范 曉 君

(中國船級(jí)社上海分社， 上海 200135)

0 引 言

隨著目前國內(nèi)外造船業(yè)的發(fā)展，由變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)在船舶上的應(yīng)用也逐漸廣泛，變頻電動(dòng)機(jī)主要用于電力推進(jìn)電動(dòng)機(jī)、起重用電動(dòng)機(jī)等。通常變頻電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況較為復(fù)雜。與由交流發(fā)電機(jī)供電、頻率為固定的電源相比，變頻器輸出的電壓諧波含量高、脈沖頻率高且上升沿陡直，從而容易導(dǎo)致電機(jī)溫升偏高。

1 可用于變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的種類

標(biāo)準(zhǔn)籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)用于一般用途。該類電動(dòng)機(jī)通常在恒頻正弦波供電電壓下運(yùn)行，但也適用于變頻器供電系統(tǒng)(普通電動(dòng)機(jī))。

籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)用于變頻供電。該類電動(dòng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上改造以適應(yīng)變頻供電系統(tǒng)(變頻電動(dòng)機(jī))。

2 《鋼規(guī)》及IEC對(duì)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載試驗(yàn)和溫升測(cè)量的要求

2．1 《鋼規(guī)》第四篇第三章3.2.9.9要求

電動(dòng)機(jī)應(yīng)在額定輸出功率、額定電壓、額定頻率和額定工作制下，按標(biāo)準(zhǔn)IEC 60034-1《2004-04旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額及性能》出版物規(guī)定的試驗(yàn)方法或者采用其他等效的試驗(yàn)方法進(jìn)行額定負(fù)載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量其溫升，其溫升限值應(yīng)不超過表1中的規(guī)定。

表1 空氣間接冷卻繞組的溫升限值 K

由于變頻器供電電動(dòng)機(jī)具備調(diào)速特性，其溫升還與負(fù)載工作制、變頻電源等有關(guān)，實(shí)際使用中變頻電動(dòng)機(jī)的功率、電壓、頻率的變化較為復(fù)雜。而《鋼規(guī)》所要求的額定電壓、額定功率、額定頻率并不適合變頻電動(dòng)機(jī)，也不能反映電動(dòng)機(jī)真實(shí)的溫升情況。

2.2 IEC 60034-1中要求

IEC 60034-1 的7.2.1.2條提及“對(duì)用靜止變流電源供電的交流電動(dòng)機(jī)，應(yīng)容許較高的電源電壓諧波量”，并規(guī)定了符合IEC 60034-12《單速三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能》標(biāo)準(zhǔn)的 N設(shè)計(jì)和H設(shè)計(jì)的50 Hz或60 Hz單速三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(額定電壓小于1 000 V、直接或Y-△起動(dòng)、S1工作制)應(yīng)滿足IEC 60034-17《變頻器供電的籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用導(dǎo)則》標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)于由變頻器供電專門設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)應(yīng)執(zhí)行IEC 60034-25《變頻器供電籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和性能導(dǎo)則》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

IEC 60034-1的5.1條提及“當(dāng)對(duì)用靜止變流器饋電或供電的電機(jī)規(guī)定定額時(shí)，應(yīng)另作專門考慮”。無論IEC 60034-17或IEC 60034-25，都是變頻器供電的籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用、設(shè)計(jì)和性能導(dǎo)則，并且該技術(shù)規(guī)范在引言中申明了對(duì)參量規(guī)定數(shù)值或限制超出標(biāo)準(zhǔn)的范圍和目的，引用的量值為提示性質(zhì)，供使用者參考。

3 影響變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)溫升的因素

變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)，影響電動(dòng)機(jī)溫升的主要因素有電動(dòng)機(jī)的冷卻方式、負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系及變頻器輸出電壓或電流波形的諧波含量等。

