礦用隔爆兼本質安全型變頻調速一體機的研制

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(1佳木斯電機股份有限公司天津研發中心，天津 300384；2國家防爆電機工程技術研究中心，黑龍江佳木斯 154002 )

礦用隔爆兼本質安全型變頻調速一體機的研制

于金雷1，2，李薇1，2

(1佳木斯電機股份有限公司天津研發中心，天津 300384；2國家防爆電機工程技術研究中心，黑龍江佳木斯 154002 )

介紹了礦用隔爆兼本質安全型變頻調速一體機的研制過程，重點電機變頻調速原理，電磁設計和結構設計，運用ANSYS有限元進行軟件對電磁設計和結構設計進行了分析優化設計，介紹了一體機的優越性。對該電機的性能、創新性及技術經濟性進行了分析。

隔爆兼本質安全型；變頻調速；電磁設計；結構設計；ANSYS有限元分析

0 引言

隨著電力電子技術的發展，交流變頻調速的范圍不斷擴大，應用也越來越廣泛。但是在煤礦井下，變頻器和電機還是兩個相對獨立的單元，有不適于井下作業的缺點，如諧波電流過大，易導致電機發熱量增加，縮短電機的壽命；井下高壓傳輸電纜較長，導致電纜終端電壓反射造成電機側過電壓，從而影響電機的絕緣壽命、變頻器的冷卻、抗震及防腐蝕工藝等。與此同時，為達到節能減排的國家政策要求，使得研制礦用變頻調速一體化電機的呼聲日趨高漲。因此我公司根據形勢需要，進行了礦用隔爆兼本質安全型變頻調速一體機(以下簡稱礦用變頻調速一體機)研制，并獲得2016年度黑龍江省應用技術研究與開發計劃重大項目支持。

1 礦用變頻調速一體機的性能指標及主要技術要求

型號: YJVFG-500M5-4T；額定功率:1200kW；額定電壓:3300V；額定電流:234A；額定頻率:50Hz(5～60)；額定轉速:1490r/min；額定轉矩：7640Nm；相數:3相；定子繞組接法：Y；防護等級：IP56；絕緣等級:180(H)級；冷卻方式: IC3W7(水冷)；安裝方式:IMB10；旋轉方向:逆時針；定額: S1( 連續工作制)；防爆標志: Exd[ib]IMb；效率:92.5%(全頻段)；噪聲限值:104 dB(A) (聲功級)；振動限值: 2.8mm/s；一體機峰值轉矩不得低于150%的額定轉矩。

負載特性：一體機頻率在50Hz以下范圍內為恒轉矩調速段，其輸出轉矩不得低于額定轉矩的95%；50Hz～60Hz范圍內為恒功率調速段，其輸出功率不低于額定功率的95%。

2 礦用變頻調速一體機的變頻調速原理

2.1 電機調速方案的確定

2.1.1 恒轉矩調速

由電機學可知，對于交流異步三相感應電動機，有

n=60f1(1-s)/p

(1)

由式(1)可知，當轉差率s變化不大時，轉速n基本上正比于定子供電頻率f1。平滑的調節供電電源頻率就可以平滑地調節電機的轉速n。

變頻調速時，為了使勵磁電流和功率因數基本保持不變，則希望磁通Φ也保持不變。如果Φ>ΦN(ΦN為正常運行時的額定磁通)，將引起磁路過飽和而使勵磁電流增加，功率因數降低。如果Φ<ΦN，電動機將由于容許輸出轉矩下降，其功率得不到充分的利用而造成浪費。因此在變頻調速時，一般要求磁通保持不變。

由定子電路的電動勢方程式可見，在忽略定子漏阻抗的情況下，得式

UFEF=4.44f1N1ky1F

(2)

為使f1變化Φ時保持不變，則由式(2)可見UF/f1必須為定值，則UF必須與f1成比例的變化。

對于恒轉矩調速，如果變頻裝置保證UF隨f1成比例的變化，則可保證在頻率變化的過程中電動機具有同樣的過載能力，在恒轉矩調速下的變頻裝置一般都是根據這個要求設計的。

電動機的最大轉矩為

(3)

式中，X1+X2′=2pf1(L1+L2′)

