大型變速驅動電機帶來重大解決方案

2013-09-05 榮格榮格

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

　　這些與基于LCI技術的變速驅動相關的不利因素將不能充分滿足關鍵大型泵應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轉換器無法為感應電動機提供合適的動力。不過，電壓(源)型逆變器(VSI)技術就更適合大型泵。VSI可為感應電機和同步電機提供動力。采用VSI系統所產生的諧波成份極低(無需使用諧波濾波裝置)且功率因數更佳。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。

　　泵用變速驅動系統

　　大型泵驅動建議采用VSI換流器技術，它可實現以下重要目標：

　　■電壓輸出(換流輸出至電機)達到正弦波形。電機能夠以近乎均一的功率因數運行。

　　■較低的諧波干擾。

　　多級相聯的轉換器布局也可用于非常大型(高功率)的應用。相位變換通過系列連接的晶體管器件實現。PWM(脈寬調制法)-VSI技術可采用2個或4個變相器。為電機配置若干數量(2個、4個或更多)三相變相單元將使定子的線圈相應被分割成獨立的三相組合，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有5，7，11，13，17，19。由于相互抵消作用，電機空氣隙內所產生的諧波場整體較低。

　　一項基于VSI技術的四相星形100 Hz的四極同步電機方案可用于大型泵。

　　相對于傳統的LCI方案，其顯著優勢在于：

　　1.峰值間的轉矩波紋一般低于1-2%。

　　2.較低的振動。

　　3.高容錯性。

　　4.高電機效率(一般可達98%以上)。

　　變壓器對于VSD系統起到了關鍵的作用。瞬時電流的限制要求和變壓器的保護的機理十分重要。

　　在VSD電機系統中，我們會應用到各種冷卻水泵。在實際運行中這些泵的常規工作點應盡可能靠近泵的“最佳能效點(BEP)”。額定流量最好是BEP狀態下流量的20%。冷卻水泵的性能曲線對于正常的運行十分關鍵。冷卻水泵的性能曲線壓頭從額定流量到關斷流量應穩定且持續的攀升(一般以增加10%的壓頭為宜)。

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

大型電機

　　大型電機需有效應對熱失衡。由于不可避免的要采用各種具有不同熱膨脹系數的材料，加之不均勻的溫度分布和大型體積，應該采用對稱的機械結構以及低熱力敏感度的設計。微小的非對稱結構可能導致不可接受的動力載荷。

　　對于大型高速電機，可采用柔性轉子的概念(初始臨界轉速通常低于運行速度的范圍)。轉子應該動力平衡，無需進行現場平衡。當初始臨界轉速一過，局部轉動中心由幾何質心變為局部質心，這意味著柔性轉子內的局部不平衡隨轉速而變。因此，應使用不平衡重量的模組來平衡每個獨立的模態。至少需要n+2個修正面來進行平衡(n=需要平衡的模態的數量)。

電機的測試

　　為了減少驅動系統性能異常的風險，對整套驅動系統的滿負荷全速測試必不可少。測試內容包括以下幾項：

　　1.對電機進行單獨的測試。

　　2.“背對背”測試來檢驗電機和VSD的性能。

　　3.對整套泵組的“聯動“測試。

　　開路和短路測試也必須完成以確定電機的常規損失。在額定轉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。由冷卻風機(內部冷卻)產生的較強的冷卻空氣流也會因此有部分的損失。通常情況下，電機效率在97-99%范圍內是可被以接受的。