往复式压缩机用中型高压防爆电机的设计要点分析.doc

往复式压缩机用中型高压防爆电机的设计要点分析-机电论文往复式压缩机用中型高压防爆电机的设计要点分析 陈彩1，2田儒彰3 （1.福建省产品质量检验研究院，福建福州350002；2.福州大学，福建福州350116； 3.中煤科工集团重庆研究院 有限公司瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400050） 摘要：针对往复压缩机用电机的工况特性，提出了该类电机的设计要点，依据负载特性、启动特性，对防爆型式选择、转动惯量选择、服务系数选择、电磁噪声控制、低速自扇冷却、成本控制等方面进行了系统阐述。 关键词：往复式压缩机；电机；转动惯量；设计；服务系数；电磁噪声 0引言 煤层气作为世界上最重要的非常规天然气资源之一，在我国已进入商业化生产阶段1。煤层气的利用需要采用LNG、CNG手段，要用往复式压缩机进行液化或压缩。然而，往复式压缩机的负载的时变性、大惯量等工况特性，对电机提出了不同于水泵、矿用风机等机械的设计要求，本文根据往复式压缩机的特性，系统阐述了驱动此类机械用电机的设计要点。 1往复式压缩机的工况特性 1.1负载特性 由于往复式压缩机阻力矩My随曲柄转角在变化，而每一瞬时的驱动力矩Md与My不相等，从而使曲轴瞬时转速变化，曲轴存在瞬时角加速度，见式（1）。 My-Md=-J（1） 式中，My为压缩机阻力矩；Md为瞬时的驱动力矩；J为机组中全部旋转质量的转动惯量；为曲轴瞬时角加速度。 对于异步电机压缩机机组，压缩机和传动机构旋转零件的惯量特性应使旋转波动减至最小，旋转系统的最大转速波动应限制在全负荷时额定转速的1.5%。机组的旋转零件的综合惯量应足以限制电机电流变化值不超过所有规定负荷条件下满负荷电流的40%2，以避免压缩机振动、电机电流波动过大影响到电网的电压脉动。 另外，往复式压缩机属于低速负载，转速一般都是在5001000r/min之间，以8、10、12极居多，带联轴器驱动，这类电机的固有频率和电磁场频率非常接近，甚至有交叉。 1.2启动特性 根据往复式压缩机技术标准要求2，在电压下降到额定电压的80%或其他规定值下时，电机的启动扭矩应符合被驱动设备的要求，电机应在15s或其他购卖双方同意的时间段内加速到全速。只要在气缸端卸荷或所有级100%旁路时，不需要降低任何级正常吸气压力，电机启动扭矩应足够启动压缩机。由于拖动的转动惯量增加，启动压降造成的启动转矩成平方关系下降，这就会造成电机启动时间长从而导致启动过程中发热量大。 2设计要点 2.1选择合适的防爆型式 由于煤层气的易燃、易爆属性，LNG、CNG往复式压缩机配套用电机必须防爆，可以选择的防爆型式有正压型、增安型、隔爆型等，对往复式压缩机用中型高压防爆电机而言，应优先选用隔爆型。隔爆型的优势如下3： （1）往复式压缩机用中型高压隔爆型电机比正压型、增安型节约成本，GB38362010执行之后，正压型、增安型电机要通过相关试验，成本激增。 （2）往复式压缩机用中型高压隔爆型电机不需要吹扫装置，比正压型、增安型电机运行维护方便，且更有利于在矿山的机动运行。 （3）往复式压缩机用中型高压防爆电机机座号在H560及以下，隔爆腔体小于6000cm3，符合国家及国际标准中关于隔爆接合面参数的规定，按隔爆型设计正合适。 （4）往复式压缩机用中型高压防爆电机属于低速电机，按隔爆型设计避免了高速隔爆型电机容易出现的抱轴问题。 2.2保证足够的转动惯量，减小电流波动 从往复式压缩机的负载特性可知，为最大程度控制电流波动，应使瞬时加速度尽可能小，故应力争使转动惯量J增大45，因此一般会希望电机的转动惯量比较大。根据转子转动惯量的计算关系式（2）可知，若要增加电机的转动惯量，最有效的是增加转子外圆、其次是增加铁芯长度。因此，宜采用较大的转子外径、短粗结构。 JD2L（2） 式中，J为电机转动惯量；D为电机转子外径；L为电机铁芯长度。 值得注意的是，如果压缩机和电机的转动惯量不能满足要求，还需要增加飞轮，用以增大转动惯量J，电机转子中的风扇、平衡环都可以通过加大外径或提高质量来增大电机的J，进而提高整个系统的飞轮力矩，以保证电流波动在合理范围内。 2.3提高启动特性，减小启动温升 根据往复式压缩机用电机的启动特性要求，要求电机提高启动转矩倍数，降低启动电流倍数，以尽量降低启动温升。根据文献6，驱动化工压缩机的电机启动转矩倍数一般要达到0.6倍，考虑到80%额定电压时的启动，启动转矩倍数应达到0.9方能满足最恶劣工况时的正常启动要求。 在电机设计时，电机转子槽型应优先采用凸形槽，同时适当加深，以增加集肤效应，增加转子启动电阻，从而提高启动转矩；增加转子槽总面积和端环截面积，以降低转子发热量。对于大容量电机，采用发热量小的铜条转子。