异步电动
通俗来讲就是:电动机通电以后,就产生一个旋转磁场,这个旋转磁场切割转了的导线,产生力,电动机就转起来.但转子的速度总比旋转磁场的要慢一些,也就是不同步,所以就叫异步电动机. ' q7 {( e+ d) J
1． 三相交流异步电动机的工作原理是什么?
是由电磁力产生电力矩.2由于导体产生的电磁力矩方向与磁极旋转的方向相同,所以转子就跟随磁极旋转,这就是异步电动机的工作原理. 3 R; I5 N7 P. J a
2． 三相交流异步电动机的调速方式有那些? x6 v9 \: \) N4 _
改变电源频率.2.改变电动机的磁极对数.3. 改变电动机的转差率.
同步电机就是靠励磁电流运行的,如果没有励磁,电机就是异步的.励磁是加在转子上的直流系统,它的旋转速度和极性与定子是一致的,如果励磁出现问题,电动机就会失步,调整不过来,触发保护“励磁故障”电动机跳闸 $ H3 |- {# X9 \ M! {
说的白一点,励磁电流就是同步电机转子中流过的电流(有了这个电流,使转子相当于一个电磁铁,有N极和S极),在正常运行时,这个电流是由外部加在转子上的直流电压产生的.以前这个直流电压是由直流电动机供给,现在大多是由可控硅整流后供给.我们通常把可控硅整流系统称为励磁装置. , ~& z8 L+ ^. y. t( n+ F. [
1、防爆电机一般应用在易燃易爆的场合. M" y0 ^0 b' g6 F ?/ ~
2、防爆电机接线盒的密封较普通电机要好. , j) k" u( Y/ X7 p: W
3、防爆电机防护等级为IP55,而普通电机有IPIP23、IP44、IP54、IP55、IP56不等,故而从外形可以分辨出.
下面详细介绍防爆电机:
防爆电机是一种可以在易燃易爆厂所使用的一种电机,运行时不产生电火花.
防爆电机主要用于煤矿、石油天然气、石油化工和化学工业.此外,在纺织、冶金、城市煤气、交通、粮油加工、造纸、医药等部门也被广泛应用.防爆电机作为主要的动力设备,通常用于驱动泵、风机、压缩机和其他传动机械.
随着科技、生产的发展,存在爆炸危险的场所也在不断增加.例如,食用油生产过去是用传统的压榨法工艺,20世纪70年代以后,我国开始引进国外先进的浸出油工艺,但此工艺中要使用含有己烷的化学溶剂,己烷是易燃易爆物质;因此浸出油车间就成了爆炸危险场所,需要使用防爆电机和其他防爆电气产品.又如,近年来我国公路发展迅速,一大批燃油加油站出现,也给防爆电机提供了新的市场.
产品分类
1． 按电机原理分 ' T6 M1 j+ E$ B
可分为防爆异步电机、防爆同步电机及防爆直流电机等.
2． 按使用场所分 : a3 a. ^( Q5 u: e K) U! ^
可分为煤矿井下用防爆电机及工厂用防爆电机.
3． 按防爆原理分
可分为隔爆型电机、增安型电机、正压型电机、无火花型电机及粉尘防爆电机等.
4． 按配套的主机分
可分为煤矿运输机用防爆电机、煤矿绞车用防爆电机、装岩机用防爆电机、煤矿局部扇风机用防爆电机、阀门用防爆电机、风机用防爆电机、船用防爆电机、起重冶金用防爆电机及加氢装置配套用增安型无刷励磁同步电机等.此外,还可以按额定电压、效率等技术指标来分,如高压防爆电机、高效防爆电机、高转差率防爆电机及高起动转矩防爆电机等.本文按防爆原理分类介绍.
产品系列及其特点 5 F5 a& G [% w2 j* ], r5 F/ @5 S# {3 ?
