YBBP系列（H80～355）隔爆型变频调速三相异步电动机开发设计.doc

YBBP系列（H80355）隔爆型变频调速三相异步电动机开发设计电气防爆2011,3YBBP系列(H80355)隔爆型变频调速三相异步电动机开发设计YBBP系(H80355)1N爆型变频调速三相异步电动机开发设计张新春.郭雪飞.马帅波(南阳防爆集团股份有限公司,河南南阳473008)关键词隔爆电动机;变频调速;电磁设计;结构设计摘要变频器供电的三相异步电动机,可以实现较宽范围内平滑无级调速,而且节能效果明显,得到了用户的认可.中图分类号TM301文献标识码A文章编号10049118(2011)03000105Development&脚onSeriesYBBP(H80355)FlamewoofWFThreephaseInductionMotorZIXinchun,GUOXuefei,MAShuaibo(NanyangExplosionProtectionCroupCo.,Ltd.,ttenanNanyang473008)Keywords:flameproofmotor;,呷:electromagneticdesign;structuraldesignAbstract:Itiswidelyacceptedbytheend?liarofVVFthree?phaseinductionmotorwithitsobviousfeatures-steplessspeedregulationwithinwiderrangeandenergy-saving.0引言电压源型删变频器,此文主要按此阐述.YBBP系列(H80355)隔爆型变频调速三相异步电动机,其特点是电机与变频器配合使用,可以实现较宽范围内平滑无级调速,其中频率范围55OHz为恒转矩变频,频率范围50100Hz为恒功率变频.是中小型交流变频调速隔爆型三相异步电动机的节能型新产品.该系列电动机额定运行时的效率指标符合国家质量技术监督局标准化司提出的中小型三相异步电动机能效限定值标准,功率因数与YB2系列相当,冷却方式为:ICA16和ICAll,功率等级,安装尺寸,产品性能完全符合国际电工委员会(mc)标准的规定,可以与YB及YB2系列互换,该系列电动机广泛应用于石油,化工,煤炭行业中,具有爆炸危险性气体或蒸气与空气形成爆炸危险性混合物的环境,用于驱动机械设备,因现在变频调速电机用变频器是1设计思路电机变频调速原理:电动机的同步转速儿与电源频率厂成正比例变化(n=60f/p,P为极对数),因此,通过改变定子供电频率f来改变电动机的转速n的调速称为变频调速.它具有效率高,调速范围宽,精度高,调速平滑及易实现自动控制等优点,是异步电动机比较理想的调速方法.2.1变频器做供电电源时.对电机各种性能的影响(1)谐波电压和谐波电流对电机效率和温升的影响.变频器供电电压和电流含有丰富的谐波.若用电压型SPWqVl变频器,仍有丰富的高次谐波,引起很大的转子谐波损耗,使效率下降.电压型变频器供电效率轻载时下降较多,满载时只下降2%,功率因数也降低,额外发热,般温升收稿日期20100915作者简介张新春,男,1980年生,毕业于湖南工程学院机械设计制造及其自动化专业,主要从事低压隔爆电机的设计工作.2YBBPN(H80355)隔爆型变频调速三相异步电动机开发设计电气防爆2011,3约增加l0%一12%.(2)低速运行时冷却问题.低速时低压电压补偿,会使铁心磁路饱和,以致温升过高.若自带风扇电机转速降低,冷却风量与转速的3次方成比例下降,也使温升增大.(3)冲击电压对绝缘的影响.变频器采用PWM控制,载波频率是几千赫兹到几万赫兹,使线圈上du/dt很高,相当于反复施加电压陡度很大的冲击电压,加速绝缘材料老化,所以需要加强电机匝间绝缘和对地绝缘,提高整体机械强度.(4)谐波转矩.谐波电流产生的谐波转矩,主要为脉动转矩,其平均值为零,但单方向幅值可能很大,当与结构件频率一致或相近时将产生共振,加大噪声.变频器供电时噪声约增大1015dB.(5)变频电机启动,制动性能良好,但是频繁启动,制动使电机的机械结构和绝缘结构疲劳并加速老化.(6)变频的轴电流问题.变频器供电时会有零点漂移,此外静电耦合,经电机轴承构成零序回路,由此产生流过轴承的轴电流,变频器含有大量高次谐波,零序阻抗很小,轴电流很大,不但破坏了轴承油膜,而且将在轴承表面产生电弧放电麻点,导致轴承温度升高甚至烧坏.2.2变频电动机设计特点(1)变频电动机要求在一定工作频率范围内调速运行(如5100Hz),所以设计时不能与传统异步电机一样仅考虑单一频率(如50Hz)下的额定特性,效率,功率因数,启动性能,最大转矩,温升以及单机价格,而变频电动机设计考虑的是整个系统的性能,主要指标是调速范围内的平均效率,功率因数,温升以及动态性能.(2)变频电动机启动时,采用降低频率,低速措施,可以把最大转矩调到启动点,获得很好的启动特性,无需对电机再进行启动性能设计,如转子电阻,漏抗可设计得较小,着力提高效率和功率因数.