由式(3)可知，當f1較高時，可忽略定子電阻R1的影響，電機最大轉矩Tmax與轉差率s成正比；當f1較低時，定子電阻R1的影響就不能忽略，此時最大轉矩Tmax大大降低，為了保持電動機有足夠大的最大轉矩Tmax，可在低速時，使UF/f1的比值隨著f1的降低而增加，就可以保持最大轉矩Tmax。

2.1.2 恒功率調速

由式(3)可知，在基頻以上調速時，f1較高時，可忽略定子電阻R1的影響，可得到

(4)

2.2 變頻器調速方案的確定

2.2.1 交直交電壓型變頻電路

本次設計采用的是輸出電壓和頻率均可變的交直交變頻器電路。它由整流電路、中間直流電路和逆變電路構成。它先將電網的工頻交流電整流成直流電，再將此直流電逆變成頻率可調的交流電。IGBT作為其核心部件，在逆變器電路中控制輸出的電壓和頻率，可利用半導體開關的導通率將輸出電壓控制成為正弦波狀。在三相高壓進線電源處分別串聯一個大電感濾波器，近似恒流源，使進線電源輸入不受負載影響，保證電源質量。

在中間直流環節主要采用大電容濾波，這使中間直流電源近似恒壓源，具有低阻抗，使經過逆變電路得到的交流輸出電壓，不受負載性質影響。

2.2.2 矢量控制及控制回路

異步電機的數學模型是高階、非線性、強耦合的多變量系統。矢量控制方法則是基于異步電機按轉子磁鏈定向的動態模型，將定子電流分解為勵磁分量和與此垂直的轉矩分量，參照直流調速系統的控制方法，分別獨立的對兩個電流分量進行控制，類似直流調速系統中的雙閉環控制方式，控制性能較好，從而改善了異步電動機的動態控制性能。

為了實現其控制目的，需要將三相電流按坐標變換的方法變換成二相電流，在二相坐標系上確定電動機的轉矩電流和勵磁電流大小并分別進行控制，再將二相電流變換成三相電流設定值，然后采用閉環控制實際電流的方式。

3 礦用變頻調速一體機的電磁設計

3.1 電磁設計

電磁設計時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。考慮到變頻電機的溫升要比正常電機稍高，所以電負荷要設計的比正常電機低一些。由于水冷散熱較好，功率密度是普通電機的2～4倍。

由于為本電機供電的是電壓型逆變器，為了減少定子銅損耗，提高電動機的效率，希望定子電阻越小越好，同時為了增加漏電抗，所以將定子槽形設計成窄且深形式，線圈采用扁平導體平放布置方式。轉子槽頂部較寬，以降低漏抗和集膚效應，轉子選用電阻率低的紫銅導條和端環，減小轉子損耗。

變頻器特性對電機的影響，關鍵是要減小和限制諧波電壓和電流，對變頻調速系統性能進行研究，進行一體化設計，使電機與變頻器很好地匹配，在較寬的調速范圍內具備良好的性能；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上下運行電磁考核。

由于變頻器IGBT的工作特性，電壓波形是有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%，這大大加速了絕緣系統的老化。針對此情況，加強了電機的絕緣厚度。在繞組的首匝和第二匝之間增加特殊的絕緣紙，可以很好的降低電機絕緣系統的老化。

3.2 有限元分析優化設計

首先利用自主開發的變頻三相異步電動機電磁計算軟件進行初步電磁計算，得出主要數據、性能曲線和起動曲線。然后利用有限元進行分析計算。

利用有限元仿真軟件Maxwell對電機進行了仿真計算，包括空載、負載、堵轉、過載、變頻運行等工況。搭建的模型見圖1。空載和負載磁密云圖見圖2、圖3。

圖1有限元仿真模型

并利用ANSYS對電機空載性能、額定負載、堵轉性能、過載性能、變頻運行時電機性能仿真分析并優化設計。有限元計算的結果與磁路法計算結果在磁路數據和起動性能上有些差別。通過與試驗結果對比發現，除實測的鐵耗值與計算值相差較大外，磁路法、有限元計算結果能夠很好的吻合，說明了該電磁設計是比較合理的。

