国家职业资格全国统一鉴定
维修电工论文 （国家职业资格二级）
论文题目：
变频同步电动机改进探索
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江苏省连云港市
所在单位：
变频同步电动机改进探索 XXX
【内容摘要】近年来大规模集成电路和计算机控制技术的发展以及现代控制理论的应用，又为交流电力拖动的开发进一步创造了有利条件。当前国际出于节能的目的，已在风机和水泵等领域大量地采用了变频调速系统。随着矢量控制技术的应用.这一系统也顺利地进入了直流传动领域。在几个规格电机实测尺寸及技术数据的基础上，按照我们自己编制的电磁计算程序，根据变频器供电同步电动机的设计特点，分析出这些电机的电热负荷水平。结合电机结构，从轴、定子、转子及绝缘结构分别论证改进措施。提出了计算程序，并对西门子的电机进行了验算，获得了满意的结果。
【关键词】交变频
同步电动机
改进探索 一、.前言
现代电力电子技术和微电子技术的发展，使半导体变流技术的交流变频调速系统得以实现。近年来大规模集成电路和计算机控制技术的发展以及现代控制理论的应用，又为交流电力拖动的开发进一步创造了有利条件。当前国际出于节能的目的，已在风机和水泵等领域大量地采用了变频调速系统。随着矢量控制技术的应用.这一系统也顺利地进入了直流传动领域。
二、交流变频调速系统参数 1984 年以来，我国先后引进了五套四个规格轧机用交流变频调速成套设备和两台煤矿卷扬设备。这些设备都是由德国西门子公司生产，其性能和技术经济指标基本上代表了当前的世界水平。为了尽快缩短与国外水平的差距，我们对引进的设备进行了实地测绘和技术分析，为立足于国内工艺和材料的基础上自行设计创造条件。
交流变频调速系统中采用同步电动机还是异步电动机是系统设计时统一考
虑的问题。同步电动机的功率因数和效率较高，电源容量小，有独立的励磁绕组，便于控制。笼型异步电机转子结构强度好，不需另外的励磁装置，没有维护电刷和滑环的问题。西门子公司的产品绝大部分是采用同步机，高速的规格采用隐极结构，低速的采用凸极结构。在这里我们主要介绍近几年来西门子生产的变频调 速同步电机的技术特点。
表一 在我国运行的变频调速同步机 生产 年份 用户 功 率（kw) 电 压（V) 频率（Hz) 转 速（r/min) 台数 用途 1984 宝钢 9000 1650 8.33/19.3 250/578 1 粗轧 R3 1985 湘钢 3250 1650 6/12 60/120 1 初轧机 1986 包钢 5000 1750 6/12 60/120 2 初轧机 1987 大治 钢厂 4600 1650 6.5/12 65/120 1 初轧机 1987 鞍钢 5000 1750 6/12 60/120 2 初轧机 1987 长春 煤矿 2000 1550 9.4 49.65 2 卷扬机
自 1972 年以来，西门子把这项变频调速技术应.用于大型水泥磨机、矿石破碎机、矿井卷扬机和大型轧钢电机等领域，先后生产出 60 多台同步电动机及其装置，容量一 2 一 11 .5MW，转速 15 一 660r/min,其中在我国运行的有 9 台，其规格和用途见表 10 本文分析的依据就是这些电机的测绘资料和试验数据。
三、电气参数
在几个规格电机实测尺寸及技术数据的基础上，按照我们自己编制的电磁计算程序，根据变频器供电同步电动机的设计特点，分析出这些电机的电热负荷水平，具体数据见表 2。