1． 隔熄型电机 8 |! d5 H7 `! H: O+ f) X
它采用隔爆外壳把可能产生火花、电弧和危险温度的电气部分与周围的爆炸性气体混合物隔开.但是,这种外壳并非是密封的,周围的爆炸性气体混合物可以通过外壳的各部分接合面间隙进入电机内部.当与外壳内的火花、电弧、危险高温等引燃源接触时就可能发生爆炸,这时电机的隔爆外壳不仅不会损坏或变形,而且爆炸火焰或炽热气体通过接合面间隙传出时,也不能引燃周围的爆炸性气体混合物.
我国当前广泛应用的低压隔爆型电机产品的基本系列是YB系列隔爆型三相异步电机,它是Y系列(IP44)三相异步电机的派生产品.防爆性能符合GB3836．1—83《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》和GB3836．2—83《爆炸性环境用防爆电气设备隔爆型电气设备“d”,》的规定;电机功率范围为O．55—200kW,相对应的机座号范围是机座中心高为80—315nun;防爆标志为dI、dIIAT4、dIIBT4,分别适用于煤矿井下固定式设备或工厂IIA、IIB级,温度组别为T1—T4组的可燃性气体或蒸气与空气形成的爆炸性混合物的场所;主体外壳防护等级为IP44,也可制成IP%4,接线盒防护等级为IP54;额定频率为50Hz,额定电压为380、1660、1140、380/660、660/140V;电机绝缘等级为F级,但按B级考核定子绕组的温升,具有较大的温升裕度.低压隔爆型三相异步电机派生系列的主要型号有:YB系列(dIIcT4)(机座中心高为80—315mm),YBSO系列(小功率,机座中心高为63—90mm),YBF系列(风机用,机座中心高为63—160mm),YB—H系列(船用,机座中心高为80~280mm),YB系列(中型,机座中心高为355—450mm),YBK系列(煤矿用,机座中心高为100—315mm),YB—W、B—TH、YB—WTH系列(机座中心高为80—315mm),YBDF—WF系列(户外防腐隔爆型电动阀门用,机座中心高为80—315mm)及YBDC系列(隔爆型电容起动单相异步电机,机座中心高为71—100mm)和YBZS系列起重用隔爆型双速三相异步电机.另外,还有YB系列高压隔爆型三相异步电机(机座中心高为355~450mm,560—710mm).行业联合设计的YB2系列已于1四年底通过了全国鉴定,将逐步取代YB系列,成为我国隔爆型三相异步电机的基本系列.YB2系列共15个机座号(机座中心高为63、355nmm),功率范围为O．12—315kW. 其主要特点是: O/ L; F, E; d. g$ F1 u4 L
(1) 功率等级、安装尺寸及转速的对应关系与DIN42673一致,同时考虑到与YB系列的继承性和Y2系列的互换性,作了必要调整,更加有效和适用.
(2) 全系列采用F级绝缘,温升按B级考核. 5 b* ~& |) j& n0 b4 x$ `8 d
(3) 噪声限值比YB系列低,接近YB系列的I级噪声,振动限值与YB系列相当. : n# B. ~2 |" t) ^* q
(4) 外壳防护等级提高到IP55.
(5) 全系列选用低噪声深沟球轴承,机座中心高在180mm以上电机设注排油装置. . j5 ?2 r8 f" K, K+ B' w4 x" n
(6) 电机散热片有平行水平分布和辐射分布两种,以平行水平分布为主.
(7) 主要性能指标达到20世纪90年代初国际先进水平. , A8 S# i1 h" T* \% `6 j
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2.增安型电机它是在正常运行条件下不会产生电弧、火花或危险高温的电机结构上,再采取一些机械、电气和热的保护措施,使之进一步避免在正常或认可的过载条件下出现电弧、火花或高温的危险,从而确保其防爆安全性.
我国当前应用的低压增安型的基本系列是YA系列增安型三相异步电动机,它是Y系列(IP44)三相异步电机的派生产品.防爆性能符合GB3836．1—83《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》和GB3836．3—83《爆炸性环境用防爆电气设备增安型电气设备“e”》的规定;功率范围为O．55~90kW,相对应的机座中心高为80—280mm;防爆标志为eIITl、eIIT2、eIIT3,分别适用于工厂中具有温度组别为Tl—T3组爆炸性混合物并具有轻微腐蚀介质的场所;主体外壳的防护等级为IP54,接线盒防护等级为IP55;额定频率为50Hz,额定电压为380V;电机采用F级绝缘.
