驅動往復式壓縮機用同步電動機起動計算

歷　銳，喬麗娜

(國家防爆電機工程技術研究中心，黑龍江佳木斯154002)

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驅動往復式壓縮機用同步電動機起動計算

歷銳，喬麗娜

(國家防爆電機工程技術研究中心，黑龍江佳木斯154002)

摘要以用于驅動往復式壓縮機的正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機為例，結合相應的邊界條件，依據理論計算與有限元法相結合的方式對同步電動機的起動能力、起動時間、起動時阻尼繞組的溫升等方面進行計算與仿真。并對計算結果進行分析，得出的結論完全附合電動機起動的需要，為更加準確的計算驅動往復式壓縮機用同步電動機起動計算奠定了基礎。

關鍵詞往復式壓縮機；同步電動機；起動計算；有限元法

0引言

近年來，隨著石化行業的迅猛發展，生產規模的不斷擴大，大型往復式壓縮機機組在石化設備中占有越來越重要的地位。同步電動機在驅動往復式壓縮機時，由于其負載力矩特性是不均勻或呈周期性變化的。其諧波力矩在運行過程中持續存在，作用于同步電動機主軸上的脈動轉矩將使動態穩定運行產生強制振蕩，也就是引起同步電動機功率角相對于其平均值作周期性變化，從而使電動機的轉矩和電流產生波動[1]。為避免對壓縮機組造成毀壞，避免在強制振蕩中發生共振現象，整個機組一般選取較大飛輪力矩GD2，以限制同步電動機的諧波力矩和電流波動因素[2]。由于壓縮機組具有較大飛輪力矩GD2，對同步電動機的起動影響較大，因此必須進行詳細的電機起動計算，確保產品的可靠性。

1起動能力計算

通過對電機型號：TZYW/TAW 6350-20/3250正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機的起動能力進行分析，并對壓縮機起動過程阻力矩進行計算見表1，具體起動能力計算過程如下。

(1)電動機額定功率:6350kW

(2)電動機額定轉速:300r/min

(3) 起動點阻力矩M1 ：157 854 N·M

=9550×6350÷300

=202141 N·M

(5) 起動點阻力矩與電機額定轉矩比值

157854÷202141=0.781

(6) 驅動端軸瓦內徑D1=406.4mm (電機為單支撐結構，與壓縮機共用驅動端軸承)

(7) 非驅動端軸瓦內徑D2=400mm

(8) 驅動端軸瓦所受重力P1=13500kg

(9) 非驅動端軸瓦所受重力P2=20000kg

(10) 驅動端靜摩擦力矩M2

M2=0.5×kf×P1×D1×10-3

=0.5×0.3×13500×406.4×10-3×9.8

=8065 N·M

(11)非驅動端靜摩擦力矩M3

M3=0.5×kf×P2×D2×10-3

=0.5×0.3×20000×400×10-3×9.8

=11760 N·M

(12)總阻力矩

MM=M1+M2+M3

=157854+8065+11760

=177679 N·M

(13)起動轉矩倍數Mqd=1.20

(14)全電壓時起動能力計算Mqd×T>MM

1.2×202141=242569>177679 N·M

經核算全電壓情況下電機起動能力合格。

(15)降壓時起動能力計算

α2×Mqd×T>MM

式中，α—電機端電壓百分比。

表1　壓縮機起動過程阻力矩

2起動時間計算

同步電動機起動時間計算過程如下

(1)壓縮機組總飛輪轉矩GD2=120 000kg·m2

(2)額定轉速n=300r/min

(3)電動機牽入轉矩倍數Mqr=0.80

(4)起動過程平均阻力矩倍數Mc=0.30

(5)起動時間估算

全電壓約為7s。

3起動時阻尼繞組的起動溫升估算(疊片磁極結構)

(1)起動時阻尼籠中產生的熱量A2,單位(J)

