變頻器試驗機組用異步電動機的設計

劉 洋

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

變頻器試驗機組用異步電動機的設計

劉 洋

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

介紹了變頻器試驗用電動機的基本要求，主要參數及整體結構。結合本設計經驗簡述了電動機的電磁方案初步設計以及對此種電機電磁設計的考慮。對此種電機區別于普通變頻異步電動機之處做更進一步闡述。對機組電動機的整體結構做出了合理設計，為變頻器試驗機組用異步電動機提供了設計思路。

變頻器；試驗機組；異步電動機；星角轉換

0 引言

隨著變頻器在工業控制領域內日益廣泛的應用，變頻器生產廠家越來越多，每一套變頻器都要通過出廠前試驗，由于變頻器種類及應用范圍比較廣泛，因此要求變頻器試驗機組適用范圍越廣越好。

目前國內變頻器制造商的試驗方法都比較落后，一般都使用帶電機空載或帶電阻、電抗器的方法，兩種方法存在很大缺陷，空載試驗只是檢驗了變頻器輸出電壓的性能，而實際輸出電流很小；帶電阻、電抗器試驗只是檢驗了變頻器輸出電流的性能，而實際的輸出電壓很低。實際上應該對變頻器在高電壓、滿負荷動態帶載的情況進行試驗。以上兩種方法無法滿足實際的實驗條件。

某電氣研究院設計了一套能夠實施能量反饋的試驗設備，可以充分模擬各種工況需求，滿足全系列變頻器試驗條件。我公司為其提供變頻器試驗機組用500kW異步電動機。

1 試驗機組對電動機的要求

試驗機組采用2臺異步電動機：1臺380/660V星角轉換；1臺660/1140V星角轉換，兩臺電機通過聯軸器連接能夠實現對拖，機組如圖1。

圖1 機組

1.1 試驗機組在試驗室需要同軸安裝，軸端采用在最大過載時機械角度偏差不超過1/4度的撓性聯軸器連接，不設齒輪變速。

1.2 電動機轉子的GD2應設計的盡可能小，使電動機機電時間常數盡可能小，以滿足高動態響應的需要。

1.3 絕緣等級為F級。需對電機繞組絕緣強度設計進行校核，保證能夠承受變頻調速系統高次諧波電壓對絕緣的影響，以及能夠承受高次諧波對電機溫升的影響。電動機定子絕緣強度應能適應變頻器的PWM電壓輸出，要求能承受最大電壓變化率du/dt>2kV/μs，最大瞬時電壓大于2倍額定電壓。

1.4 滿足沖擊性負荷試驗對電機機械強度要求。

1.5 電機防護等級IP54或以上。

1.6 電動機冷卻方式采用風冷。

1.7 電動機采用采用滾動軸承，脂潤換方式。

1.8 傳動側設置轉子軸接地碳刷、非傳動側設置軸承絕緣，以避免軸電流損壞軸承及光電編碼器。

1.9 廠家負責在電動機非傳動側加工光電編碼器安裝螺紋孔及止口、支撐桿固定螺紋孔等，并保證加工精度滿足安裝要求。由用戶提供光電編碼器安裝尺寸。

1.10 定子繞組測溫采用PT100元件，每相配置2個，一用一備，三相共6個。電動機2個軸承各配置1個PT100測溫元件。以上PT100測溫元件均采用三線輸出型式。

1.11 供貨服務范圍：試驗機組電機的設計、制造、出廠試驗、運輸、現場安裝指導及調試配合服務等(碼盤和超速開關由買方自行采購，廠家在機組非傳動端加工安裝螺紋孔及止口、支撐桿固定螺紋孔等)。

1.12 有關吊裝設備、電機基礎預埋件、機組水平度、機組同軸度、電動機外形、機組安裝尺寸等要求由賣方提供給買方數據。

2 電動機的主要參數

電動機的主要參數見表1。

表1 電動機主要參數

3 電動機的整體設計

根據對電機的要求，電機應該盡量做小，以實現電動機機電時間常數盡可能小，以滿足高動態響應的需要。且電機要實現星角轉換，存在較低電壓，額定電流較大，電纜較多引出線較多，需要有充足內部空間便于引線。所以需對電機綜合考慮，將從以下三方面對電機展開設計。

3.1 電磁方案的考慮

對于電機廠而言，已存在一定規模的電機沖片模具，所以在電機設計時盡量采用已有沖片。且由于此電機為變頻器試驗電機，用戶為滿足變頻器頻率變化范圍以對電機極數做了規定。這致使在方案上做的選擇十分局限，所以根據以上情況，方案應在一定范圍內盡量選擇較小電機來滿足要求。