低压增安型电机派生系列的主要型号有:YASO系列小功率增安型三相异步电机(机座中心高为56—90mm),YA—W、YA—WFl系列户外、户内防腐增安型三相异步电机(机座中心高为80—280mm).
目前,已完成YA2、系列的行业联合设计工作,并正在组织试制,以取代YA系列.YA2全系列共15个机座号(机座中心高为63—355mm),功率范围为0．12—400kW,将使我国增安型电机达到国际上同类产品20世纪80年代先进水平.
高压(6kV)增安型三相异步电机系列有:YA355—450,功率160—450kW;YA560—900,功率500—1800kW;YAm355—630水冷,功率220—2500kw;YAKK355~630空—空冷,功率185—2000kW.1999年试制生产的TAKW4000—20/2600、4000kW增安型无刷励磁同步电机,是适应炼油厂石油深加工加氢装置需要而发展的新型防爆电机. ! U1 N2 t x' ~7 ]( @9 U
其特点是: ( R; H+ p x# {
(1)满足增安型防爆电机的要求,采取一系列可靠的防止火花、电弧和危险高温的措施,可以安全运行于2区爆炸危险场所.
(2)采用无刷励磁,设置旋转整流盘和静态励磁柜,励磁控制系统可靠;顺极性转差投励准确,无冲击;励磁系统失步保护可靠,再整步能力强;线路设计合理,放电电阻在工作中不发热;励磁电流调节范围宽.
(3)同步机、交流励磁机及旋转整流盘同轴.整流盘位于主电机和励磁机之间,或置于轴承座之外.
(4)外壳防护等级为IP54.
(5)采用F级绝缘,温升按B级考核. " q6 i: I" L; Y- V4 B4 J
(6)改变传统的下水冷为上水冷,即水冷却器置于电机上部.
(7)设增安型防潮加热器,固定在电机底部的罩内,用于停机时加热防潮用. 0 L; m4 y' A3 G- N7 }2 Y+ X
(8) 选优质原材料,电气及机械计算留有较大裕度,能满足运行可靠性和增安型电机的温度要求. 3 A& w3 z5 X0 }3 c7 W
(9)设置有完善的监控措施;主接线盒内设置用于差动保护的增安型自平衡电流互感器;定子绕组埋设工作和备用的铂热电阻,分度号为Pt100;设漏水监控仪,监控水冷却器的泄漏;两端座式滑动轴承分别设现场温度显示仪表和远传信号端子.
3.正压型电机是正压型电气设备的一种. ! k( _5 A, n+ D6 T
其结构特点是: 4 z1 G' h: J( O$ Q+ E1 m- p( U
(1) 配置有一套完整的通风系统,电机内部不存在可能影响通风的结构死角.
(2) 外壳和管道由不燃材料制成,并具有足够的机械强度. % f5 P: G2 w! ~
(3) 外壳及主管道内相对于外界大气保持足够大的正压.
(4) 电机须有安全保护装置(如时间继电器和流量监测器),以保证足够的换气量,还必须有壳内气压欠压的自动保护或报警装置.
