大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱試驗(yàn)用變頻電動(dòng)機(jī)的開發(fā)

趙 霞

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的齒輪箱是一個(gè)重要的機(jī)械部件，其主要功能是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)，并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速很低，遠(yuǎn)達(dá)不到高速發(fā)電機(jī)發(fā)電的要求，必須通過(guò)齒輪箱的增速作用來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電。

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多安裝在高山、荒野、海島等風(fēng)口處，受無(wú)規(guī)律的變向變載荷的風(fēng)力作用以及強(qiáng)陣風(fēng)的沖擊，加之所處的自然環(huán)境交通不便，而且機(jī)組安裝在塔頂?shù)莫M小空間內(nèi)，一旦出現(xiàn)故障，修復(fù)非常困難，故對(duì)其可靠性等提出了比一般機(jī)械高得多的要求。大量的實(shí)踐證明，整個(gè)機(jī)組的薄弱環(huán)節(jié)常常就是齒輪箱。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱在投入使用前，都會(huì)進(jìn)行嚴(yán)格的試驗(yàn)，以確保其高可靠性。而測(cè)試齒輪箱的變頻電動(dòng)機(jī)，必須經(jīng)受齒輪箱的各種復(fù)雜工況，這也就對(duì)電動(dòng)機(jī)提出了較高的要求。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的加載試驗(yàn)要求

根據(jù)GB/T 19073—2008《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱》的加載試驗(yàn)要求為：按25%、50%、75%的額定負(fù)載各運(yùn)轉(zhuǎn)30 min，按100%額定負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)120 min，110%超負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)30 min，120%超負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)5 min。針對(duì)這些要求，試驗(yàn)臺(tái)所使用的變頻電動(dòng)機(jī)必須要有很高的可靠性。

2 電動(dòng)機(jī)的基本要求

本文所開發(fā)的電動(dòng)機(jī)適用于上海振華港口機(jī)械(股份)有限公司風(fēng)電齒輪箱試驗(yàn)臺(tái)(ZP11-1627)所用的變頻電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目。該項(xiàng)目采用的變頻器為ACS6000，最大輸出電壓為3 100 VAC。用戶對(duì)電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)要求如下。

(1) 額定功率：5 500 kW

(2) 額定電壓：2 250 V/3 000 VAC

(3) 額定轉(zhuǎn)速/最高轉(zhuǎn)速：1 000/2 000 r·min-1

(4) 防護(hù)等級(jí)：IP54

(5) 溫升：按B級(jí)考核

(6) 絕緣等級(jí)：F級(jí)(VPI整浸)

(7) 安裝方式：IMB3臥式底腳安裝

(8) 冷卻方式：IC86W(空水冷)

(9) 環(huán)境溫度：最高40 ℃

(10) 軸承形式：優(yōu)先采用滾動(dòng)軸承

電動(dòng)機(jī)為閉環(huán)矢量控制交流變頻電動(dòng)機(jī)，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍為零速至額定轉(zhuǎn)速，恒功率調(diào)速范圍為額定轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速。

針對(duì)風(fēng)電齒輪箱試驗(yàn)臺(tái)的工作特性，所用變頻電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)一些特殊的工作點(diǎn)，本項(xiàng)目中用戶提出的一些特殊工作點(diǎn)見表1。

表1 特殊工作點(diǎn)

3 電動(dòng)機(jī)軸伸直徑的選取

電動(dòng)機(jī)的軸伸強(qiáng)度是一個(gè)比較關(guān)鍵的因素。初步選定軸的材料為15MnMoV，該材料抗張強(qiáng)度大于640 N/mm2，屈服點(diǎn)大于400 N/mm2，抗張強(qiáng)度較大，屈服點(diǎn)較高。對(duì)于軸伸直徑的選取，既要滿足負(fù)載轉(zhuǎn)矩的要求，又不能過(guò)大，否則無(wú)法選取合適的軸承。