从电动机的端电压选择来看，由于大容量晶闸管(1600A/4000V ),阻容元件和快熔保护元件的耐压水平的限制，采用 1650- 1750V 比较适宜。对于这样的电压等级，对地绝缘厚度基本上相当于普通 3000V 电机的一半左右，这样不仅大大
减少了电枢有效层中的绝缘占有量，同时又有利于通过铁心散出。日本的一些公司有的将大中容量的电压等级定为 2700V , 3300V 或 6600V，这样就要考虑元件的串联问题，使系统复杂化。然而在一些特殊的场合.高压又是不可避免的，如蓄能机组的电动方式起动装置，就要采用 6600V 或 10000V 的电压。
由交交循环变频器工作性质决定，输出频率应选择的比较低，除减少谐波的比例和增加有效 529158437 出电流外，还可减少变频装置的损耗。装置的控制频率应低于电源频率的 1/3 一 1/2，一般在 5 - 16Hz,最高不超过 20Hz. 从表 3 中可以看出，西门子公司生产的在我国运行的这几台大容量变频调速电机的电磁负荷水平都是比较高的。定子线负荷比我国的大型 F 级系列和西门子公司普通的同步机(宝钢粗轧区 R49000kW375r/min)的水平高约 30%。考虑到高次谐波产生的附加钢耗，定子绕组电密与普通电机基本相当，使发热参数总水平保持 一个适当的水平。
由于电源的基本频率比较低，因此气隙进密都取到 1T 以上。尽管如此，其铁耗的比例仍远远低于普通电机。
四、电机结构
1.轴和转子
转轴采用经过淬火处理的 CK45N 整体锻件。该材料的机械性能中屈服点比我国的 45 钢高 20%。轴颐实际选择的应力比较低，用 6M10 的方法进行验算，其实际应力要低 30%左右。这是由于考虑了低频脉动转矩和发生扭振时产生转矩放大的因素。
对于凸极电机的磁极是采用单鸽尾的方式同实心磁扼固定的。鸽尾的角度为60 0,鸽尾的每一侧用两对斜键分别从两端撑紧.小头在外端的一根斜键用螺钉同
压板固定在磁极的鸽尾上，大头在外端的一根斜键在打紧后用压板和螺钉固定在磁棒上。
磁极铁心冲片分为两种，一种是按磁路计算确定的正常冲片，另一种是每侧比极靴宽度宽 30mm 的冲片。在铁心长度方向设 2 - 4 段，每段宽 40mm,段数的多少视极间摸块的数目而定，其位置也与撑块位咒对应。这种结构可以减小托板厚度，便于线圈的布置，也有利于磁极的固定。
为了在有限的转子空间部位较大的励磁容量，磁极线圈采用上下两种线圈宽度。为了加强励磁绕组的散热能力，每种线圈又增加一种加宽 10mm 的线规，作为每隔两匝出现一匝的散热匝。极间撑块与线圈的接触面只需将散热匝多出的10mm 加工出适当的宽度即可形成，既不影响导线通流截面，又不容易扣匝间绝缘。
磁极线圈是由铜板剪成条料焊成框形，线圈形状的尺寸精度高，与极身绝缘之间的间隙可以做到最小。
凸极电机的阻尼绕组没有阻尼环，铜条直接焊在磁极压板上比较简单。但是极间的阻尼电流要通过磁极压板构成回路，曾出现极间压板联接部件烧坏的事故。
磁极压紧的拉杆既不采用铆钉结构，也不采用螺拴结构，而是采用光杆两端与压板焊接的方式，确是一种省工省料且工艺简单的方法。
对于转速较高、极数较少的规格，往往采用隐极结构。设计时参照直流电动机的设计思想，考虑了转矩的脉动、频繁加减速和正反转的工况，转轴和转子支架的刚度和强度都得到加强。轴采用整体锻件，在其上加工出或焊上支架筋。转子扇形片以拉紧螺杆组成陮圆后与支架轴过盈配合，靠两组斜键分别传递两个方
向的转矩，如图 1 所示。
2。定子
