基于轧钢用LCI变频调速三相同步电动机的设计与分析

雷向福，张 颗，周德富，王 艳，王 振，李素平

海上风力发电技术与检测国家重点实验室（湘潭电机股份有限公司），湖南 湘潭 411101

前言

当前钢铁行业中轧机向宽调速、大容量、高速方向发展[1-3]，轧机机组通常是几个机架集中传动，主传动电动机单机容量达到4000kW。由于大容量、高转速直流电动机制造难度大以及直流电机调速的固有缺陷，越来越多的轧机采用LCI交直交变频调速同步电动机驱动[4-5]。

LCI传动系统是Load Commutated Inverter for the Drive System of Synchronous Motor，称为负载换向式SCR(可控硅整流装置)电流型变频器，系统电源频率不是外部给的，而是与电动机转子旋转位置相关联的，即变频电源的频率和相位受同步电动机旋转位置的约束，称为自控式同步电动机传动系统，或者称自控变频调速系统。这种调速系统的结构形式类似于直流电机，转子磁极位置检测器和逆变器代替了直流电机的换向器和电刷的功能，这种系统曾被称为“无换向器电机”。

LCI变频器的输出频率一般不是独立调节，而是依靠转子位置监测器得到的转子位置信号按一定顺序周期性地触发逆变器中相应的晶闸管调节。这种“自控式”功能，保证变频器的输出频率和电机转速始终保持同步，不存在失步和振荡现象。某些专业技术书中将同步电动机和电机侧的变流器合起来称为无换向器电动机或无整流子电动机。它将直流电动机和交流异步电动机两种电机的优点结合在一起。例如有直流电动机的调速特性，但无换向器；又与交流异步电动机一样具有结构简单、不需要经常维护和检修的特点。

LCI无须强迫换相，其电路结构简单，功率单元的晶闸管元件数量较少，元件的耐压要求低，多应用在一些大容量的调速传动系统中，特别是在高电压、高转速的大功率传动中应用广泛。采用LCI变频调速同步电动机须有足够的漏电感，以限制晶闸管的di/dt，电机要能够承受变频器的谐波电流。本文介绍湘潭电机为某钢厂轧机驱动电机设计的基于LCI变频调速的三相同步电动机。

1 电动机主要参数及运行条件

电动机主要技术参数如下：

型号： TBPKS900-6

额定功率：4000kW

转速：482/1500r/min

额定电压：3150/3150V

额定电流：752/767A

相数： 三相

绕组连接：Y接

极数： 6极

频率： 24.1/75Hz

功率因数：1

效率（不含励磁损耗）：97.5/95.6 %

励磁电压：102/81V

励磁电流：397/331A

直轴超瞬变电抗 X′d：0.197 (24.1Hz)

交轴超瞬变电抗 X′q：0.185 (24.1Hz)

绝缘等级：F

冷却方式：IC8A6W7

电动机运行条件为：

环境温度：45℃

冷却水进水温度: ≤33℃

冷却水进水压力：0.2～0.4MPa

冷却水水质：工业净水

海拔高度：≤1000 m

相对湿度: ≤95%

安装位置：轧钢厂房内

2 电动机设计原则

2.1 设计特点

湘潭电机已经成功开发研制了 TBPKS1000-6 4800kW 700/1400r/min 3150V 6相（双Y移30°）轧钢用LCI同步电动机，在设计和制造方面积累了丰富经验，其工艺和结构为 TBPKS900-6 4000kW 482/1500r/min 3150V三相同步电动机的研制提供了很好的参考。该型电动机在设计上借鉴了以往轧钢电机成熟的结构及工艺制造方法，电机主要尺寸的确定采用类比设计方法，电机的总体结构设计考虑轧钢机以及LCI变频器对电机的要求，对电机关键部件进行刚度和强度的计算，以使电机适应实际工况的要求，确保该型电动机设计制造成功。

2.2 绝缘结构

绝缘结构关系到改善定子绕组造成的电场分布不均匀，可以降低电场不均匀系数，提高击穿电压，还能改善工艺制造过程中主绝缘内部存在的气隙、尖角和杂质等因素造成的电场集中和局部放电，能达到延长电机使用寿命的目的[6]。由于采用 LCI变频调速轧钢用同步电动机须耐受3000V/μs电压变化率，对电机的匝间绝缘和对地绝缘提出更高要求。带电抗器的电机绝缘需要耐受2～2.5倍电机额定电压，不带滤波器变频器的电机绝缘要求更高。额定电压为3150V的电动机需要按照6.3kV的额定电压来考核，对地绝缘厚度加防晕层和匝间绝缘需要特别加强，采用F级少胶粉云母VPI浸渍环氧酸酐无溶剂浸渍树脂的绝缘体系，满足匝间耐电晕能力的要求，通过采用环氧酸酐无溶剂浸漆，达到增加挂漆量，提升了电机整体绝缘水平。

2.3 防轴电流设计

交流传动系统由于采用变频供电方式导致三相输出电压矢量和不为零，导致中性点电压不为零，这个电压称为共模电压，共模电压与转子耦合，产生转轴对地的脉冲电压，峰值可达10～40V。转子轴电压一旦形成回路就会产生轴电流，产生的轴电流瞬间可达几百安甚至上千安培，极易把轴颈和轴瓦烧坏，造成轴承温升过快、烧毁和电机振动等[7-8]。

