礦用隔爆型變頻調(diào)速一體機的設計

王正陽+李夢林+楊亞美

摘要：本文對礦用隔爆型變頻調(diào)速一體機的設計中設計人員所

關(guān)注的一些問題進行闡述，簡要介紹了礦用隔爆型變頻調(diào)速一體機的結(jié)構(gòu)計時應注意的關(guān)鍵技術(shù)問題：電磁設計、結(jié)構(gòu)分析，水冷散熱等。

關(guān)鍵詞：隔爆型變頻調(diào)速 水冷散熱 一體機

0 引言

隨著煤礦設備改造步伐的加快，變頻調(diào)速裝置在煤礦的應用越來越廣泛。而在采掘工作面應用的電機由于空間小，按常規(guī)電機+變頻器的模式無法滿足要求，因此需要將變頻器與電機集成在一起。目前，我公司“煤礦開采變頻一體機關(guān)鍵技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化”項目已經(jīng)獲河南省企業(yè)創(chuàng)新資金300萬支持。

在結(jié)構(gòu)上采用把變頻器集成在電機頂部，機座和變頻器采用水冷，冷卻方式為IC3W7，安裝方式為B10。由于變頻一體機是變頻啟動，可以獲得比較好的啟動性能；變頻器與電機緊密的集成在一起，水冷的結(jié)構(gòu)可以使變頻器獲得更好的穩(wěn)定性，可以在控制系統(tǒng)內(nèi)部增加黑匣子功能，同時變頻器與電機的無縫連接也減少了傳統(tǒng)變頻器與電機之間長電纜帶來的種種問題。

1 設計要點

1.1 電磁設計

在電磁設計中，首先要考慮變頻器的特性對電機的影響。由于采用變頻電源供電，變頻電源的諧波含量較大，容易造成鐵心磁場飽和，因此電機的磁密不宜設計的太高。故定子齒、定子軛、轉(zhuǎn)子齒、轉(zhuǎn)子軛的磁密選的相對較低，轉(zhuǎn)子槽頂部較寬，以降低漏抗和集膚效應，轉(zhuǎn)子選用電阻率低的紫銅導條和端環(huán)，減小轉(zhuǎn)子損耗。[1]

同時由于變頻器中IGBT的工作原理，電壓波形是由許多脈沖電壓疊加而成，存在較高幅值的尖峰電壓，并且造成電機繞組匝間電壓不是均勻分布，首匝與第二匝之間的電壓差能夠占到整個繞組電壓的60-70%，使絕緣系統(tǒng)加速老化。電機絕緣厚度可適當加強。[2]

變頻器的特性對電機的影響，關(guān)鍵是要減小和限制諧波電壓和電流，需要對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行一體化設計，使電機與變頻器很好地匹配；[3]需要計算在不同工作頻率下的性能，包括基頻運行性能計算和基頻以上及基頻以下運行電磁考核。

1.2 結(jié)構(gòu)設計

電機發(fā)熱量很大。為了有效散熱，冷卻方式采用機座水冷結(jié)構(gòu)，接線盒中帶冷卻銅板結(jié)構(gòu)。采用變頻器與機座水路串連的形式，冷卻水通過機座進入變頻器的冷卻板，從變頻器出來后再通過機座進入后端端蓋，進行循環(huán)，然后再進入機座進入循環(huán)，最后從機座上流出。機座水冷結(jié)構(gòu)采用易于制造的折返式水路，并且加大水路截面積，減小水阻。同時利用ANSYS等軟件分析設計內(nèi)外套厚度，在滿足強度要求的情況下盡可能減小厚度。

同時考慮到IGBT元件的耐熱溫度較低，而輸入電抗器的耐熱溫度較高，并且輸入電抗器的溫升較高，為了防止輸入電抗器的溫度影響IGBT，將輸入電抗器和IGBT分開安裝，IGBT安裝在機座頂部的防爆空腔中，而輸入電抗器安裝在后端的水冷端蓋上，外面加一隔爆型電抗器罩。