在满足最大转矩要求的前提下，选用较小的B和较大的线负荷A，以降低启动电流，获得良好的运行效率。 2.4保留一定的服务系数 往复式压缩机存在变工况运行，需要有一定的过载系数79。电机的额定功率（铭牌功率）一般是由压缩机厂根据压缩机的最大功率再乘以一定的系数选定，系数的选定各个电机设计单位和设计院要求不一样，目前普遍采用的系数是1.151.25之间。若在订货时提出服务系数的要求，则需要按规定的服务系数来设计、制造。 2.5合理选择电机频率，避免电磁噪声和电磁振动 电机的电磁噪声和振动本质上就是共振，是电机固有频率与电磁场力波频率相近、阶数相同造成。往复式压缩机的电磁特性决定了该类电机非常容易出现电磁噪声或电磁振动，要避开此类共振问题出现，须从以下两个方面入手： 2.5.1槽配合选择 电机槽配合选择直接决定了电机气隙磁场力波的阶数和频率。压缩机电机通常在选择槽配合时考虑如下原则10： （1）8极电机推荐的槽配合有72/58、72/56（斜槽）。 （2）10极推荐的槽配合有90/68、90/69、90/70（斜槽）、90/72、90/74、90/76、90/80、90/106等。 （3）12极推荐的槽配合有90/68、90/70、90/71、90/106等。 为了具有通用性，10、12极电机槽配合均按90/70直槽设计。虽然根据相关资料介绍电机运行时会形成同步附加转矩，但实践证明，在现有的设计情况下，并没有出现明显的转矩突变。 2.5.2电机固有频率选择 根据文献11可知，在定子外圆和机座壁厚确定的情况下，定子内圆、槽深对定子固有频率影响较大，选择三圆和设计槽型时应注意结合实际经验进行固有频率校核。在保证电机性能的前提下，尽量采用小的定子内圆和较浅的槽，提高定子刚度，避开低阶力波频率，定子内圆以不超过定子外圆的70%为宜。 2.6低速自扇冷却 从成本及维护角度考虑，往复式压缩机用中型高压防爆电机均采用自扇冷却，6、8极采用相同的冷却风路系统，10、12极采用另外的冷却风路系统，由此带来的低速冷却需要综合考虑才能解决电机的发热问题。以H450机座号为例，以6极为基准，8、10、12极电机发热量、转速、风扇外径、风扇气流风速、风压系数、对流散热系数、温升指数对比如表1所示。 由表1可知，在风路相同的情况下，10、12极散热系数下降值比发热量下降值要大，因此，需要采取措施降低发热量或提高散热能力，可通过适当降低电磁负荷或优化风路来实现。若将风扇外径增加至1.05倍，则散热系数变为0.95、0.85，温升系数变为0.8、0.81。在满足噪声要求的前提下，若适当增加风扇直径或宽度，可以获得较好的冷却效果。 2.7提高通用性，降低成本 2.7.1三圆模具通用化设计 为减少三圆模具费用，10、12极电机的三圆尽量与6、8极通用，不能满足性能要求时，在条件允许的情况下可以适当增大定子内圆，但一般限制在定子外径的70%以内。 10、12极电机的槽配合均采用90/70，铸铝转子（转子冲片）应实现通用，由于10极气隙要比12极大，因此在电磁计算时10极的槽口高应比12极的小。定子冲片也尽量实现通用。 2.7.2外装压设计 由于多极数电机定子内圆大，轭部高度较小，导致绕组外圆与机座内圆之间间距较小。一般情况下，多数10、12极电机都采用内装压或者半内装压。但由于内装压生产周期长、装压困难，因此在设计时应使用合适的尺寸尽量实现外装压。设计措施如下： （1）在设计定子槽型时，应使定子槽宽、浅，尽量增加轭部高度。 （2）绕线用的芯轴直径应尽量小，根据不同的线规，可以将芯轴直径降低至20甚至12，同时选择较小的鼻抬高尺寸。对于端部总长均小于300mm的绕组，采用软端箍绑扎固定，软端箍的直径选择可以参照文献12。 3结语 往复式压缩机是当今世界使用非常普遍的通用机械，驱动此类机械的电机的选型和设计，不能仅仅考虑功率的匹配，还要考虑机械的负载、启动特性，根据特性设计或选型电机，才能满足工况使用要求。 参考文献 1孟召平，刘翠丽，纪懿明.煤层气/页岩气开发地质条件及其对比分析J.煤炭学报，2013，38（5）：728736. 2美国石油学会.API618标准石油、化学和气体工业设施用往复压缩机S.5版.2007. 3姜海艳.浅谈大型防爆异步电动机防爆型式的选择J.机械管理开发，2009，24（3）：8384. 4活塞式压缩机设计编写组.活塞式压缩机设计M.北京：机械工业出版社，1974. 5郁永章.容积式压缩机技术手册：制冷化工动力M.北京：机械工业出版社，2005. 6湘潭电机厂.交流电机设计手册M.长沙：湖南人民出版社，1978. 7郁永章，姜培正，孙嗣莹.压缩机工程手册M.北京：中国石化出版社，2012. 8王佑坤，朱荣东.空气压缩机变工况运行试验研究J.石油矿场机械，2007，36（11）：3335. 9张建杰.压缩机与驱动机选用手册M.北京：石油工