大型變速驅動(dòng)電機帶來(lái)重大解決方案
用于高功率變速驅動(dòng)電機的驅動(dòng)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(shù)會(huì )受到我們所熟知的一些缺陷的困擾，如轉矩脈動(dòng)、較差的“功率因數”、較高的損失以及諧波污染。由于LCI技術(shù)產(chǎn)生轉矩脈動(dòng)，通常需要使用諧波濾波器。
這些與基于LCI技術(shù)的變速驅動(dòng)相關(guān)的不利因素將不能充分滿(mǎn)足關(guān)鍵大型泵應用對于性能日益增長(cháng)的需求。由于晶閘管橋大量的功率消耗，LCI轉換器無(wú)法為感應電動(dòng)機提供合適的動(dòng)力。不過(guò)，電壓(源)型逆變器(VSI)技術(shù)就更適合大型泵。VSI可為感應電機和同步電機提供動(dòng)力。采用VSI系統所產(chǎn)生的諧波成份極低(無(wú)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?xún)r(jià)比。對于大型泵來(lái)說(shuō)，VSI方案是首選。
泵用變速驅動(dòng)系統
大型泵驅動(dòng)建議采用VSI換流器技術(shù)，它可實(shí)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(lián)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(guò)系列連接的晶體管器件實(shí)現。PWM(脈寬調制法)-VSI技術(shù)可采用2個(gè)或4個(gè)變相器。為電機配置若干數量(2個(gè)、4個(gè)或更多)三相變相單元將使定子的線(xiàn)圈相應被分割成獨立的三相組合，每一組都將配有一個(gè)變相器。
以此為目的的定子設計通常又稱(chēng)作“分相”，顧名思義就是把線(xiàn)圈分割成多個(gè)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(chǎn)生的諧波場(chǎng)整體較低。
一項基于VSI技術(shù)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(zhù)優(yōu)勢在于：
1.峰值間的轉矩波紋一般低于1-2%。
2.較低的振動(dòng)。
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(guān)鍵的作用。瞬時(shí)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(huì )應用到各種冷卻水泵。在實(shí)際運行中這些泵的常規工作點(diǎn)應盡可能靠近泵的“最佳能效點(diǎn)(BEP)”。額定流量最好是BEP狀態(tài)下流量的20%。冷卻水泵的性能曲線(xiàn)對于正常的運行十分關(guān)鍵。冷卻水泵的性能曲線(xiàn)壓頭從額定流量到關(guān)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(lái)說(shuō)，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(chēng)的機械結構以及低熱力敏感度的設計。微小的非對稱(chēng)結構可能導致不可接受的動(dòng)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(dòng)力平衡，無(wú)需進(jìn)行現場(chǎng)平衡。當初始臨界轉速一過(guò)，局部轉動(dòng)中心由幾何質(zhì)心變?yōu)榫植抠|(zhì)心，這意味著(zhù)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(lái)平衡每個(gè)獨立的模態(tài)。至少需要n+2個(gè)修正面來(lái)進(jìn)行平衡(n=需要平衡的模態(tài)的數量)。
電機的測試
為了減少驅動(dòng)系統性能異常的風(fēng)險，對整套驅動(dòng)系統的滿(mǎn)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(jìn)行單獨的測試。
2.“背對背”測試來(lái)檢驗電機和VSD的性能。
3.對整套泵組的“聯(lián)動(dòng)“測試。
開(kāi)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(kāi)路的曲線(xiàn)(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(fēng)機(內部冷卻)產(chǎn)生的較強的冷卻空氣流也會(huì )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。
當提供的是至少兩臺相似的VSD和電機系統時(shí)，可進(jìn)行VSD與電機的“背對背”測試 (一臺以電機形式，另一臺以發(fā)電機形式運轉)。理論上可以提供損失和無(wú)功功率的需求。軸承的問(wèn)題、過(guò)多的震動(dòng)以及油路系統的狀況是導致大型電機出現性能故障的主要根源。“背對背”測試可以獲得以下方面的測試結果：
1.電機熱性能的評估：需通過(guò)發(fā)熱測試來(lái)評估電機在不同運行和緊急工況下全負荷運轉的熱力表現。
2.電機振動(dòng)性能的評估
3.轉矩波紋的測量：
需監測在額定和極端工況下的轉矩波紋，應至少采用兩種方法：
A. 在電機末端的電子測量。
B. 直接機械測量(比如，將應變儀裝載電機軸上，使用扭矩傳感儀、軸角編碼器、激光測量等方法和儀表)。
由電子測量估算的扭矩波紋一般比直接機械手段測量的結果高，其原因是電子測量包含了部分高階頻率成份(而機械手段在傳輸過(guò)程中削減了這一部分)。
4.電機扭矩過(guò)載能力評估： 用來(lái)判斷泵組啟動(dòng)時(shí)的扭矩是否可以達到常規扭矩的120-150%，并且持續時(shí)間在30-100秒之間。
5.電機電壓和電流波形。
案例分析
在一個(gè)大型電機(用于驅動(dòng)泵)的測試案例中，從電機上發(fā)現了可疑的噪音和煙霧。在跳機后，最初的現象如下：
·電機軸下移了1.6毫米
·軸承表面最高溫度超過(guò)了150°C
·軸套損壞
其根源是由于主油泵故障導致的潤滑油供給不足(備用油泵無(wú)法啟動(dòng)也是故障之一)。
