整方便等優(yōu)點，同時具備一定的計算精度和可靠性。將 RMxprt 中計算完成的電機模型導(dǎo)入到二維瞬態(tài)場中，軟件會自動加載幾何模型并定義各部分材料，同時給出電機的邊界條件、激勵源和網(wǎng)格剖分等，基本上形成了從 RMxprt 到Maxwell2D的一鍵式操作。

為驗證軋鋼用 TBPKS900-6 4000kW 三相同步電動機電磁性能，用Ansoft軟件對所設(shè)計的電機進(jìn)行了電磁場有限元仿真。建立 TBPKS900-6 4000kW 482/1500r/min 3150V三相同步電動機分析二維有限元模型的具體過程如下：（1）把三相同步電動機的幾何尺寸和基本參數(shù)輸入RMxprt模塊，軟件對所輸入項進(jìn)行求解，自動生成二維有限元幾何模型，如圖1所示。（2）在求解結(jié)果analysis中右鍵生成 create Maxwell design，采用瞬態(tài)模塊進(jìn)行二維有限元分析。（3）為節(jié)省仿真計算時間，將電機求解周期設(shè)置為6。

3.2 三相同步電動機仿真結(jié)果分析

用Ansoft中的瞬態(tài)求解器對同步電動機模型進(jìn)行求解可以得到發(fā)電機相電流、反電勢、磁力線分布圖、磁密分布云圖等。

圖2是空載勵磁電流62A時磁力線分布圖，空載時，同步電動機功率角接近零，磁力線以極身為對稱分布。

圖1 電機二維有限元模型

圖2 空載時磁力線分布圖

圖3 是在負(fù)載79.25kN﹒m勵磁電流390A時磁密分布云圖，額定負(fù)載時，同步電動機功率角34°，磁密在極靴肩部有飽和。

圖3 負(fù)載時磁密分布圖

圖4 是同步電動機由空載到負(fù)載至穩(wěn)態(tài)運行時的電流曲線，額定負(fù)載時，同步電動機三相電流對稱，三相電流有效值約790A。

圖4 負(fù)載電流曲線

3.3 結(jié)論

由于軋鋼用三相同步電動機采用LCI變頻調(diào)速，同步電動機運行與控制方式密切相關(guān)，因此對同步電動機進(jìn)行Ansoft有限元分析僅僅求解空載磁力線、負(fù)載磁密以及額定狀態(tài)下電流曲線，通過對空載磁力線、負(fù)載磁密以及額定狀態(tài)下電流曲線分析判定采用類比設(shè)計法可以達(dá)到客戶要求的電氣性能。

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