摘 要以一臺(tái)1200kW 3.3kV 0～60Hz 4P礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻調(diào)速一體機(jī)的研制為例，從系統(tǒng)配置，變頻器設(shè)計(jì)，電機(jī)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面，并結(jié)合相關(guān)仿真及樣機(jī)試驗(yàn)，防爆認(rèn)證等說明研制取得了成功。

【關(guān)鍵詞】中壓 隔爆 本質(zhì)安全型 變頻調(diào)速 一體機(jī)

隨著煤礦行業(yè)的整合發(fā)展，礦用設(shè)備也在往大型化，變頻調(diào)速節(jié)能化，集成化，智能化方向發(fā)展，做為礦用設(shè)備拖動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率隨之增大，為節(jié)能降耗，節(jié)省空間，降低電纜成本，煤礦井下配電電網(wǎng)正在逐步過渡到中壓3.3kV等級(jí)，為適應(yīng)這一變化，湘潭電機(jī)公司提出研制礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻調(diào)速一體機(jī)（以下簡(jiǎn)稱一體機(jī)）。

一體機(jī)是將變頻技術(shù)、電機(jī)技術(shù)與隔爆技術(shù)結(jié)合，變頻器與電動(dòng)機(jī)集成的行走一體機(jī)，是機(jī)電一體化產(chǎn)品，體積小，功率密度大，節(jié)能高效，非常適合煤礦井下運(yùn)行工況要求，可廣泛用于絞車，掘進(jìn)機(jī)，刮板機(jī)和皮帶運(yùn)輸機(jī)等礦用設(shè)備。

1 設(shè)計(jì)要素

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)礦用設(shè)備運(yùn)行工況，輸入輸出特性，功能特性，一體機(jī)防爆標(biāo)志為Ex d [ib]ⅠMb，防爆性能按照GB3836.1-2010，GB3836.2-2010以及GB3836.4-2010的要求。總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成水冷結(jié)構(gòu)，變頻器模塊裝在隔爆箱體內(nèi)，隔爆箱體裝在水冷卻板上，水冷卻板裝在電動(dòng)機(jī)上端平面上，變頻器與電動(dòng)機(jī)通過水冷卻板的連接集成在一起。一體機(jī)系統(tǒng)按圖1配置。

1.2 變頻器設(shè)計(jì)

變頻器主要包括濾波器，整流器，預(yù)充電單元，支撐電容單元和逆變器，控制單元，水冷卻板等。變頻器滿足隔爆兼本質(zhì)安全型的防爆要求。

變頻器采用2路交流電壓輸入，12脈波整流，矢量控制方式。對(duì)比常規(guī)6脈波整流，12脈波整流可降低網(wǎng)側(cè)諧波50%以上，便于中點(diǎn)電位控制，提高EMC電磁兼容性。

變頻器的逆變器采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，dv/dt減小50%，對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)的沖擊大幅減小。

直流支撐電容是決定變頻器產(chǎn)品維護(hù)周期和使用壽命的關(guān)鍵因素，直流支撐電容按照寄生電感小，寄生電阻小、發(fā)熱少，有自愈性、長(zhǎng)壽命的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

變頻器功率單元按照模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)功率單元對(duì)外有統(tǒng)一的接線端口，功率單位直接安裝在水冷卻板上。水冷卻板做為變頻器各功率單元的冷卻部件，其水路按并聯(lián)設(shè)計(jì)，每個(gè)功率單元下都有對(duì)應(yīng)的冷卻單元。按照功率單元的發(fā)熱量設(shè)計(jì)水冷卻板的換熱能力。

由于一體機(jī)需滿足單機(jī)拖動(dòng)或多機(jī)同步拖動(dòng)的要求，變頻器設(shè)計(jì)需滿足高性能的矢量控制，多機(jī)負(fù)載均衡性控制，高可靠的遠(yuǎn)程連鎖控制。變頻器的控制單元按照模塊化設(shè)計(jì)，控制端子進(jìn)行防呆設(shè)計(jì)。

變頻器加速、減速時(shí)間在2～2000s范圍內(nèi)任意設(shè)定，頻率滿足人機(jī)界面設(shè)定、模擬量設(shè)定、多段速設(shè)定、遠(yuǎn)程通訊設(shè)定等多種設(shè)定方式，頻率設(shè)定精度0.01Hz。

1.3 電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)主要包括定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、軸承等部件，電動(dòng)機(jī)滿足GB3836.2-2010規(guī)定的隔爆要求。

1.3.1 電動(dòng)機(jī)由變頻電源供電，首先要進(jìn)行絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)變頻電源的諧波含量和dV/dt值以及使用工況對(duì)過載能力的高要求，電動(dòng)機(jī)采用H級(jí)絕緣，相對(duì)F級(jí)絕緣，H級(jí)絕緣有更好的耐熱老化能力。

