大型變速驅(qū)動電機(jī)帶來重大解決方案

2013-09-05 榮格榮格

　　用于高功率變速驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動裝置通常采用負(fù)載換流逆變器(LCI)系統(tǒng)以及雙極同步電機(jī)。LCI技術(shù)會受到我們所熟知的一些缺陷的困擾，如轉(zhuǎn)矩脈動、較差的“功率因數(shù)”、較高的損失以及諧波污染。由于LCI技術(shù)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，通常需要使用諧波濾波器。

　　這些與基于LCI技術(shù)的變速驅(qū)動相關(guān)的不利因素將不能充分滿足關(guān)鍵大型泵應(yīng)用對于性能日益增長的需求。由于晶閘管橋大量的功率消耗，LCI轉(zhuǎn)換器無法為感應(yīng)電動機(jī)提供合適的動力。不過，電壓(源)型逆變器(VSI)技術(shù)就更適合大型泵。VSI可為感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)提供動力。采用VSI系統(tǒng)所產(chǎn)生的諧波成份極低(無需使用諧波濾波裝置)且功率因數(shù)更佳。VSI的解決方案還具有更好的性價比。對于大型泵來說，VSI方案是首選。

　　泵用變速驅(qū)動系統(tǒng)

　　大型泵驅(qū)動建議采用VSI換流器技術(shù)，它可實(shí)現(xiàn)以下重要目標(biāo)：

　　■電壓輸出(換流輸出至電機(jī))達(dá)到正弦波形。電機(jī)能夠以近乎均一的功率因數(shù)運(yùn)行。

　　■較低的諧波干擾。

　　多級相聯(lián)的轉(zhuǎn)換器布局也可用于非常大型(高功率)的應(yīng)用。相位變換通過系列連接的晶體管器件實(shí)現(xiàn)。PWM(脈寬調(diào)制法)-VSI技術(shù)可采用2個或4個變相器。為電機(jī)配置若干數(shù)量(2個、4個或更多)三相變相單元將使定子的線圈相應(yīng)被分割成獨(dú)立的三相組合，每一組都將配有一個變相器。

　　以此為目的的定子設(shè)計通常又稱作“分相”，顧名思義就是把線圈分割成多個星形連接的三相組合。相電流通常包含的諧波次數(shù)有5，7，11，13，17，19。由于相互抵消作用，電機(jī)空氣隙內(nèi)所產(chǎn)生的諧波場整體較低。

　　一項(xiàng)基于VSI技術(shù)的四相星形100 Hz的四極同步電機(jī)方案可用于大型泵。

　　相對于傳統(tǒng)的LCI方案，其顯著優(yōu)勢在于：

　　1.峰值間的轉(zhuǎn)矩波紋一般低于1-2%。

　　2.較低的振動。

　　3.高容錯性。

　　4.高電機(jī)效率(一般可達(dá)98%以上)。

　　變壓器對于VSD系統(tǒng)起到了關(guān)鍵的作用。瞬時電流的限制要求和變壓器的保護(hù)的機(jī)理十分重要。

　　在VSD電機(jī)系統(tǒng)中，我們會應(yīng)用到各種冷卻水泵。在實(shí)際運(yùn)行中這些泵的常規(guī)工作點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近泵的“最佳能效點(diǎn)(BEP)”。額定流量最好是BEP狀態(tài)下流量的20%。冷卻水泵的性能曲線對于正常的運(yùn)行十分關(guān)鍵。冷卻水泵的性能曲線壓頭從額定流量到關(guān)斷流量應(yīng)穩(wěn)定且持續(xù)的攀升(一般以增加10%的壓頭為宜)。

　　一般來說，VSI系統(tǒng)的占地面積小于同級的LCI系統(tǒng)的75%，重量通常低于LCI系統(tǒng)的70%。

大型電機(jī)