(5) 外壳上的快开门或盖须有与电源联锁的装置.我国目前尚无统一的正压型电机系列产品. " d( E; i1 @0 r1 M+ h2 V7 ?& n
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5．无火花型电机:是指在正常运行条件下,不会点燃周围爆炸性混合物,且一般又不会发生点燃故障的电机.与增安型电机相比,除对绝缘介电强度试验电压、绕组温升、te(在环境温度下达到额定运行最终温度后的交流绕组,从开始通过起动电流时计起至上升到极限温度的时间)以及起动电流比不像增安型那样有特殊规定外,其他方面与增安型电机的设计要求一样. ! n" j( K* n4 p
无火花型电机符合GB3836．1—83和GB3836．8—87《爆炸性环境用防爆电气设备无火花型电气设备“n”》的规定.设计上注重电机的密封措施,主体外壳防护等级为IP54、IP55,接线盒为IP55.额定电压在660V以上的电机,其空间加热器或其他辅助装置的连接件应置于单独的接线盒内. 2 |) f9 Q1 K) _2 e# D4 w5 P6 c
目前,国内已研制、生产了YW系列无火花型电机产品(机座中心高度为80~315mm).防爆标志为nIIT3,适用于工厂含有温度组别为T1—T3组的可燃性气体或蒸气与空气形成的爆炸性混合物的2区场所.额定频率为50Hz,额定电压为380、660、380/660V,电机采用F绝缘,但按B级考核定子绕组的温升限值,具有较大的温升裕度及较高的安全可靠性,功率为0．55~200kW.6．粉尘防爆电机:指其外壳按规定条件设计制造,能阻止粉尘进入电机外壳内或虽不能完全阻止粉尘进入,但其进入量不妨碍电机安全运行,且内部粉尘的堆积不易产生点燃危险,使用时也不会引起周围爆炸性粉尘混合物爆炸的电机.其特点是: / q* V8 e b" B7 G
(1) 外壳具有较高的密封性,以减少或阻止粉尘进入外壳内,即使进入,其进入量也不致于形成点燃危险.
(2) 控制外壳表面允许温度不超过规定的温度组别.目前,已用于国家粮食储备库的机械化设备上.粉尘防爆电气设备的国家标准为 GBl2476．1—90《爆炸性粉尘环境用防爆电气设备》. 2 F! ^* y; O6 Q: j' w
发展趋势 . Y" Y8 Y, V, }+ v
1． 矿用防爆电机 5 S1 S3 v1 O, d! ^8 N" }' l8 z2 o
(1) 发展大功率电机:目前世界上采煤机的装机容量已超过1200kw,其驱动电机功率达600kW;相适应的采区工作面刮板输送机的装机容量已超过1500kW,其驱动电机功率已达725kW.国内目前的采煤机驱动电机功率是400kW,刮板输送机驱动电机功率是315kW.
(2) 发展3．3kV、6kV和IOkV级电压的矿用电机:这是因为普及综合机械化采煤机组后采区走向加长,导致电压降增大,同时大功率电机的使用也要求提高电压等级.
(3) 发展矿用双速电机:为了适应煤矿输送机低速起动和高速运行的工作需要,国外矿用刮板输送机都是采用双速电机驱动的.但目前国产矿用双速电机的功率范围、性能指标及配套控制开关的性能等与国外先进水平相比均有一定差距. / W2 P: o0 o1 a- W) `
(4) 提高矿用电机的可靠性:矿用防爆电机的工况条件较差,电机频繁大负荷起动、负荷变化大、电压波动大、环境温度高且有一定的腐蚀性等,这些都影响电机的使用可靠性和寿命. 6 X/ i t" B5 h) {4 Y
(5) 加快矿用防爆电机的更新换代.
(6) 统一矿用防爆电机的标准.
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2． 石化系统用防爆电机
(1) 增安型和无火花型电机的需求将呈上升趋势.石化系统的用户在使用实践中;已认识到发展我国增安型和无火花型电机的必要性.此外,大量20世纪70年代弓[进装置中配套的增安型、无火花型电机目前已到了采用合适的国产品替代的时候.
(2) 防爆电机的可靠性已越来越被石化系统用户关注.石化企业发展日趋装置大型化、运行连续化,要求系统运行实现长周期、免维修或少维修.因此,防爆电机就成为保证上述要求的关键设备. 4 t/ A- l+ P4 v5 Y0 m
(3) 防爆和高效变频调速电机已成为石化用户迫切要求开发的节能产品.近年已系列生产了YBx、YAX防爆高效电机,投入市场后很受用户欢迎.防爆电机节能有两方面工作:一是研制高效率防爆电机产品,二是大量开发各种防爆调速电机的专用产品,尤其是将具有巨大节能潜力的风机、泵和压缩机配套的电机设计为调速电机.