3.1 電動(dòng)機(jī)的冷卻方式

電動(dòng)機(jī)的散熱與轉(zhuǎn)速和冷卻方式密切相關(guān)。電動(dòng)機(jī)的典型冷卻方式有自然循環(huán)、通道循環(huán)、利用熱交換(包括電動(dòng)機(jī)機(jī)座)。常見的形式有自然冷卻、軸裝風(fēng)扇冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷及水冷等。

通常水冷及強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻方式不受轉(zhuǎn)速及工作制變化的影響，而自然冷卻及軸裝風(fēng)扇冷卻方式受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的影響較大。

在工頻與變頻起動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱與溫升情況也不一樣。工頻與變頻起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流與時(shí)間的關(guān)系特性如圖1所示。

圖1 工頻-變頻下異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流與時(shí)間關(guān)系圖

從圖1可知，工頻起動(dòng)特性在于起動(dòng)電流大(可能4～7倍額定電流)，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩很大，所以起動(dòng)時(shí)間較短。但對(duì)電機(jī)機(jī)械沖擊大，影響使用壽命。

變頻起動(dòng)特性在于起動(dòng)電流小，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也小，起動(dòng)過程平緩，起動(dòng)時(shí)間較長。對(duì)于采用軸裝風(fēng)扇冷卻方式的電動(dòng)機(jī)，其散熱也較難得到保證。

3.2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

在實(shí)際使用中存在如電動(dòng)機(jī)長期保持低轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速等工況。如果電機(jī)采用的是軸裝風(fēng)扇或者自然冷卻或設(shè)計(jì)上熱裕度小的話，應(yīng)增加在電動(dòng)機(jī)所在變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的基本頻率(能夠傳送最大輸出功率的最低頻率)下進(jìn)行的溫升試驗(yàn)。而作為主推進(jìn)系統(tǒng)的變頻電動(dòng)機(jī)，在船舶的低速航行時(shí)，應(yīng)考慮低轉(zhuǎn)速下繞組的發(fā)熱是否超過其標(biāo)稱的熱分級(jí)溫升限值。

考慮到一般軸裝風(fēng)扇風(fēng)量變化與轉(zhuǎn)速比的一次方成正比，功率變化與轉(zhuǎn)速比的三次方成正比。對(duì)于在低轉(zhuǎn)速時(shí)要求低轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，如果電動(dòng)機(jī)功率較小，從風(fēng)量變化與轉(zhuǎn)速比的關(guān)系中可以看出，通常沒有太大的問題。經(jīng)驗(yàn)上，機(jī)座號(hào)315或355及以上的電機(jī)溫升試驗(yàn)應(yīng)考慮低頻工況下的溫升。

在實(shí)際工況下，根據(jù)負(fù)載的變化，電動(dòng)機(jī)有在滿負(fù)荷且恒速下運(yùn)行；在低于滿載轉(zhuǎn)矩且低速的情況下運(yùn)行；升高轉(zhuǎn)速、在過載的情況下運(yùn)行三種情況。當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載時(shí)，需要考慮電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱情況是否能夠滿足絕緣等級(jí)的要求。必要時(shí)可行溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)對(duì)電動(dòng)機(jī)所運(yùn)行的工作制進(jìn)行確定，可參考IEC 60034-1 推薦的S10工作制進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

通常在不同的負(fù)載下，正弦波供電情況下的溫度曲線變化較小，如圖2所示，而變頻器供電的溫度曲線波動(dòng)較大，如圖3所示。由此可見，對(duì)于變頻器供電的電動(dòng)機(jī)在調(diào)速傳動(dòng)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)考慮其負(fù)載工作制。

調(diào)速傳動(dòng)運(yùn)行的負(fù)載電流-時(shí)間曲線圖較復(fù)雜，而且電流幅值、持續(xù)時(shí)間和重復(fù)頻率也各不相同。但是，通過分析研究負(fù)載電流-時(shí)間曲線圖，通常用于確定作為額定電流基礎(chǔ)的最適合的負(fù)載工作制類型。