该型电机采用端盖滑动轴承，球面调心瓦，两端轴瓦与轴承箱可靠绝缘，传动端设有接地电刷，以防止轴电流损坏轴瓦。端盖滑动轴承的结构设计充分考虑了用户现场维护，检修方便。该轴承可承受来自负载轴向推力30kN，轴向串动量1mm。

2.4 阻尼绕组设计

轧钢机用调速用LCI同步电动机需要承受大幅变化的冲击载荷以及频繁的正反转，电动机在咬钢或抛钢时，突变的负载和速度、转矩和定子电流的变化造成功率角变化振荡，在阻尼绕组中产生感应电流，使转子产生驱动或阻碍性质的电磁转矩，使转速趋于同步速度，同步电动机快速进入稳定状态。在目前大型凸极同步电动机中阻尼绕组的结构有两种：一种是用铜端环把所有磁极的阻尼条直接短路连接起来称为全阻尼绕组结构；另一种是把每个磁极上的阻尼条两端分别焊接在两磁极压板上，然后在磁极鸽尾槽处用钢板把磁极与磁轭连接起来，称为半阻尼绕组结构。全阻尼绕组冲击电流范围、功角振荡范围明显小于半阻尼绕组，从增强系统稳定性，减少功率角振荡原则，该电动机选择全阻尼绕组。阻尼条为7根，直径16mm，节距35mm，阻尼绕组端环有足够面积，接触良好，牢固可靠，端环连接片采用多层薄铜带软连接，改善阻尼环受力提高过电流能力。

LCI自控同步电动机的阻尼绕组可以改善变流器的换流特性。阻尼绕组使换流的阻抗减少，加快了变流器的负载换流时间，并使电压波形的缺口减少，改善了电压波形。同时，阻尼绕组加强了电动机过载能力，使换流极限加大。超瞬变电抗x′d和x′q的大小直接影响同步电动机的换流特性，从加速换流过程的角度出发，超瞬变电抗小x′d和x′q越小越好，LCI的同步电动机超瞬变电抗x′d比常规电动机小得多，大约在0.18左右。

3 仿真结果分析

3.1 三相同步电动机模型的建立

Ansoft中的 RMxprt 电机模块是基于电机等效电路和磁路的设计理念来计算、仿真各种电机模型，具有建立模型简单快捷、参数调整方便等优点，同时具备一定的计算精度和可靠性。将 RMxprt 中计算完成的电机模型导入到二维瞬态场中，软件会自动加载几何模型并定义各部分材料，同时给出电机的边界条件、激励源和网格剖分等，基本上形成了从 RMxprt 到Maxwell2D的一键式操作。

为验证轧钢用 TBPKS900-6 4000kW 三相同步电动机电磁性能，用Ansoft软件对所设计的电机进行了电磁场有限元仿真。建立 TBPKS900-6 4000kW 482/1500r/min 3150V三相同步电动机分析二维有限元模型的具体过程如下：（1）把三相同步电动机的几何尺寸和基本参数输入RMxprt模块，软件对所输入项进行求解，自动生成二维有限元几何模型，如图1所示。（2）在求解结果analysis中右键生成 create Maxwell design，采用瞬态模块进行二维有限元分析。（3）为节省仿真计算时间，将电机求解周期设置为6。

3.2 三相同步电动机仿真结果分析

用Ansoft中的瞬态求解器对同步电动机模型进行求解可以得到发电机相电流、反电势、磁力线分布图、磁密分布云图等。

图2是空载励磁电流62A时磁力线分布图，空载时，同步电动机功率角接近零，磁力线以极身为对称分布。

图1 电机二维有限元模型

图2 空载时磁力线分布图

图3 是在负载79.25kN﹒m励磁电流390A时磁密分布云图，额定负载时，同步电动机功率角34°，磁密在极靴肩部有饱和。

图3 负载时磁密分布图

图4 是同步电动机由空载到负载至稳态运行时的电流曲线，额定负载时，同步电动机三相电流对称，三相电流有效值约790A。

图4 负载电流曲线

3.3 结论

由于轧钢用三相同步电动机采用LCI变频调速，同步电动机运行与控制方式密切相关，因此对同步电动机进行Ansoft有限元分析仅仅求解空载磁力线、负载磁密以及额定状态下电流曲线，通过对空载磁力线、负载磁密以及额定状态下电流曲线分析判定采用类比设计法可以达到客户要求的电气性能。

[1]金炫. 5000kW 交直交变频同步电动机设计特点[J]. 上海大中型电机，2000(3): 19-23.

[2]田德见. 5000kW 交交变频调速同步电动机设计[J]. 冶金自动化, 2000(5): 46-48.

[3]李伟. 轧钢生产线精轧电机阻尼环变形原因分析及改进措施[J]. 防爆电机，2012, 47(4): 36-38.

[4]魏庆. LCI驱动同步电机调速系统中转矩脉动的工程计算方法研究[J]. 电工电能新技术，2009,28(3): 18-22.

[5]张春莉. 六相电流型交直交变频同步电动机电枢磁势及转子表面附加损耗的分析. 大电机技术，2003(2): 31-34.

[6]万元. 大型发电机局部放电在线监测与分析方法研究[D]. 华中科技大学，学位论文，2009.

[7]郭程. 变频技术对交流电动机轴电流的影响与预防[J]. 大电机技术，2008(3): 23-25.

[8]肖芳. PWM电机驱动系统中共模电压和轴电压的抑制[J]. 电机与控制学报，2009, 13(3): 402-107.