=21135029

(2)阻尼條計算常數

式中，CB—阻尼條比電阻系數；lB—阻尼條長，單位(mm)；Z2—每極阻尼條數；qB—阻尼條截面積，單位(mm2)。

(3)阻尼環計算常數

式中，CK—阻尼環材料；DK—阻尼環平均直徑，單位(mm)； P—極對數；qK—阻尼環的截面積，單位(mm2)。

(4)阻尼條總體積VB

VB=2p×Z2×lB×qB

=2×10×9×1050×254.4

=48081600mm3

(5)阻尼環總體積VK

VK=2π×DK×qK

=2π×2701×4000

=67849120mm3

(6)阻尼條估算溫升θB

=136℃

式中，KB—阻尼條材料的比熱，KB=380;γB—阻尼條材料的密度，γB=8.45。

(7)阻尼環估算溫升θK

=0.6℃

式中，KK—阻尼環材料的比熱，紫銅KK=390; γK—阻尼環材料的密度，紫銅γK=8.9。

4采用有限元法對起動過程的仿真計算

隨著有限元計算軟件的應用，對同步電動機的起動過程的分析計算更為直觀，下面以TZYW/TAW10000-20/3250正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機為例，展示對電機起動過程一些分析。

電機采用全電壓起動，起動時間為6s，起動時間曲線見圖1；起動轉矩曲線見圖2；起動時平均轉矩為334.15kN·m(折算成起動轉矩倍數約為1.05)，起動電流曲線見圖3，起動時平均電流為2870A(折算成起動電流倍數為4.34)。

(起動時平均轉矩為334.15kN·m，折算成起動轉矩倍數約為1.05，協議要求0.6倍)

(起動時平均電流為2870A，折算成起動電流倍數為4.34 )

通過有限元的仿真分析，電機起動時的幾項性能參數更加直觀，確保電機的起動性能能滿足負載的需求，電機的起動能力合格。

5結語

本文通過應用理論計算與有限元法對驅動往復式壓縮機的同步電動機的起動計算進行了簡單介紹，為我國大型裝備國產化提供了一定的技術積累。隨著石化行業的高速發展，裝備大型化的需求越來越多，為確保產品的起動過程的可靠性，在產品設計初期進行相應的理論計算及有限元分析越來越重要。希望通過本文的介紹，使大家對同步電動機的起動計算有進一步的了解，同時也為促進大型裝備國產化發展，拓展國際高端大型電機市場提供具有重要價值的計算方法。

參考文獻

[1]李幼倩，韓君強.現代新型增安型無刷勵磁同步電動機的設計及應用.北京：機械工業出版社，2009.

[2]楊萬青，陳興衛.電機實用設計技術.北京：機械工業出版社，2014.

[3]張東宇，張勝男.永磁直驅同步風力發電機電磁設計及仿真分析.防爆電機，2014.3.

[4]戴志立，彭曉，李漠發.直驅永磁同步風力發電機空載短路分析.防爆電機，2014.6.

[5]程小華.同步發電機各特性命名之異議.防爆電機，2015.4.

Starting Calculation of Synchronous Motor for Driving

Reciprocating Compressor

LiRuiandQiaoLina

(National Engineering Research Center of Explosion-Proof Electric Machine, Jiamusi 154002, China)

AbstractTaking a pressurized enclosure/increased-safety brushless excitation synchronous motor for driving reciprocating compressor as an example, it is calculated and simulated in starting capability, starting time, starting damper winding temperature rise and other aspects by combining theoretical calculation and finite-element method and on the basis of corresponding boundary conditions. By analyzing the calculated result, some beneficial conclusions are given, and it can lay the foundation of starting calculation of synchronous motor for driving reciprocating compressor.

Key wordsReciprocating compressor；synchronous motor；starting calculation；finite-element method

收稿日期：2015-09-14

作者簡介：歷銳 男1982年生；畢業于黑龍江八一農墾大學機械設計制造及其自動化專業，現從事電機設計研發工作.

中圖分類號：TM341

文獻標識碼：A

文章編號：1008-7281(2016)01-0032-003

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.01.09