分析電動(dòng)機(jī)的各個(gè)工作點(diǎn)可知，電動(dòng)機(jī)在功率為5 500 kW、轉(zhuǎn)速為1 000 r/min運(yùn)行時(shí)，扭矩最大。通過(guò)電動(dòng)機(jī)的功率P、轉(zhuǎn)速n、扭轉(zhuǎn)過(guò)載倍數(shù)K以及扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力[τT]，可以初步計(jì)算選出電動(dòng)機(jī)的軸伸直徑。

取扭轉(zhuǎn)過(guò)載倍數(shù)K=2，扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力τT=102。

電動(dòng)機(jī)的扭矩：

M=9.55P/n=9.55×5 500/1 000=52.525 kN·m

軸伸初選直徑：

考慮到需要預(yù)留一定的余量，選取軸頭直徑為190 mm。

4 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算

此項(xiàng)目所開發(fā)的變頻電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速范圍較寬，最高轉(zhuǎn)速較高，達(dá)2 000 r/min，因此必須進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算。

首先根據(jù)電磁方案，運(yùn)用相關(guān)程序計(jì)算線圈尺寸，結(jié)合常規(guī)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，初步排定該電動(dòng)機(jī)的總體尺寸，確定電動(dòng)機(jī)的軸系圖(鐵心長(zhǎng)1 194 mm，機(jī)座長(zhǎng)2 770 mm)。根據(jù)該軸系圖，算得電動(dòng)機(jī)第一臨界轉(zhuǎn)速為2 398 r/min，未高出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的1.3倍，顯然上述方案存在一定的危險(xiǎn)性。

綜合考慮后調(diào)整電磁方案，在滿足用戶要求的前提下，將鐵心長(zhǎng)度縮短到1 134 mm，另外考慮縮小電動(dòng)機(jī)機(jī)座長(zhǎng)度，以縮短軸系長(zhǎng)度，提高臨界轉(zhuǎn)速。經(jīng)過(guò)計(jì)算重新排尺寸，將機(jī)座縮短到2 650 mm。重新確定電動(dòng)機(jī)軸系后，計(jì)算電動(dòng)機(jī)臨界轉(zhuǎn)速，調(diào)整后算得第一臨界轉(zhuǎn)速為2 620 r/min，超過(guò)了1.3倍最高可能運(yùn)行轉(zhuǎn)速，避開了共振點(diǎn)，確保了電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行。

5 軸承型號(hào)確定

與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)組聯(lián)系，提供了轉(zhuǎn)子重量、磁拉力、轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速、軸伸直徑、鐵心中心與軸伸端和非軸伸端軸承中心距離等有關(guān)資料，并與相關(guān)軸承制造商溝通，確定了最終的軸承型號(hào)。

軸承型號(hào)(FAG軸承)為：軸伸端6040.M.C3+NU1040.M1.C3，非軸伸端NU234.E.M1.C3。根據(jù)軸承廠家建議，潤(rùn)滑油采用FAG滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑脂Arcanol Multitop或者基礎(chǔ)油公稱粘度等級(jí)為68 mm2/s的油脂。

6 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.1 絕緣規(guī)范

電動(dòng)機(jī)最高電壓為3 000 V，最大電壓上升率dv/dt為3 kV/μs，故絕緣規(guī)范選用本企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《6 kV F級(jí)SD1145系統(tǒng)少膠VPI交流電動(dòng)機(jī)定子絕緣規(guī)范》。

6.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)冷卻風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的3次方成比例變化的特點(diǎn)，變頻電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)通常采用冷卻器外帶強(qiáng)制風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)。該變頻電動(dòng)機(jī)采用對(duì)稱風(fēng)路結(jié)構(gòu)，冷卻方式為IC86W。根據(jù)用戶要求，電動(dòng)機(jī)采用滾動(dòng)軸承。變頻電動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 變頻電動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

6.3 機(jī)座設(shè)計(jì)

根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果，該變頻電動(dòng)機(jī)的機(jī)座長(zhǎng)度比常規(guī)H630-4電動(dòng)機(jī)有所縮短，由2 770 mm縮短到2 650 mm。根據(jù)變頻電動(dòng)機(jī)頻繁變速運(yùn)行的特點(diǎn)，機(jī)座壁也比常規(guī)電動(dòng)機(jī)厚，鋼板由32 mm加厚到45 mm。