1.3 結(jié)合有限元分析進行設計核算

為了對礦用隔爆型變頻調(diào)速一體機進行分析，對設計參數(shù)進行優(yōu)化、改進提供參考，三維建模采用SolidWroks 2012，有限元分析采用ANSYS Workbench 14.0，對電機法蘭端12螺栓、電機的六根筋等進行應力分析，對電機各部位施加1.5MPa的壓力，模擬水壓分析進行靜力分析，并根據(jù)分析結(jié)果，對電抗器罩強度進行加強。

在變頻器腔內(nèi)和電抗罩腔內(nèi)各施加1.5MPa的壓力，發(fā)現(xiàn)電抗器罩變形嚴重，在設計過程中對電抗器罩強度進行了加強。

2 電機試驗

對應礦用隔爆型變頻調(diào)速一體機的試驗，目前國內(nèi)和國際標準中均沒有詳細的規(guī)定，也沒有成型的試驗方法。對于礦用隔爆型變頻調(diào)速一體機的試驗來說，電機的各部位的溫度和變頻器各部位的溫度應該是考核的重點。

試驗采用500kW一體機和檢測中心試驗臺設備進行互拖，其中陪試系統(tǒng)輸出力矩，500kW變頻一體機采用速度環(huán)進行穩(wěn)定。

最終試驗結(jié)果見附表（500kW一體機溫升數(shù)據(jù)）。

3 結(jié)束語

基于煤礦井下變頻調(diào)速裝置與電動機實現(xiàn)高效、節(jié)能的研發(fā)項目，是根據(jù)傳統(tǒng)的感應電動機電磁計算方案增加變頻調(diào)速電動機的計算方案并結(jié)合有限元分析進行設計核算。在結(jié)構(gòu)上采用把變頻器集成在電機的頂部，機座和變頻器采用水冷，冷卻方式為IC3W7，安裝方式為B10。由于變頻一體機是變頻啟動，可以獲得比較好的啟動性能；變頻器與電機緊密的集成在一起，水冷的結(jié)構(gòu)可以使變頻器獲得更好的穩(wěn)定性，可以在控制系統(tǒng)內(nèi)部增加黑匣子功能，同時變頻器與電機的無縫連接也減少了傳統(tǒng)變頻器與電機之間長電纜帶來的種種問題。

參考文獻：

[1]陳世坤.電機設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[2]湯蘊璆，實乃.電機學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[3]陳伯時，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

作者簡介：

王正陽（1984-），男，畢業(yè)于南京農(nóng)業(yè)大學機械設計制造及其自動化專業(yè)、助理工程師，現(xiàn)主要從事煤專電機的開發(fā)設計工作。endprint

摘要：本文對礦用隔爆型變頻調(diào)速一體機的設計中設計人員所

關(guān)注的一些問題進行闡述，簡要介紹了礦用隔爆型變頻調(diào)速一體機的結(jié)構(gòu)計時應注意的關(guān)鍵技術(shù)問題：電磁設計、結(jié)構(gòu)分析，水冷散熱等。

關(guān)鍵詞：隔爆型變頻調(diào)速 水冷散熱 一體機

0 引言

隨著煤礦設備改造步伐的加快，變頻調(diào)速裝置在煤礦的應用越來越廣泛。而在采掘工作面應用的電機由于空間小，按常規(guī)電機+變頻器的模式無法滿足要求，因此需要將變頻器與電機集成在一起。目前，我公司“煤礦開采變頻一體機關(guān)鍵技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化”項目已經(jīng)獲河南省企業(yè)創(chuàng)新資金300萬支持。

在結(jié)構(gòu)上采用把變頻器集成在電機頂部，機座和變頻器采用水冷，冷卻方式為IC3W7，安裝方式為B10。由于變頻一體機是變頻啟動，可以獲得比較好的啟動性能；變頻器與電機緊密的集成在一起，水冷的結(jié)構(gòu)可以使變頻器獲得更好的穩(wěn)定性，可以在控制系統(tǒng)內(nèi)部增加黑匣子功能，同時變頻器與電機的無縫連接也減少了傳統(tǒng)變頻器與電機之間長電纜帶來的種種問題。

