熱力行業中型電機變頻調速的電氣設計研究

氣設計過程是一個復雜的過程，經常會出現城市供熱系統中因熱效率高而逐漸采用大容量鍋爐、電機功率同時增加的現狀。隨之而來的是中型電機啟動及調速如何設計的問題，涉及到中型電機功率較小情況下變頻控制系統設計、中型電機功率較大情況下變頻控制系統設計。本文通過對變頻調速電機的設計特點、電機設計中應注意的問題和中型變頻調速電機設計實例三個方面論述，按照不同情況即不同的電機功率，得出不同的設計方法，從而實現既節約投資又能保障系統穩定、維護較容易的目的。

隨著電力電子技術的發展，交流電機的變頻調速已逐步取代了傳統的變極調速、電磁調速和調壓調速系統。被廣泛應用于礦產、鋼鐵、運輸紡織及高空調家電等領域。其控制性能及經濟性能都已接近或超過直流電機調速系統，變頻調速的目的主要是節能調速和工藝調速， 能調速用于具有平方轉矩負載特性的風機泵類機構的轉速控制。

一、變頻調速電機的設計特點

變頻調速專用電動機開發的必要性就在于解決在變頻調速情況下，普通Y系列電機勝任不了的問題、其設計特點如下：

（1）用SPWM裝置額定頻率供電時，變頻調速電機的功率等級和安裝尺寸的對應關系與基本系列電動機相同，這有利于用戶的安裝、維修、推廣與使用。

（2）由于通常的自帶風扇的冷卻方式，在許多場合下將不適用于變頻器供電的變頻調速電動機，基速以下的恒轉矩特性使電動機在低速時的電流和磁通都基本保持不變。然而此時的冷卻風量卻與轉速的3次方成正比的減少，使散熱發生困難。因此，變頻調速電動機需采用外通風冷卻，同時應充分考慮電機的溫升裕度。

二、電機設計中應注意的問題

（一）電機設計時需減少電機中的氣隙不平衡以及電磁激振力的大小，來降低電機的噪聲。這可以通過提高定子鐵心內徑及轉子鐵心外徑的加工精度來減少偏差和提高同心度方法來實現。

（二）由于電機在一個頻率范圍內工作，要使電機定子的主要階模態的固有頻率與電磁激振力的階分量錯開是十分困難的，但可以通過選擇合理的槽配合、改進電機的絕緣結構和采用正弦繞組等以降低低階空間諧波的幅值或者對定子的結構進行阻尼處理以增大電機定子各階模態的阻尼，來降低電機定子在發生振動時的振幅，達到降低噪聲的目。的。

（三）由于變頻電機的高速運行時，轉速非常高，這對電電機結構件的剛度、強度有較高的要求。電機設計時需對電機機座、端蓋、轉軸連接系統以及軸承進行分析，采取相應措施。如端蓋采用帶內、外散熱筋結構，同時加強電機與獨立風機連接部分的強度，來保證變頻電動機高速運行時良好的剛度。

三、中型變頻調速電機設計實例

（一）電網電壓l0kV，采用l0kV電機，l0kV輸入和l0kV輸出的變頻控制系統

此系統結構簡單，無須單獨的電源變壓器，變頻器自帶輸入隔離變壓器，直接接電網即可，不需要電網電壓轉換的變壓器，不占用低壓變壓器的容量，同時電機和變頻器的效率都很高，電機運行時S小，轉差功率損耗小，效率高。電機效率>93%，變頻器的效率=97%，電機加變頻器的整體綜合效率>90.2%此外變頻器對電網側和電機側的諧波都非常小，可忽略不計，電網側諧波總量一般小于1%，電機側諧波可以忽略不計，可以使用普通電機，不需要用變頻器專用電機。還有輸出電纜長度無限制，輸入輸出電流都最小，大約30 ～ 40A，采用的電纜截面小，電纜成本和施工的成本低。另外電機的接線方式為星形接法，必要時可以直接采用旁路，在l0kV的電網下，直接啟動l0kV的電機，旁路系統簡單，不需要星角轉換，可以在變頻器發生故障后，用工頻電源馭動電機繼續運行。采用大品牌的變頻器，運行的可靠性極高，售后維修的成本很低，設計壽命20年。電機功率與電網電壓匹配，符合國家的政策。但是變頻單元的額定電流64A，富裕量很大，性價比不如6kV輸出的變頻器。變頻器本體體積比6kV輸出的變頻器略大，價格比l0kV輸入、6kV輸出的變頻器略高。

（二）電網電壓l0kV，采用6kV電機，l0kV輸入和6kV輸出的變頻控制系統

此系統結構簡單，無須單獨的電源變壓器，變頻器自帶l0kV輸入隔離變壓器，直接接電網即可，不需要電網電壓轉換的變壓器，不占用低壓變壓器的容量，同時電機和變頻器的效率都很高，電機效率>93%，變頻器的效率=97%，電機加變頻器的整體綜合效率>90.2%。此外變頻器對電網側和電機側的諧波都非常小，可忽略不計，電網側諧波總量一般小于2%，電機側諧波可以忽略不計。可以使用普通電機，不需要用變頻器專用電機。還有輸出電纜長度無限制，輸入輸出電流都較小，大約60 ～ 70A，略高于l0kV的變頻器額定電流，采用的電纜截面較小，電纜成本和施工的成本較低。另外變頻單元的額定電流70A ，接近電機額定電流，電機與變頻器的額定電流容量匹配性好，富裕量足夠，性價比比l0kV輸出的要好。變頻器本體體積比l0kV輸出的小，價格比l0kV輸出的變頻器低。采用大品牌的變頻器，運行的可靠性極高，售后維修的成本很低，設計壽命20年。電機功率與電網電壓匹配，符合國家的政策。但是變頻運行的接線方式為星形接法，不能采用旁路，適合丁不需要旁路的場合。

總之，通過以上的對比分析，得到重要的設計結論：對于400kW及以下的中型電機，應設計0.4kV的變頻控制系統；對于450kW的中型電機，應設計0.4kV的變頻控制系統或高壓變頻控制系統；對于500kW中型電機，在電氣設計中應設計l0kV輸入，6kV輸出的變頻控制系統，電機即可以采用l0kV（可以旁路），也可以采用6kV（不需要旁路時），比較靈活；電機的功率與電網電壓匹配，符合國家政策，而且這樣的方案具有整體綜合效率高，電纜截面小，電纜和施工成本低，諧波小可忽略不計，電機不降容，可以使用普通電機，不需要變頻器專用電機，電纜長度無限制，變頻器的額定電流容量與電機的額定電流匹配性好，不需要占用低壓變壓器的容量，無電磁干擾。由于電流小，這種變頻器的可靠性已經超過了低壓變頻器。這些設計已經在熱力工程實踐中取得良好效果。