圖2電機空載磁密云圖

圖3電機負載磁密云圖

4 礦用變頻調速一體機結構設計

4.1 隔爆兼本質安全型結構

礦用變頻調速一體機防爆問題是設備研制的一個關鍵問題。按照《煤礦安全規程》的規定，在有瓦斯和煤塵爆炸危險的礦井內，必須使用防爆電氣設備，而防爆電氣設備的設計必須符合GB 3836系列標準的規定。本項目設計的一體機是一個復雜的電氣設備，采用單一的防爆型式已經不能滿足防爆性能的要求，故而采用的是復合防爆的型式：隔爆兼本質安全型。整機安裝在隔爆外殼內，其對外接口采用本安接口。

整機結構按照GB 3836.1—2010《爆炸性環境 第1部分 設備 通用要求》和GB 3836.2—2010 《爆炸性環境 第2部分 由隔爆外殼“d”保護的設備》的規定制成隔爆型，防爆標志為“ExdI”。防爆原理為：采用“隔爆外殼”把可能產生的火花、電弧和危險溫度的電氣和機械部分，與周圍的爆炸性氣體混合物隔離。它允許爆炸性氣體混合物在外殼內部發生爆炸，但是不允許爆炸生成物從電機內部通過隔爆接合面竄到外殼外部，點燃周圍的爆炸性氣體混合物。因此，在防爆安全性設計方面做了如下考慮。

(1) 外殼強度。組成一體機隔爆外殼的結構件：機座、端蓋、軸承內蓋、接線盒座、接線盒蓋等，這些零件的強度需以通過相應內部爆炸壓力為基準的靜壓試驗為合格。

(2) 隔爆接合面。組成隔爆外殼的每一零部件間的隔爆接合面寬度、間隙或直徑差、粗糙度符合GB 3836.1—2010的規定，電機軸貫通部分設置圓筒式隔爆軸承蓋，并通過對軸貫通部分的m、k值進行優化計算，確定合適的隔爆間隙，增加運行可靠性。

(3) 限制外殼表面出現最高溫度。電動機在規定的工作條件下額定運行時電動機允許表面溫度符合GB 3836.1—2010的規定，其外殼表面溫度不應超過150 ℃(溫度計法) ，電纜引入口溫度不得高于電纜的允許溫度70 ℃，以保證電纜運行可靠。

(4)其它隔爆結構要素。接線盒內部裸露導體之間，裸露導體與金屬外殼之間的電氣間隙、爬電距離等符合GB 3836.3—2010的規定。緊固隔爆外殼的緊固件符合GB 3836.2—2010 的規定，連接用的螺栓裝有防松墊圈，以防螺栓自行松脫，螺栓和不透螺孔緊固后，留有大于2倍防松墊圈厚度的螺紋余量，外殼上不透螺孔的周圍及底部的厚度不小于3mm。一體機可靠接地防止漏電火花。

(5) 材料。機座、端蓋、接線盒等隔爆外殼用零件均選用鋼板Q345A；接線盒進線口密封圈，其材料要求邵爾氏硬度為45～55，符合GB 3836.1—2010附錄D3.3規定的老化試驗要求；接線盒內的接線板或端子套的絕緣部分采用耐泄痕性分級為Ⅱ級絕緣材料制成，材料符合GB 3836.1—2010規定的扭轉試驗要求。

通信接口部分符合GB 3836.4—2010《爆炸性環境 第4部分 由本質安全型“i”保護的設備》，本質安全型利用系統或電路的電氣參數達到防爆要求的，是從電路設計的初始就對電路在短路、開路或斷路以及誤操作等各種狀態下可能發生的電火花予以限制，使火花能量處在爆炸性混合物或易燃易爆氣體的最小點燃能量之下，使之成為安全火花，從爆炸發生的根本原因上解決防爆。因此，在防爆安全性設計方面做了如下考慮：一是限制電路的能量；二是控制電流產生的熱效應。

4.2 整機及機座結構設計

4.2.1 整機結構

礦用變頻調速一體機包含四個獨立的隔爆腔體，分別為整流逆變腔體，檢修維護腔體、電機本體腔體、電抗器腔體。其中整流逆變腔體位于一體機的正上方，檢修維護腔體位于整流逆變腔體和電機本體腔體之間，電抗器腔體位于一體機的非驅動端。各腔體之間均相互獨立。各腔體之間通過隔爆連接件連接在一起。檢修維護腔體在電機兩側面筋板上各開設個兩個檢修口，可以不必借用吊裝機械拆卸變頻器箱體蓋、變頻器各模塊及電抗器，就可以通過檢修口對一體機的各個部分進行檢修維護。礦用變頻調速一體機的整體結構如圖4所示。