圖2 正弦波供電不同負(fù)載下的溫度曲線

圖3 變頻器供電不同負(fù)載下的溫度曲線

推薦的負(fù)載工作制類型有：(1)均衡負(fù)載工作制；(2)間歇峰值負(fù)載工作制；(3)間歇負(fù)載工作制；(4)有空載期的問歇負(fù)載工作制；(5)重復(fù)性負(fù)載工作制；(6)非重復(fù)性負(fù)載工作制。

3.3 變頻器供電時(shí)施加于電動(dòng)機(jī)的電壓或電流波形的諧波

圖4 電流型變頻器供電時(shí)電動(dòng)機(jī)相電流典型波形

按工作原理進(jìn)行分類，一般變頻器可以分為電流型變頻器和電壓型變頻器。電流型變頻器供電時(shí)電動(dòng)機(jī)相電流典型波形如圖4所示。電壓型變頻器供電電動(dòng)機(jī)線電壓典型波形如圖5所示。由圖4和圖5可知，不論是電流型變頻器和電壓型變頻器，在輸出的電流或電壓波形中，均含有一系列的高次諧波。

圖5 電壓型變頻器供電電動(dòng)機(jī)線電壓典型波形

變頻器供電時(shí)，這些電壓或電流的高次諧波會(huì)在電機(jī)中產(chǎn)生如下?lián)p耗：

(1)定轉(zhuǎn)子繞組附加損耗(附加損耗由變頻器的工作方式?jīng)Q定)；

(2)定子附加鐵耗(附加損耗由變頻器的工作方式?jīng)Q定)；

(3)傳動(dòng)系統(tǒng)的額定值(即趨膚效應(yīng)的影響，與電動(dòng)機(jī)尺寸和工藝及變流器的紋波有關(guān))。

變頻器供電時(shí)電動(dòng)機(jī)損耗與頻率和供電電源類型的對(duì)比關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可知，由于高次諧波電壓和電流產(chǎn)生的附加損耗，變頻器供電時(shí)電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的損耗較正弦波供電時(shí)為大，這些損耗轉(zhuǎn)化為熱量，可造成電動(dòng)機(jī)的溫升會(huì)相應(yīng)的增加。

圖6 電動(dòng)機(jī)損耗與頻率和供電電源類型的關(guān)系

電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能與變頻器的特性和品質(zhì)密切相關(guān)。不同類型的變頻器，其輸出的電壓或電流諧波成分存在較大的差異，所以在變頻器供電下電動(dòng)機(jī)的溫升試驗(yàn)必須考慮選擇合適的變頻器。

4 結(jié) 語

綜上所述，變頻器供電時(shí)電動(dòng)機(jī)的溫升與冷卻方式、負(fù)載工作制、變頻電源關(guān)系密不可分。建議在變頻器供電時(shí)的電動(dòng)機(jī)溫升試驗(yàn)，應(yīng)考慮如下的情況：

(1)試驗(yàn)電源所選擇的變頻器電源，該變頻器特性應(yīng)與該型號(hào)電動(dòng)機(jī)配套使用的變頻器特性相一致；

(2)應(yīng)在不同功率、不同變頻器供電、不同負(fù)載工作制、不同散熱方式進(jìn)行溫升試驗(yàn)，以驗(yàn)證電動(dòng)機(jī)的溫升是否滿足規(guī)范要求；

(3)在變頻器供電試驗(yàn)報(bào)告或試驗(yàn)大綱中，應(yīng)注明試驗(yàn)電源的類型(比如變頻器供電則應(yīng)注明變頻器型號(hào))、負(fù)載工作制類型、冷卻方式等；

(4)在變頻器供電的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品明細(xì)中，注明變頻器型號(hào)、負(fù)載工作制類型、冷卻方式等。

基于以上的分析以及變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在船舶上的應(yīng)用日趨普及廣泛的情況，建議在CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》中增加對(duì)變頻器供電的電動(dòng)機(jī)溫升試驗(yàn)的相關(guān)要求。

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