(3)变频器供电时谐波影响很大,等效气隙磁密比正弦供电时高10%左右;高次谐波使转子有效电阻比直流电阻大几倍,转子漏抗减少到1/3,大大增加了转子谐波损耗;谐波一方面使电流有效值增大,另一方面使气隙最大磁密增大,磁路饱和,功率因数明显下降.(4)变频电动机采用变频装置供电,变频器的特性,如谐波含量,控制方式等对电机影响很大,需要对变频调速系统性能进行研究,进行一体化设计与整体优化.3设计情况3.1引用标准GB3836.1201O爆炸性环境第1部分:设备通用要求GB3836.2_2010爆炸性环境第2部分:由隔爆外壳d保护的设备GB/T4772.11999旋转电机尺寸和输出功率等级第1部分:机座号36400和凸缘号551080GB755-2008旋转电机定额和性能GB/T4942.12oo6旋转电机整体结构的防护等级(tP代码)分级GB10068-2008轴中心高为56ITlnl及以上电机的机械振动振动的测量,评定及限值GB/T10069.12o06旋转电机噪声测定方法及限值第1部分:旋转电机噪声测定方法JB/T7565-2004隔爆型三相异步电动机技术条件GB/T20161-2006变频器供电的笼形感应电动机应用导则3.2基本参数及主要技术性能(1)YBBP(H80355)系列共13个机座号,机座号与功率,极数对应关系见表1.与YB2系列相同,便于用户接受;安装尺寸也与YB2的相同,符合IEC标准与德国DIN42673标准,便于电机的替换;负载特性为35OHz为恒转矩负载,50100Hz为恒功率负载(基频为50z时,其中2极的电机变频范围为36oHz).(2)环境温度:随季节变化,最高不超过+40,最低为一15.(3)最湿月月平均最高相对湿度:9o%,同时该月月平均最低温度不高于+25.(4)海拔高度:不超过1000m.(5)工作制:s1.(6)绝缘等级:F级,温升70K(在基频时做温电气防爆2011,3YBBP系列(H80355)隔爆型变频调速三相异步电动机开发设计3升试验).(7)冷却方式:H80一H132为IC411,H160H280为IC411和IC416(主要运行区在低频时建议用户选用IC416),H315H355为IC416.(8)防护等级:IP55.(9)额定电压:380V,660V,380/660V,660/1140V(适用H315一H355).表1机座号与功率,极数对应关系同步转速r/rain机座号3I)()【)l5O0100075O6()f)500429375标称功率kW801n75O.550.37o.188021.1O.750.55O.2590S1.51.1n750.3790L2.21.51.1O.551OOLl2.2O.753lI5100L231.1112M442.2l_5132S15.55.532.2132S27.5132M14,43132M25.5l洲lll4117.516M2155.5160Ll8.5l5l17.5180M2218.5l80L22151l2(XL13018.530l52()()I23722225S3718.5225M4545302218.5250M55553730l8.5(22)28()S75754537302218.5280M90905545373022315S0lJ0755545373022315M13213290755545373031511l6olf;0l】()90755545373l5Ll85l853l5I22o02001321lO90(75)5545355S1(185)185)160132(90)757555355S2(200):200)355M1(220)(220)(185)ll0909075160355hi2250250(200)132l1Ol1090355Ll(280)(280)(220)(185)160132l32l1O355I_23l5315250(200)(185)l60(1O)额定频率50,调频范围:2极为36o,4极及以上为3100Hz.350Hz为恒转矩,50Hz以上为恒功率.冷却方式为IC411时调频范围为36o.(11)防爆等级为dI,dIIBT4,d1ICT4.3.3电磁设计(1)电动机的电磁设计采用先进的低谐波绕组理论,可以有效的降低电机频率变化中的谐波损耗,达到提高电机效率,降低电机温升,电机噪声的目的.(2)在电磁设计时注意适当降低电机的热负荷和磁负荷,确保带上变频器后电机安全运行,不超过防爆规程所要求的外壳温度,在线负荷A与磁负荷B分配时,注意选择较大的A,以降低电源对电机谐波损耗.(3)定子冲片设计时要考虑抑制高次谐波,增加定子电抗,可以将槽形设计成深而窄,采用磁性槽契,增加串联匝数,转子槽形设计时变频电动机尽量减小转子电阻,以减少转子铜耗,提高效率,而毋需考虑增加转子电阻来限制起动电流和增大起动转矩.