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淺談中型變頻電機的繞組型式

論文關鍵詞:低壓;變頻電動機;繞組型式;成型繞組

  論文摘要:文章根據變頻電機電源的特點,分析了散下繞組、成型繞組和半成型繞組耐脈沖電壓沖擊功能、電氣性能、制造難度、生產成本及它們對中型低壓變頻電動機的實用性和可靠性的影響。
  中型(鐵芯外徑Ф500~Ф1000)、低壓(380V~1140V或1650V)一般電動機輸出功率都比較大。通常電源由交流電網供給,電壓穩定,波形基本為正弦波,諧波很少,除大氣過電壓或開關操作過電壓等事故狀態外,電動機正常運轉期間很少受電壓波動的沖擊。其定子繞組型式,以前JBR和一些大電流曾采用成型線圈,早年380V的JS、JS2采用半成型線圈,近年來多采用散下線的迭繞或同心繞組。如380V的Y和Y2315-355、380V~690V的IMJ315-450和ILA8315-450等。而變頻電機一般由逆變器供電,電壓多含高脈沖高頻率諧波,文章將著重討論中型低壓變頻電動機的繞組形式。
  一、中型低壓變頻電動機電源的特點
  一般變頻電動機多采用晶體管逆變器供電,晶體管逆變器采用高頻率脈沖,脈沖升降時間很短,從而在電機繞組中產生高電壓諧波,電壓脈沖峰值比標準額定電壓高得多,因而線圈匝間和相間以及同相線圈間的電壓應力可能非常高。有文獻報導:380V電動機相間脈沖電壓達1000V~1100V,相首線圈的脈沖電壓達700V~900V,線圈間脈沖電壓達650V~900V;500V電壓的變頻電動機的電壓應力,相間脈沖電壓達1200V~1400V,相首線圈的脈沖電壓達900V~1000V,線圈間脈沖電壓達8000V~1000V。電壓脈沖峰值與電動機額定電壓呈正相關關系,電壓脈沖在繞組線圈中傳播逐漸衰減。“Δ”接線繞組相首相尾的匝間以及相鄰相間的線圈端部,是脈沖高壓的最危險受害部位。因此,提高中型低壓電動機繞組耐電壓脈沖應力的問題不容忽視。
  二、中型低壓變頻電機繞組型式的評價
  (一)散下圓銅線繞組
  由于圓銅線散下繞組結構簡單、下線工藝傳統化;散下線繞組端部短、用銅少、電阻和漏抗小;與散下線相配套的半閉口槽槽口相對較小,對降低齒諧波幅值、均衡氣隙磁場、改善電機性能、降低溫升、提高出力等有利,所以一般中型低壓的普通電機經常采用,一些小功率變頻電機也采用圓銅線散下繞組。
  因電動機功率大、電源電壓低、電流很大,線圈導線并繞根數多達70多根,匝數少至2~3匝,匝間工作電壓高。如采用2級漆包圓銅線線制作線圈,因漆包線或多或少都存在一些小針孔,加上制造工藝的損傷,匝間工作電壓高和散下在槽內的線圈首匝與末匝相碰的機遇較多,匝間進行耐壓試驗或運行一段時間后發現一些電機發生匝間短路故障。
  即使采用3級漆包線(所謂變頻電機專用線),絕緣層加大了導線的安全距離,但漆層的小孔仍難以杜絕,加厚的漆層在制造期間易變脆,使用期間出現老化變得越來越脆,容易產生危險的裂紋。當浸漬漆填充不好的氣隙、針孔或后發生的裂紋處就很可能在高頻脈沖電壓下發生放電甚至局部出現電暈,使線圈絕緣加速老化、擊穿或燒毀,降低了中型低壓變頻電動機的可靠性。繞組的過早損壞將縮短中型低壓變頻電機的壽命,有的運行一、二年,甚至幾個月就出現損壞。
  (二)成型繞組
  成型繞組一般是用扁線繞繞制,經漲型、整型、壓型、包絕緣等工序,一根扁線的截面積比散下繞組一根Φ1.5~Φ1.6圓線的截面積大得多,因而導體的并繞根數也少得多,導線絕緣占槽面積少;扁線的4個圓角所空的面積比并繞多根圓線四角所空的面積少得多,槽的有效填充系數高。成型繞組扁線排列比散下繞組的圓線整齊,杜絕首匝碰末匝或隔匝相鄰的現象,匝間絕緣容易保證,相首相尾線圈加強匝間絕緣也容易做到。槽內上下層線圈和繞組端部的線圈之間和相間都有一定的間隙,絕緣容易保證。因此,成型繞組是提高變頻電動機耐電壓脈沖應力最好的繞組型式之一。
  但是,成型繞組的端部較長,用銅量多,電阻電抗大,銅耗大。與成型繞組配套的開口槽對氣隙磁場的均勻分布影響較大,使齒諧波幅值增大,附加鐵耗高,電動機效率較低。開口槽的卡氏系數大,加大了有效氣隙長度,導致功率因數不高,鐵芯長,用鐵量大。總之,電動機性能相對較差,制造成本較高。
  (三)半成型繞組配套半開口槽或小半開口槽
  半成型繞組是指一個槽內每層一般并排放置兩個半線圈,每半個線圈用扁線繞制,經漲型、整形、壓型、定型(包扎固定或加包一層絕緣)等工序,主絕緣象散下線一樣放置在槽內。扁線并繞的根數也比圓線少得多,槽的有效填充系數也挺高,導線排列也很整齊,也沒有首匝末匝相碰或隔匝相鄰的現象,匝間絕緣得以保證,相首相末加強匝間絕緣也容易實現,上下層線圈和繞組端部以及相間也有一定間隙,完全可以提高變頻電動機耐電壓脈沖的能力。
  半成型繞組端部較散下繞組長,但比成型繞組短,槽口寬度在壯半閉口與開口槽之間,鐵芯長也在兩者之間,用銅量、用鐵量、銅耗、鐵耗、電動機效率、功率因數和電動機制造成本也都在兩面三刀者之間。
  三、結論
  從以上對比分析得知,雖然成型繞組對提高耐電壓脈沖應力最好甚至功能過剩,但其銅鐵用量大、成本高。而散下繞組雖然制造成本低、電機性能較好,但存在耐電壓脈沖功能不足的致命弱點,使電機可靠性差、壽命短。綜合電動機性能、溫升、生產難易程度、成本、特別是耐電壓脈沖的能力和可靠程度等方面,半成型繞組的功能綜合對比不失為中型低壓變頻電動機的最佳選擇。
  實際生產中,有些電動機生產商在額定電壓690V、額定頻率50HZ、功率范圍為110~1400KW的H355-560變頻調速電機中,就采用半成型繞組,生產了許多規格,并取得了良好效果。
  參考文獻
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