在初步選擇方案時，應對電壓及接法兼顧考慮，以減小計算量，例如：380V角接與660V，星接相電壓分別為380V及381.1V，相電壓基本相同。所以在初選方案時，可以只計算其中一種電壓對應接法下的方案，來滿足其它電氣參數要求，但額定電壓影響額定電流，且額定電壓越小額定電流越大。所以初選方案時，盡量選用額定電壓低的進行計算以便確定額定電流能夠滿足變頻器最大電流限制[1]。

由于兩規格電機電壓等級不同，保證具有相同的絕緣等級需選用不同的絕緣規范，且需根據同一規格電機最大電壓去選取，例如：380V/660V電機需按660V去對應選取。以本單位為例，660V電機需選用通用的900V級變頻電機F級絕緣規范，1140V電機需選用通用2000V級變頻電機F級絕緣規范。

3.2 單臺電機結構設計

此種電機相對于普通變頻電機結構的特殊之處，此電機為變頻器試驗用，承載要求較低，相對于我公司普通電機的三軸承結構，此電機只需兩軸承結構，即負載端采用一套6224/C3深溝球軸承，非負載端采用一套NU224/C3圓柱滾子軸承。負載端設置接地電刷裝置，非負載端采取絕緣措施。

此種電機定子結構設計是難點，尤其對于機座空間較小，且電壓較低的電機，其電流較大，導致電纜數量較多，加之需實現星角轉換，致使電纜數量翻倍，機座內部空間狹小，增加了制造難度。為實現星角轉換，繞組引出線需與六個短路環連接引出，但空間限制無法安放六個短路環，通過采用短路環與連接線并用的方式，可以節省空間，即采用三個短路環，其余采用連接線的形式將繞組引出線通過電纜引出。在此過程中一定要注意通過連接線引出的電纜，電流的分配問題，有別于短路環引出形式，通過短路環引出時，線圈電流匯合到短路環，再通過短路環引出電流，保證了分配均勻，通過連接線引出時，需保證每根電纜連接的連接線分配的線圈數量相同，以保證電流均勻分配。對于電機出線盒需做特殊設計：一要考慮電流較大，連接板截面積足夠大來滿足大電流的要求；二要考慮星角轉換，需配有六個接線連接板，以及兩種實現星角轉換的單獨連接板。通過固定出線盒中三相引出線的位置，用以最簡單的方式實現星角轉換。出線盒示意圖如圖2。當采用角接時，用連接板將W2與U1、U2與V1、V2與W1連接，U1、V1、W1引出接電源，當采用星接時，用連接板將W2、U2、V2連接，U1、V1、W1引出接電源。

圖2 出線盒示意圖

3.3 整體設計

兩電機同軸安裝，不設齒輪箱，通過聯軸器直連，為滿足機械安裝要求，選用JMF-030膜片聯軸器，此聯軸器吸收角向不對中能力1/4°，吸收徑向不對中能力0.0046mm/mm，吸收軸向不對中能力±2.5mm，以保證安裝要求。此電機采用IC616冷卻方式，即空空冷卻，需有獨立冷卻風機，由于兩臺電機直連且距離較近，需考慮冷卻器進出風不相互干涉，冷卻器布置及整體結構如圖3所示。

圖3 整體結構

4 結語

通過以上對此類電動機的基本要求的列舉，以及主要參數的確定，簡述了變頻器試驗機組用500kW異步電動機的設計，對電磁方案、定子結構、軸承結構以及整體結構的設計思路進行了闡述，為變頻器試驗機組用異步電動機的設計提供了設計思路，為后續變頻器試驗機組用電動機形成系列設計奠定了基礎。

[1] 陳世坤.電機設計[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2] 顧繩谷.電機及拖動基礎(第四版)[M].北京：機械工業出版社，2007.5.

[3] 李方圓.變頻器行業應用實踐(第一版).北京：中國電力出版社，2006.

Design of Induction Motor for Frequency Inverter Test Unit

LiuYang

(Harbin Electric Power Equipment Co., Ltd., Harbin 150040, China)

This paper introduces basic requirements, main parameters and integral structure of motor used for frequency inverter experiment, and briefly describes primary design and consideration of electromagnetic scheme. The difference between this kind of motor and common variable-frequency induction motor is further elaborated, and integral structure of unit motor is reasonably designed. It provides some design ideas for induction motor in frequency inverter test unit.

Frequency inverter；test unit；induction motor；star-delta conversion

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.01.05

TM343

A

1008-7281(2017)01-0017-003

劉洋 男 1987年生；畢業于合肥工業大學電氣工程及其自動化專業，現從事大中型交流異步電動機的設計工作.

2016-10-14