1 設計要點

1.1 電磁設計

在電磁設計中，首先要考慮變頻器的特性對電機的影響。由于采用變頻電源供電，變頻電源的諧波含量較大，容易造成鐵心磁場飽和，因此電機的磁密不宜設計的太高。故定子齒、定子軛、轉(zhuǎn)子齒、轉(zhuǎn)子軛的磁密選的相對較低，轉(zhuǎn)子槽頂部較寬，以降低漏抗和集膚效應，轉(zhuǎn)子選用電阻率低的紫銅導條和端環(huán)，減小轉(zhuǎn)子損耗。[1]

同時由于變頻器中IGBT的工作原理，電壓波形是由許多脈沖電壓疊加而成，存在較高幅值的尖峰電壓，并且造成電機繞組匝間電壓不是均勻分布，首匝與第二匝之間的電壓差能夠占到整個繞組電壓的60-70%，使絕緣系統(tǒng)加速老化。電機絕緣厚度可適當加強。[2]

變頻器的特性對電機的影響，關(guān)鍵是要減小和限制諧波電壓和電流，需要對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行一體化設計，使電機與變頻器很好地匹配；[3]需要計算在不同工作頻率下的性能，包括基頻運行性能計算和基頻以上及基頻以下運行電磁考核。

1.2 結(jié)構(gòu)設計

電機發(fā)熱量很大。為了有效散熱，冷卻方式采用機座水冷結(jié)構(gòu)，接線盒中帶冷卻銅板結(jié)構(gòu)。采用變頻器與機座水路串連的形式，冷卻水通過機座進入變頻器的冷卻板，從變頻器出來后再通過機座進入后端端蓋，進行循環(huán)，然后再進入機座進入循環(huán)，最后從機座上流出。機座水冷結(jié)構(gòu)采用易于制造的折返式水路，并且加大水路截面積，減小水阻。同時利用ANSYS等軟件分析設計內(nèi)外套厚度，在滿足強度要求的情況下盡可能減小厚度。

同時考慮到IGBT元件的耐熱溫度較低，而輸入電抗器的耐熱溫度較高，并且輸入電抗器的溫升較高，為了防止輸入電抗器的溫度影響IGBT，將輸入電抗器和IGBT分開安裝，IGBT安裝在機座頂部的防爆空腔中，而輸入電抗器安裝在后端的水冷端蓋上，外面加一隔爆型電抗器罩。

1.3 結(jié)合有限元分析進行設計核算

為了對礦用隔爆型變頻調(diào)速一體機進行分析，對設計參數(shù)進行優(yōu)化、改進提供參考，三維建模采用SolidWroks 2012，有限元分析采用ANSYS Workbench 14.0，對電機法蘭端12螺栓、電機的六根筋等進行應力分析，對電機各部位施加1.5MPa的壓力，模擬水壓分析進行靜力分析，并根據(jù)分析結(jié)果，對電抗器罩強度進行加強。

在變頻器腔內(nèi)和電抗罩腔內(nèi)各施加1.5MPa的壓力，發(fā)現(xiàn)電抗器罩變形嚴重，在設計過程中對電抗器罩強度進行了加強。

2 電機試驗

對應礦用隔爆型變頻調(diào)速一體機的試驗，目前國內(nèi)和國際標準中均沒有詳細的規(guī)定，也沒有成型的試驗方法。對于礦用隔爆型變頻調(diào)速一體機的試驗來說，電機的各部位的溫度和變頻器各部位的溫度應該是考核的重點。