(4) 沿海石化企业的发展带来的新要求.我国沿海一带将建一批炼油厂,原油均需进口,而进口原油含硫量高、腐蚀性严重,因而要求防爆电机提高防腐性能;另外进口原油均需海运,其储油罐就需要配套高扬程大流量油泵的防爆电机. ' r" v5 C& Q, r+ r. s
(5) 我国西部石油工业的大发展,要求开发适于沙漠干热环境的防爆电机产品.加氢装置配套用的中大容量的增安型无刷励磁同步电机的市场需要将逐年增长. ) A: q' K& R0 f9 X7 e9 [5 P
一、普通异步电动机都是按恒频恒压设计的,不可能完全适应变频调速的要求.以下为变频器对电机的影响
1、电动机的效率和温升的问题 4 Y2 O; V. l1 X% @* \
不论那种形式的变频器,在运行中均产生不同程度的谐波电压和电流,使电动机在非正弦电压、电流下运行.拒资料介绍,以目前普遍使用的正弦波PWM型变频器为例,其低次谐波基本为零,剩下的比载波频率大一倍左右的高次谐波分量为:2u+1(u为调制比).
高次谐波会引起电动机定子铜耗、转子铜(铝)耗、铁耗及附加损耗的增加,最为显著的是转子铜(铝)耗.因为异步电动机是以接近于基波频率所对应的同步转速旋转的,因此,高次谐波电压以较大的转差切割转子导条后,便会产生很大的转子损耗.除此之外,还需考虑因集肤效应所产生的附加铜耗.这些损耗都会使电动机额外发热,效率降低,输出功率减小,如将普通三相异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下,其温升一般要增加10%--20%. : C) |, R# ~( \: P
2、电动机绝缘强度问题
目前中小型变频器,不少是采用PWM的控制方式.他的载波频率约为几千到十几千赫,这就使得电动机定子绕组要承受很高的电压上升率,相当于对电动机施加陡度很大的冲击电压,使电动机的匝间绝缘承受较为严酷的考验.另外,由PWM变频器产生的矩形斩波冲击电压叠加在电动机运行电压上,会对电动机对地绝缘构成威胁,对地绝缘在高压的反复冲击下会加速老化. / c2 [9 F% M1 M2 k$ I. f0 u% ^7 E
3、谐波电磁噪声与震动 8 m$ b" E) L4 i5 S( M, I
普通异步电动机采用变频器供电时,会使由电磁、机械、通风等因素所引起的震动和噪声变的更加复杂.变频电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉,形成各种电磁激振力.当电磁力波的频率和电动机机体的固有振动频率一致或接近时,将产生共振现象,从而加大噪声.由于电动机工作频率范围宽,转速变化范围大,各种电磁力波的频率很难避开电动机的各构件的固有震动频率. 、电动机对频繁启动、制动的适应能力 " `2 A" N( z, b5 P$ |$ @+ n* ^
由于采用变频器供电后,电动机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式启动,并可利用变频器所供的各种制动方式进行快速制动,为实现频繁启动和制动创造了条件,因而电动机的机械系统和电磁系统处于循环交变力的作用下,给机械结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化问题. 8 q( Z9 u# ]" I Q- C9 x( m0 ~5 L
5、低转速时的冷却问题 " s& c& l' o: k
首先,异步电动机的阻抗不尽理想,当电源频率较底时,电源中高次谐波所引起的损耗较大.其次,普通异步电动机再转速降低时,冷却风量与转速的三次方成比例减小,致使电动机的低速冷却状况变坏,温升急剧增加,难以实现恒转矩输出. / O4 m. ?0 y- y9 G* {0 y0 L
二、变频电动机的特点 0 D, a+ `6 R# G- r* _: W
1、电磁设计 ! M" Z6 L( B* ?7 k1 b, D
对普通异步电动机来说,再设计时主要考虑的性能参数是过载能力、启动性能、效率和功率因数.而变频电动机,由于临界转差率反比于电源频率,可以在临界转差率接近1时直接启动,因此,过载能力和启动性能不在需要过多考虑,而要解决的关键问题是如何改善电动机对非正弦波电源的适应能力.方式一般如下:
1) 尽可能的减小定子和转子电阻.