變頻器輸出的高次諧波電壓完全加載在電機(jī)負(fù)載端，峰值電壓幅值較大，dv/dt值較高，作用在定子繞組絕緣層內(nèi)的局部放電量大，定子繞組端部出槽口處電位差大，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電暈放電，首先對(duì)定子繞組匝間絕緣采用云母繞包電磁線，增加匝絕緣厚度，加強(qiáng)匝間耐高頻脈沖老化的性能；其次增加對(duì)地絕緣厚度，對(duì)定子繞組進(jìn)行防暈處理，避免定子繞組表面與槽壁的間隙放電，減小定子繞組端部出槽口處電位差，保證電機(jī)運(yùn)行期間不產(chǎn)生電暈放電，提高電機(jī)絕緣可靠性。

電動(dòng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)端采絕緣端蓋，切斷由軸電壓引起的軸電流，保護(hù)軸承不受電蝕，提高軸承運(yùn)行質(zhì)量。

1.3.2 電磁設(shè)計(jì)

電磁設(shè)計(jì)通過采用合適的絕緣結(jié)構(gòu)，合理的槽配合，槽形結(jié)構(gòu)，優(yōu)化電、磁、熱等負(fù)荷的選取，合理分配各項(xiàng)損耗。電磁設(shè)計(jì)采用路場(chǎng)結(jié)合，首先根據(jù)性能指標(biāo)采用磁路法進(jìn)行電磁方案計(jì)算，然后進(jìn)行二維電磁場(chǎng)和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析，得出優(yōu)化的電磁方案。

1.3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足Ex dIMb的要求，并根據(jù)機(jī)座凸緣懸掛的特殊安裝方式，進(jìn)行機(jī)座等主要結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能計(jì)算，并結(jié)合有限元仿真分析對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化，確保各部件承受最大應(yīng)力和變形量滿足要求。

轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)成剛性結(jié)構(gòu)，一階臨界轉(zhuǎn)速在1.3倍最大工作轉(zhuǎn)速以上。

1.3.4 通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)

機(jī)座及端蓋采用水夾層結(jié)構(gòu)，機(jī)座上設(shè)計(jì)螺旋水道，端蓋上設(shè)計(jì)環(huán)形水道。定、轉(zhuǎn)子鐵芯上設(shè)計(jì)軸向通風(fēng)道，由內(nèi)風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)形成內(nèi)風(fēng)路，使電動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度分布更均勻。

1.4 防潮設(shè)計(jì)

一體機(jī)多運(yùn)行在礦井下，比較潮濕，在各結(jié)合面處設(shè)置密封條，一體機(jī)內(nèi)部設(shè)置防冷凝空間加熱器，并采用防中等強(qiáng)度腐蝕型電動(dòng)機(jī)表面涂層，以上措施提高了防潮性能，防止隔爆面銹蝕。

2 樣機(jī)驗(yàn)證

以一臺(tái)1200kW 3.3kV 0～60Hz 4極一體機(jī)為研制對(duì)象，采用上述措施進(jìn)行樣機(jī)試制。通過模擬一體機(jī)現(xiàn)場(chǎng)IMB10特殊安裝方式，與拖動(dòng)機(jī)對(duì)拖進(jìn)行型式試驗(yàn)，主要性能指標(biāo)（50Hz試驗(yàn)值）如表1所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，一體機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的保證值，效率及功率因數(shù)高，振動(dòng)小，噪聲低，溫升低，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

3 樣機(jī)防爆認(rèn)證

樣機(jī)分別在湘潭電機(jī)公司和防爆認(rèn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)行防爆認(rèn)證試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)全部合格，樣機(jī)YJVFT -500M-4（1200kW/3300V）已經(jīng)取得國(guó)家防爆認(rèn)證機(jī)構(gòu)頒發(fā)的防爆合格證，礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志證書，全國(guó)工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)許可證。

4 結(jié)論

樣機(jī)試制成功并順利通過防爆認(rèn)證，表明湘潭電機(jī)公司的一體機(jī)研制取得了成功，對(duì)一體機(jī)的國(guó)產(chǎn)化具有重要的推動(dòng)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)（第2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]陳伯時(shí)，陳敏遜交流調(diào)速系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

作者簡(jiǎn)介

霍華鋒（1978-），男，河南省平輿縣人。大學(xué)本科學(xué)歷。工程師，從事電機(jī)設(shè)計(jì)。

作者單位

湘潭電機(jī)股份有限公司電機(jī)研究所 湖南省湘潭市 411101