試驗采用500kW一體機和檢測中心試驗臺設備進行互拖，其中陪試系統(tǒng)輸出力矩，500kW變頻一體機采用速度環(huán)進行穩(wěn)定。

最終試驗結(jié)果見附表（500kW一體機溫升數(shù)據(jù)）。

3 結(jié)束語

基于煤礦井下變頻調(diào)速裝置與電動機實現(xiàn)高效、節(jié)能的研發(fā)項目，是根據(jù)傳統(tǒng)的感應電動機電磁計算方案增加變頻調(diào)速電動機的計算方案并結(jié)合有限元分析進行設計核算。在結(jié)構(gòu)上采用把變頻器集成在電機的頂部，機座和變頻器采用水冷，冷卻方式為IC3W7，安裝方式為B10。由于變頻一體機是變頻啟動，可以獲得比較好的啟動性能；變頻器與電機緊密的集成在一起，水冷的結(jié)構(gòu)可以使變頻器獲得更好的穩(wěn)定性，可以在控制系統(tǒng)內(nèi)部增加黑匣子功能，同時變頻器與電機的無縫連接也減少了傳統(tǒng)變頻器與電機之間長電纜帶來的種種問題。

參考文獻：

[1]陳世坤.電機設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[2]湯蘊璆，實乃.電機學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[3]陳伯時，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

作者簡介：

王正陽（1984-），男，畢業(yè)于南京農(nóng)業(yè)大學機械設計制造及其自動化專業(yè)、助理工程師，現(xiàn)主要從事煤專電機的開發(fā)設計工作。endprint

摘要：本文對礦用隔爆型變頻調(diào)速一體機的設計中設計人員所

關(guān)注的一些問題進行闡述，簡要介紹了礦用隔爆型變頻調(diào)速一體機的結(jié)構(gòu)計時應注意的關(guān)鍵技術(shù)問題：電磁設計、結(jié)構(gòu)分析，水冷散熱等。

關(guān)鍵詞：隔爆型變頻調(diào)速 水冷散熱 一體機

0 引言

隨著煤礦設備改造步伐的加快，變頻調(diào)速裝置在煤礦的應用越來越廣泛。而在采掘工作面應用的電機由于空間小，按常規(guī)電機+變頻器的模式無法滿足要求，因此需要將變頻器與電機集成在一起。目前，我公司“煤礦開采變頻一體機關(guān)鍵技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化”項目已經(jīng)獲河南省企業(yè)創(chuàng)新資金300萬支持。

在結(jié)構(gòu)上采用把變頻器集成在電機頂部，機座和變頻器采用水冷，冷卻方式為IC3W7，安裝方式為B10。由于變頻一體機是變頻啟動，可以獲得比較好的啟動性能；變頻器與電機緊密的集成在一起，水冷的結(jié)構(gòu)可以使變頻器獲得更好的穩(wěn)定性，可以在控制系統(tǒng)內(nèi)部增加黑匣子功能，同時變頻器與電機的無縫連接也減少了傳統(tǒng)變頻器與電機之間長電纜帶來的種種問題。

1 設計要點

1.1 電磁設計

在電磁設計中，首先要考慮變頻器的特性對電機的影響。由于采用變頻電源供電，變頻電源的諧波含量較大，容易造成鐵心磁場飽和，因此電機的磁密不宜設計的太高。故定子齒、定子軛、轉(zhuǎn)子齒、轉(zhuǎn)子軛的磁密選的相對較低，轉(zhuǎn)子槽頂部較寬，以降低漏抗和集膚效應，轉(zhuǎn)子選用電阻率低的紫銅導條和端環(huán)，減小轉(zhuǎn)子損耗。[1]

同時由于變頻器中IGBT的工作原理，電壓波形是由許多脈沖電壓疊加而成，存在較高幅值的尖峰電壓，并且造成電機繞組匝間電壓不是均勻分布，首匝與第二匝之間的電壓差能夠占到整個繞組電壓的60-70%，使絕緣系統(tǒng)加速老化。電機絕緣厚度可適當加強。[2]