由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，調(diào)速范圍較寬，電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)較大。電動(dòng)機(jī)先后采用了以下措施來(lái)減小振動(dòng)：

(1) 機(jī)座側(cè)板加厚，改空腔結(jié)構(gòu)為實(shí)體結(jié)構(gòu)，側(cè)板由常規(guī)電機(jī)的6 mm彎板加空腔加6 mm側(cè)板結(jié)構(gòu)改為25 mm整體鋼板結(jié)構(gòu)。

(2) 在機(jī)座壁與壓圈、壓圈與壓圈之間進(jìn)行支撐，采用100 mm×48 mm×5.3 mm槽鋼Q235-A焊接固定，并在壓圈與壓圈的支撐槽鋼下適當(dāng)位置又采用槽鋼，與機(jī)座底腳固定，這些槽鋼將機(jī)座連接成為一個(gè)整體，提高了整體剛性，有效減小了電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。

(3) 機(jī)座完成焊接后，經(jīng)過(guò)消除應(yīng)力處理，由大金工分廠對(duì)機(jī)座止口及地腳平面進(jìn)行校調(diào)、加工。同時(shí)，測(cè)量拆下的軸承外徑及軸承套內(nèi)徑。

(4) 根據(jù)機(jī)座止口校調(diào)數(shù)據(jù)，對(duì)端蓋進(jìn)行配合加工，并在端蓋與機(jī)座間加裝適當(dāng)?shù)膲|片。

6.4 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

該變頻電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速較高，故采用了護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)，端環(huán)為下端環(huán)結(jié)構(gòu)，護(hù)環(huán)與端環(huán)固定，導(dǎo)條經(jīng)漲緊處理，這些均采用以往的成熟設(shè)計(jì)。

轉(zhuǎn)子沖片采用0.5硅鋼板50W470，外徑Φ757.8 mm，內(nèi)徑Φ440 mm；軸采用鋼15MnMoV；護(hù)環(huán)采用鋼40Mn18Cr4，外徑Φ757.8 mm，內(nèi)徑Φ721.8 mm，寬53 mm；端環(huán)采用銅錠T2，外徑Φ679.4 mm，內(nèi)徑Φ599.4 mm。

7 電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果分析

電動(dòng)機(jī)總裝完成后，在重型試驗(yàn)車間進(jìn)行了型試試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)和整改，電動(dòng)機(jī)通過(guò)了測(cè)試，摘取電動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果見表2。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)振動(dòng)指標(biāo)完全符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 10068—2008《軸中心高為56 mm及以上電機(jī)的機(jī)械振動(dòng)、振動(dòng)的測(cè)量、評(píng)定及限值》的要求，電動(dòng)機(jī)開發(fā)結(jié)果良好。

表2 電動(dòng)機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

8 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目變頻電動(dòng)機(jī)在開發(fā)過(guò)程中，采用了一套完整的機(jī)械計(jì)算程序，如軸伸強(qiáng)度計(jì)算、線圈尺寸計(jì)算、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算、轉(zhuǎn)子端環(huán)、護(hù)環(huán)、導(dǎo)條強(qiáng)度及起動(dòng)壽命計(jì)算、轉(zhuǎn)子沖片強(qiáng)度計(jì)算等等。在開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，通過(guò)這些計(jì)算，在理論上保證了各機(jī)械部件的安全運(yùn)行。

電動(dòng)機(jī)在試制的過(guò)程中，也碰到了一些問(wèn)題，經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)和整改后，電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了要求，實(shí)現(xiàn)了性能和結(jié)構(gòu)的可靠性。

該電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造的完成，滿足了用戶的試驗(yàn)需求，同時(shí)也為同類變頻電動(dòng)機(jī)的開發(fā)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，積極推進(jìn)了我公司風(fēng)電綜合試驗(yàn)臺(tái)變頻異步電動(dòng)機(jī)的研制，進(jìn)一步提升了上電品牌在國(guó)內(nèi)外的競(jìng)爭(zhēng)力。