　　大型電機(jī)需有效應(yīng)對熱失衡。由于不可避免的要采用各種具有不同熱膨脹系數(shù)的材料，加之不均勻的溫度分布和大型體積，應(yīng)該采用對稱的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及低熱力敏感度的設(shè)計。微小的非對稱結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致不可接受的動力載荷。

　　對于大型高速電機(jī)，可采用柔性轉(zhuǎn)子的概念(初始臨界轉(zhuǎn)速通常低于運(yùn)行速度的范圍)。轉(zhuǎn)子應(yīng)該動力平衡，無需進(jìn)行現(xiàn)場平衡。當(dāng)初始臨界轉(zhuǎn)速一過，局部轉(zhuǎn)動中心由幾何質(zhì)心變?yōu)榫植抠|(zhì)心，這意味著柔性轉(zhuǎn)子內(nèi)的局部不平衡隨轉(zhuǎn)速而變。因此，應(yīng)使用不平衡重量的模組來平衡每個獨(dú)立的模態(tài)。至少需要n+2個修正面來進(jìn)行平衡(n=需要平衡的模態(tài)的數(shù)量)。

電機(jī)的測試

　　為了減少驅(qū)動系統(tǒng)性能異常的風(fēng)險，對整套驅(qū)動系統(tǒng)的滿負(fù)荷全速測試必不可少。測試內(nèi)容包括以下幾項(xiàng)：

　　1.對電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)的測試。

　　2.“背對背”測試來檢驗(yàn)電機(jī)和VSD的性能。

　　3.對整套泵組的“聯(lián)動“測試。

　　開路和短路測試也必須完成以確定電機(jī)的常規(guī)損失。在額定轉(zhuǎn)速下的零載荷測試能給出開路的曲線(可表征不同的損失源)。大部分的損失由摩擦和空氣阻力引起。由冷卻風(fēng)機(jī)(內(nèi)部冷卻)產(chǎn)生的較強(qiáng)的冷卻空氣流也會因此有部分的損失。通常情況下，電機(jī)效率在97-99%范圍內(nèi)是可被以接受的。

　　當(dāng)提供的是至少兩臺相似的VSD和電機(jī)系統(tǒng)時，可進(jìn)行VSD與電機(jī)的“背對背”測試 (一臺以電機(jī)形式，另一臺以發(fā)電機(jī)形式運(yùn)轉(zhuǎn))。理論上可以提供損失和無功功率的需求。軸承的問題、過多的震動以及油路系統(tǒng)的狀況是導(dǎo)致大型電機(jī)出現(xiàn)性能故障的主要根源。“背對背”測試可以獲得以下方面的測試結(jié)果：

　　1.電機(jī)熱性能的評估：需通過發(fā)熱測試來評估電機(jī)在不同運(yùn)行和緊急工況下全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的熱力表現(xiàn)。

　　2.電機(jī)振動性能的評估

　　3.轉(zhuǎn)矩波紋的測量：

　　需監(jiān)測在額定和極端工況下的轉(zhuǎn)矩波紋，應(yīng)至少采用兩種方法：

　　A. 在電機(jī)末端的電子測量。

　　B. 直接機(jī)械測量(比如，將應(yīng)變儀裝載電機(jī)軸上，使用扭矩傳感儀、軸角編碼器、激光測量等方法和儀表)。

　　由電子測量估算的扭矩波紋一般比直接機(jī)械手段測量的結(jié)果高，其原因是電子測量包含了部分高階頻率成份(而機(jī)械手段在傳輸過程中削減了這一部分)。

　　4.電機(jī)扭矩過載能力評估：用來判斷泵組啟動時的扭矩是否可以達(dá)到常規(guī)扭矩的120-150%，并且持續(xù)時間在30-100秒之間。

　　5.電機(jī)電壓和電流波形。

案例分析

　　在一個大型電機(jī)(用于驅(qū)動泵)的測試案例中，從電機(jī)上發(fā)現(xiàn)了可疑的噪音和煙霧。在跳機(jī)后，最初的現(xiàn)象如下：

　　·電機(jī)軸下移了1.6毫米