變頻器的特性對電機的影響，關(guān)鍵是要減小和限制諧波電壓和電流，需要對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行一體化設計，使電機與變頻器很好地匹配；[3]需要計算在不同工作頻率下的性能，包括基頻運行性能計算和基頻以上及基頻以下運行電磁考核。

1.2 結(jié)構(gòu)設計

電機發(fā)熱量很大。為了有效散熱，冷卻方式采用機座水冷結(jié)構(gòu)，接線盒中帶冷卻銅板結(jié)構(gòu)。采用變頻器與機座水路串連的形式，冷卻水通過機座進入變頻器的冷卻板，從變頻器出來后再通過機座進入后端端蓋，進行循環(huán)，然后再進入機座進入循環(huán)，最后從機座上流出。機座水冷結(jié)構(gòu)采用易于制造的折返式水路，并且加大水路截面積，減小水阻。同時利用ANSYS等軟件分析設計內(nèi)外套厚度，在滿足強度要求的情況下盡可能減小厚度。

同時考慮到IGBT元件的耐熱溫度較低，而輸入電抗器的耐熱溫度較高，并且輸入電抗器的溫升較高，為了防止輸入電抗器的溫度影響IGBT，將輸入電抗器和IGBT分開安裝，IGBT安裝在機座頂部的防爆空腔中，而輸入電抗器安裝在后端的水冷端蓋上，外面加一隔爆型電抗器罩。

1.3 結(jié)合有限元分析進行設計核算

為了對礦用隔爆型變頻調(diào)速一體機進行分析，對設計參數(shù)進行優(yōu)化、改進提供參考，三維建模采用SolidWroks 2012，有限元分析采用ANSYS Workbench 14.0，對電機法蘭端12螺栓、電機的六根筋等進行應力分析，對電機各部位施加1.5MPa的壓力，模擬水壓分析進行靜力分析，并根據(jù)分析結(jié)果，對電抗器罩強度進行加強。

在變頻器腔內(nèi)和電抗罩腔內(nèi)各施加1.5MPa的壓力，發(fā)現(xiàn)電抗器罩變形嚴重，在設計過程中對電抗器罩強度進行了加強。

2 電機試驗

對應礦用隔爆型變頻調(diào)速一體機的試驗，目前國內(nèi)和國際標準中均沒有詳細的規(guī)定，也沒有成型的試驗方法。對于礦用隔爆型變頻調(diào)速一體機的試驗來說，電機的各部位的溫度和變頻器各部位的溫度應該是考核的重點。

試驗采用500kW一體機和檢測中心試驗臺設備進行互拖，其中陪試系統(tǒng)輸出力矩，500kW變頻一體機采用速度環(huán)進行穩(wěn)定。

最終試驗結(jié)果見附表（500kW一體機溫升數(shù)據(jù)）。

3 結(jié)束語

基于煤礦井下變頻調(diào)速裝置與電動機實現(xiàn)高效、節(jié)能的研發(fā)項目，是根據(jù)傳統(tǒng)的感應電動機電磁計算方案增加變頻調(diào)速電動機的計算方案并結(jié)合有限元分析進行設計核算。在結(jié)構(gòu)上采用把變頻器集成在電機的頂部，機座和變頻器采用水冷，冷卻方式為IC3W7，安裝方式為B10。由于變頻一體機是變頻啟動，可以獲得比較好的啟動性能；變頻器與電機緊密的集成在一起，水冷的結(jié)構(gòu)可以使變頻器獲得更好的穩(wěn)定性，可以在控制系統(tǒng)內(nèi)部增加黑匣子功能，同時變頻器與電機的無縫連接也減少了傳統(tǒng)變頻器與電機之間長電纜帶來的種種問題。

參考文獻：

[1]陳世坤.電機設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[2]湯蘊璆，實乃.電機學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[3]陳伯時，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

作者簡介：

王正陽（1984-），男，畢業(yè)于南京農(nóng)業(yè)大學機械設計制造及其自動化專業(yè)、助理工程師，現(xiàn)主要從事煤專電機的開發(fā)設計工作。endprint