大型压缩机驱动电机的技术方案说明
前言 目前，在交交变频同步电机领域大型高速两极同步电机还主要从国外进口。最近西气东输等项目需求的主电机的首次国产化自主开发由哈电、上电共同承担，产品开发成功将在这个领域取得主导地位。 本文主要针对于大型压缩机驱动电机从参数及结构形式等方面的技术方案进行说明。由于用于丙烷预冷压缩机的电机功率和转速均低于混合冷剂压缩机电机，因此下面仅以混合冷剂压缩机电机为例，对同步电动机和励磁机技术方案简单介绍。 1 同步电动机技术方案 根据项目本身对电动机的初步技术要求，并对多个方案进行比较、优化，确定了两种规格电机的设计方案如下： 电动机的基本规格及参数 为了提高电机的动态特性和转动部件应力的安全系数，通过详细的分析计算，可以合理地选取电机转子的直径以便即保证足够的转轴刚度又保证一定的安全裕度。同时将影响电动机动态特性的主要电气参数即直轴超瞬变电抗Xd″限制0.2左右的水平。为了提高变频器的可靠性，减小电机磁场谐波，提高电机效率，电机采用双三相绕组结构，每套绕组之间移相30度。为了实现电机的闭环控制和保证电机的同步运行在电机的轴头装有编码器。 电动机由定子、转子、三个轴承、底板、罩子和冷却装置等零部件组成，初步电机结构图见附图。为了增强转子系统的稳定性，电机装有第三轴承。 电机为正压通风防爆型，以防止外部的易爆炸气体进入电机内部，同时设有正压保护系统。 电机配有润滑油站，低压循环油保障电动机轴承的正常润滑和冷却，高压油在电动机启动和停机时接通，以保证启动和停机时电机轴承的安全。 电动机采用空水冷却，冷却器采用下水冷或侧水冷形式，避免意外的漏水对电动机的危害。 电机在出厂前将按相应的国家标准进行电机的型式试验。 2 励磁发电机技术方案 由于该同步电动机有防爆要求，因此转子励磁不能用集电环引入直流对电动机进行励磁(即静止励磁)，需采用同轴的无刷励磁机进行励磁。 图1为同步电动机的定子绕组、励磁绕组、无刷励磁机的定、转子绕组相互关系示意图。 无刷励磁机采用4极发电机，定子和转子都采用三相对称绕组，励磁发电机结构与三相绕线型一部电机相似，转子线圈的引出线与旋转整流环相连。 无刷励磁机定子三相绕组与相配套工频调压装置联接，其相序产生的气隙旋转磁场方向应与电动机的转轴的转向相反。这样就可以保证转子旋转后不会发生定子磁场的旋转速度相对于转子为零，即不会出现电动机的励磁电压为零而使电动机失步的情况。 电动机未启动置于静止状态时，如果无刷励磁机的定子端与工频调压装置闭合接通，电动机励磁绕组就可获得由励磁机定子旋转磁场感应到转子的工频电势经过旋转整流环整流后的直流电流。调节励磁机定子的电压，根据电动机的转速可计算出励磁机端电压与励磁电流的关系曲线。 励磁机的定子电压的施加采用自控，在电动机出现故障时，控制系统会立即自动切断励磁机的定子电源。 根据目前国内已设计、制造过的大型空冷汽轮发电机的无刷励磁系统的经验和初步核算，旋转整流环用的主要的电器元件国内完全可以生产。 3 电机设计、制造的难点 由于该种电动机的转速高、功率大，在前期分析论证的基础上，主要的技术难点有以下几个方面： (1)转轴及其它旋转部件强度及应力分析； (2)转轴及护环的材料选用问题； (3)转轴的临界转速及轴系动态特性分析问题； (4)轴承的结构型式、热稳定性分析及密封问题； (5)电机的噪音控制问题； (6)旋转整流环用的主要电器元件试验筛选问题； (7)机组可靠性问题。 4 结语 针对于以上技术难点，设计开展前逐一进行分析、计算、类比验证，同时对配套材料和器件厂商进行了调研。通过以上工作，可以认为上述问题国内的电机制造厂家是完全有能力解决，并且不会对电机的设计、制造和电机的性能产生影响。