槽形宜浅不宜深以增大(成反比)最大转矩,采用半闭口槽抑制高次谐波.(4)槽数选择,多槽和短距绕组,以减少时间谐波对电机的影响.(5)气隙的选择,考虑变频运行时转矩冲击与脉振较大,为避免铁心撞碰和抑制谐波磁场,气隙略大于普通电机.3.4结构设计(1)主体结构YBBP系列电机结构设计时,首先要总结YB2电机生产经验,为降低成本和提高生产效率,原则上全系列电机均采用铸铁机座结构,铸件模型与YB2系列通用.机座号132及以下仅设计冷却方式为IC411的自扇冷系列,机座号160及以上需设计冷却方式为IC411的自扇冷系列和冷却方式为IC416的强迫通风系列,YBBP系列电动机主体防护等级为:IP55.在结构设计时强化定子,转子及外壳的刚性,着重考虑采用提高转子动平衡精度及降低电机振动和噪声的方案,减小振动振幅,提高其固有频率,以避免变频过程中易出现的共振及电磁噪声增加的现象,使电机在5100Hz频率范围内运行时,都能达到较理想的状态,H3151-1355必须带有轴承测温装置,预防轴电流问题引起轴承损坏抱轴.具体结构见图1所示.(2)绝缘结构绝缘体系采用能经受高次谐波较大陡度电压4YBBP系列(H8O355)隔爆型变频调速三相异步电动机开发设计电气防爆2011,3反复冲击的新型IGBT绝缘系统,以增强绕组端部相间绝缘和层间绝缘强度.电磁线采用合格的变频专用电磁线,能有效提高电机的匝间绝缘能力,有效满足变频电源条件下对电动机绝缘结构的严酷冲击,并且在电机定子线圈下接线过程中精细化操作,减少手工操作对线圈绝缘的损伤.绕组端部进行包尖子,首末匝线圈套玻璃漆管,首匝线圈槽中垫中垫,增加首匝线圈的耐冲击能力,采用两次真空压力浸漆工艺,大功率电机浸漆工艺之后在绕组端部刷漆工艺,使绕组端部成为一个整体,增强因谐波产生的电磁力对电机绕组结构强度的影响.图1电动机结构示意图(ICA16)(3)热保护结构隔爆型变频电机在不同频率下运行时,为了使电机绕组温度可实现有效控制,电机表面不超过防爆规程要求,全系列电机均设置了定子绕组温控测温元件.机座号280及以下设置有PTE热敏电阻,机座号315及以上设置有PT100测温元件,用户使用时需选配适当的隔爆型温控监测仪器,以保证电动机在运行中的外壳表面温度不超过爆炸性混合物温度组别的规定.(4)接线盒接线盒是防爆电机的重要防爆部件,要保证安全可靠,使用维修方便.接线盒座与盒盖采用止口配合,以达到IP55要求.为了有效降低电源引接线中的变频电源高频电压,一般变频电机需用变频专用引接线接入接线盒内,比普通的引接线大.全系列电机都采用大空腔接线盒.对机座号280及以下的接线盒,在主接线盒内设有PTC接线端子,并在盒座上设有PTE温控元件专用出线口;对机座号315及以上设置有定子轴承PT100测温专用测温接线盒,并申请实用新型专利.(5)轴承结构轴贯通部分结构首先在符合防爆规程情况下满足IP55防护要求,能降低噪声且加工装配工艺波形垫圈图H63132风扇端结构图性好,并采用低噪声低振动轴承,以降低谐波对电机振动和噪声的影响.考虑产品继承性,轴承规格与YB2系列一致.变频电机轴电流随功率增加而加大,从而引起轴承润滑脂老化,破坏油膜的稳定,损害轴承.H315H355电机在端盖加装了轴承测温装置,以防止轴承抱轴引起电机损坏,还可根据用户的要求,在非轴伸端使用绝缘轴承,以避免产生轴电流,机座号160及以上产品,考虑注排油装置.(6)冷却与通风风罩采用钢板拉伸圆锥形结构,能满足防爆规程对风罩要求的冲击试验,H280及以下采用塑料风扇,H315H355采用钢板焊接风扇,并通过优化设计风扇与风扇罩,降低电机机械噪声,以平衡电源谐波引起电磁噪声增大的问题.4对用户选用变频器与变频电机的建议,(1)电动机要与合适的变频器配合使用,变频器为电流型或电压型,建议选用和电机相同防爆级别的防爆变频器,如果选用非防爆变频器,则需将变频器安装在非危险场所.如果变频器与电机之间的电源线长度超过10m,则建议在变频器的电气防爆2011,3YBBP系列(H80355)隔爆型变频调速三相异步电动机开发设计5输出端增加滤波器,以减少变频电源中的谐波含量.如果在调频过程中,在某一频率段出现电机振动明显加大的情况,可通过变频器的设置,跳过这一频率段.变频器的谐波含量小于5%,电动机端子处允许脉冲电压幅值不大于额定电压的2.2倍,电动机端子处电压上升时间大于400I1s.(2)对于冷却方式为WAll的电动机调频范围为360,主要适用于平方律负载(也称为平方减转矩负载);对于冷却方式为IC416的电动机350适用于恒转矩负载;50Hz及以上适用于恒功率负载,负载机械特性见图5一图7.T(P(图7平方律负载机械特性(3)定子绕组设有定子绕组测温元件,用户需设置温度保护装置,机座号280及以下电机,在定子绕组温度达到140时切断变频电源;机座号315及以上冷却方式为IC416的强制冷却电机,在定子绕组温度达到14