减小定子电阻即可降低基波铜耗,以弥补高次谐波引起的铜耗增
2)为抑制电流中的高次谐波,需适当增加电动机的电感.但转子槽漏抗较大其集肤效应也大,高次谐波铜耗也增大.因此,电动机漏抗的大小要兼顾到整个调速范围内阻抗匹配的合理性. * q9 K/ w4 ~ Z. w# N' Q
3)变频电动机的主磁路一般设计成不饱和状态,一是考虑高次谐波会加深磁路饱和,二是考虑在低频时,为了提高输出转矩而适当提高变频器的输出电压.
2、结构设计 / z C& z1 ^+ J1 R5 E
再结构设计时,主要也是考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪声冷却方式等方面的影响,一般注意以下问题: 1 Z8 _! N* @6 f+ \! G
1)绝缘等级,一般为F级或更高,加强对地绝缘和线匝绝缘强度,特别要考虑绝缘耐冲击电压的能力.
2)对电机的振动、噪声问题,要充分考虑电动机构件及整体的刚性,尽力提高其固有频率,以避开与各次力波产生共振现象. 4 l/ ^# Y$ }& R- c- b
3)冷却方式:一般采用强迫通风冷却,即主电机散热风扇采用独立的电机驱动. ! l: O D3 U: x
4)防止轴电流措施,对容量超过160KW电动机应采用轴承绝缘措施.主要是易产生磁路不对称,也会产生轴电流,当其他高频分量所产生的电流结合一起作用时,轴电流将大为增加,从而导致轴承损坏,所以一般要采取绝缘措施. ' w. O8 N f& ~$ W$ m4 ?
5)对恒功率变频电动机,当转速超过3000/min时,应采用耐高温的特殊润滑脂,以补偿轴承的温度升高.
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同步电动机: 9 H( {4 e& X, A
一、 特点:
1、 功率因数超前,一般额定功率因数为0.9,有利于改善电网的功率因数,增加电网容量.
2、 运行稳定性高,当电网电压突然下降到额定值的80%时,其励磁系统一般能自动调节实行强行励磁,保证电动机的运行稳定. 7 k5 s5 q6 u4 r. }( L
3、 过载能力比相应的异步电动机大. ! n5 I2 w+ o- X8 K
4、 运行效率高,尤其是低速异步电动机. m) ?4 {4 q4 V6 {
二、 启动方式 6 E" n1 d% Y( {% ~: |4 _& |' n
1、 异步启动法,,同步电动机多数在转子上装有类似与异步电机笼式绕组的启动绕组.再励磁回路串接约为励磁绕组电阻值10倍的附加电阻来构成闭合电路,把同步电动机的定子直接接入电网,使之按异步电动机启动,当转速达到亚同步转速(95%)时,再切除附加电阻. $ G1 E; ~, r8 L' o9 o' a( u
2、 变频启动,用变频器启动,不在赘述.
三、 应用 . r6 f2 E4 a w) V" h+ q0 y
作过油田节电的师傅都知道,油田的抽油机电机,由于要求的启动转矩大,工程师设计时一般将电机设计的很大,这就出现“大马拉小车”现象,如:55KW的抽油机电机,再平衡块基本调好后,其实际有功一般在十几个KW,有时还小.我曾做过这样的改造,将抽油机55KW异步电动机改为22KW同步电机,后用变频器控制,当然也可以根据排液量或别的信号进行自动控制.节电率可达40%.
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因此,异步电动机,同步电动机,变频电动机三者各有特点,主要看您所控制的工况环境,当然还要根据工程成本,能用异步电机尽量用异步电动机.
变频电动机是一个电器系统,它是由变频控制器接收负载端实时的信号(压力、流量、负载力等),与变频控制器设定的值相比较,然后输出设定值所需要的交流电的频率,再由这个“可变频率”的交流电流(电能)提供给专用的变频用电动机或者普通的交流异步电动机.因为电源的频率可以“影响”交流异步电动机的转速,所以电动机就在调频控制器的控制下工作,使电动机输出的转速符合需要的值,这样也就使被测量端(负载端)保持在变频控制器所设定值的范围内.