变频调速同步电动机的应用场合，大部分是原来直流电机传动的领域，速度范围广，冲击负荷大，再加上静止变频器电源的高次谐波及低频脉动找 W-等问题.使机座的受力变得极为复杂。因此对于 5000kW 以上的机座设计均首先通过有限元进行分析，确定合理的结构、在保证过载时其有足够的刚度和 强度的情况下.获得最小的材料消耗重量。
考虑到检修的方便和减小主电室的跨度.对于定子铁心内径 2100mm 以上的轧机电机.机座分为两瓣，对于水泥磨机用的更大直径的环形电动机定子还分为三瓣。
对于分瓣机座，如果从工艺方面考虑，一般采用 4 的倍数的极数的单层式绕组。但西门子公司还是采用传统的双层绕组。为了解决分瓣处定子绕组的连接问
题.先后采用过两种方法.第，种方法是在工地安装后进行焊接，这样将增加检修的工作量和时间;第二种方法是在分瓣处的各个分瓣线圈端部焊上连接接头.如图2 所示。被连接的导线 2 硬焊于连接块 1 上.在连接块上热挤压一个相当于 M8 螺距的钢弹簧，构成一个可经常拆装的紧固结构。净根据线圈的匝数，可将连接块布置在相应的平面上。然后用铜排将属于同一匝的绕组连接在一起.再加包上绝缘，这种方式接触可靠。装拆方便。
分瓣机座在叠片和加工合缝面时考虑上下瓣铁心间留有一定的间隙，但由于吊装过程中机座的变形使此间隙的大小发生变化，形成一个不均匀的空气隙。因此为了能较好地消除磁路不对称，采用了加垫磁性纸的方法。磁性纸的厚度有0.2,0.5,0. 8m m 等不同的规格，在安装现场把合机座时首先用塞尺逐点测出合缝面的间隙变化等高图.根据此图用不同规格的磁性纸贴出一个与间隙的实际情况一样的磁性纸垫片，打开机座后把这个磁性垫片垫在合缝间隙处，再把机座把紧。
定子冲片采用 V530-65A 硅钢片，单位损耗与 DW 400 相近.但是磁化性能远远好于 DW400。对于不分瓣的定子一般都采用斜槽，斜一个齿距。
3.绝缘结构
由于定子电压较低.因此绕组的主绝缘厚度与直流电机的电枢绕组相近，双面厚度在 2 mm 左右。直线部分采用 F 级模压绝缘。表 3 为宝钢 R3 9000kW165oV
电机的定子线圈绝缘尺寸。
表 2 宝钢 9000kw1650V 电动机定子线圈绝缘尺寸（mm)
宽度方向 高度方向 备注 槽
部 导线尺寸 2X5 3.5
导线绝缘后尺寸 2X5.4 3.9
附加尺寸 0.1 0
包主绝缘前尺寸 10.9 70.2 每匝 6 根并联，共 3 匝 主绝缘尺寸 2.4 2.4
线圈尺寸 13.3 72.6
高度方向俩个线圈尺寸
145.2
层间垫条厚度
3
槽附加尺寸 0.3 1.3
槽底垫条厚度
0.5
斜槽附加尺寸 0.1
绝缘增量 0.6
槽尺寸 14.3 150
端部 导线绝缘后尺寸 10.8 70.2
俩边绝缘厚度 1.8 1.8
五、结论及应用 通过对几台变频调速同步电动机测绘资料的分析和一些相应的试验研究工作，4 本上掌握了这种同步电动机的设计特点。提出了计算程序，并对西门子的电机进行了验算，获得了满意的结果。为了满足国内市场的需要，已为包钢轨梁轧机主传动电动机进行了技术设计，该电机的规格为 2500kW"1650V 100/200 r/min 6.67 3.3 H z，采用凸极结构，电磁参数水平均与西门子的水平相当。另外还为长城钢厂研制一台 1250kW 1200V150/240r/min 12.5/ 20 Hz 的笼型异步电动机，从而使我国轧机领域的变频调速技术进入实用化阶段。
【 参考文献】
《电工技能与训练》曾祥富主编
《中华人民共和国国家标准:交流电气装置的接地设计规范(GB\T50065-2011)》
端部尺寸 12.6 72