圖4礦用變頻調速一體機的整體結構

整流逆變箱體結構形式采用前端為隔爆腔，尾部為接線腔和本安腔。上蓋采用螺栓緊固方式，保證了設備的隔爆性能，也避免了快開門在變頻器內部電容放電時間未到就開門的危險。考慮散熱、安裝、維護等要求，內部結構采用離散模塊化布置，內部所有器件都為平面化分布。各個單元都采用模塊化設計，獨立安裝，單元之間的關系全部采用快速接插件連接，既減少了整體體積，又方便拆裝檢修。整流逆變模塊的散熱采用水冷散熱方式，同時增加了預防冷凝水的措施。

4.2.2 機座結構

機座采用復合冷卻多層筒式結構(見圖5)，將傳統的水冷機座外筒增焊了散熱筋，并留有風冷通道，電動機的定子鐵心通過傳導方式由水直接冷卻，轉子內熱量由內風扇傳遞到機座的風冷通道，通過散熱片與冷水進行良好的熱交換，通過外筒將熱量擴散到周圍的冷空氣中。該結構不僅體積大大縮小，而且冷卻效果有較大提高，具有體積小、振動小、噪聲低、結構緊湊、整體鋼性好、溫升低等優點，最主要的特點是便于煤礦井下安裝。前后端蓋和電抗器箱也采用水冷結構，都含有防鼓脹結構。

圖5機座復合冷卻多層筒式結構

4.3 電機的水冷散熱結構

本臺電機的功率密度是普通電機的2～4倍，且帶有整流逆變模塊，發熱量很大，為有效散熱，冷卻方式采用機座水冷結構，整流逆變箱中帶水冷版的冷卻結構。采用變頻器水冷板與機座水路串連的形式(中間采用通水螺桿進行連接)，冷卻水通過變頻器的冷卻板通過機座連接進入前端蓋，從前端蓋出來流向機座，從機座出來后流向后端蓋，再經機座流向電抗器箱，如此進行循環，最終從電抗器箱上流出(見圖6)。機座水冷結構采用水阻較小的螺旋式水路結構，并且加大水路截面積，減小水阻。

圖6水路循環示意圖

4.4 ANSYS有限元的分析計算

采用有限元計算分析的方法，對一體機的水冷結構溫升計算、軸承最小載荷、臨界轉速、轉子強度和剛度、機座強度和剛度、水路強度以及各部件在1.5MPa壓力下爆炸強度的分析計算(見圖7、圖8、圖9、圖10、圖11)，并依據計算的結果對各部件進行了優化設計，減少設計時間，提高了設計精度，并為以后電機設計的有限元分析計算積累了良好的經驗。

圖7礦用變頻調速一體機近似溫升仿真計算

圖8軸強度校核

圖9轉子撓度校核

圖10機座1.5MPa爆炸強度分析結果

圖11整流逆變箱頂板應力圖

5 礦用變頻調速一體機的優越性

礦用變頻調速一體機，具有許多優點，如體積小、冷卻散熱簡單、效率高、振動小、調速范圍廣、適合煤礦井下工況需求，且具有信號傳輸穩定、使用方便和維修方便等優點，特別適用于安裝在煤礦開采所需的采煤機、掘進機、運輸機等設備上。礦用變頻調速一體機指引著未來煤礦設備用電機系統的發展方向。

5.1 體積小且結構緊湊

煤礦井下設備傳統的調速形式為液力耦合器調速或者變頻器+變頻電機進行調速：液力耦合器體積大，占用空間大，且效率較低；變頻器+變頻電機進行調速，由于變頻器和變頻電機分別為兩個獨立的單元，離散布置，占用空間大，且高壓電纜傳輸距離較長，易因電纜終端電壓反射造成電機端過電壓，影響電機的絕緣壽命。同時變頻器和電機分離設計，占用空間較大，不能滿足煤礦井下設備隨時移動和井下空間狹小的現狀。

而我公司研發的礦用變頻調速一體機，使變頻器和電機成為一個整體，可以隨時移動，避免電纜長距離傳輸產生的諧波，降低對電機絕緣的破壞。利用變頻器與電機集成設計和高功率密度電機設計技術，結構緊湊，大大減小一體化電機的體積，更加適用于煤礦井下采掘工作面空間狹小的環境，方便工作人員安全操作；同時利用電磁噪聲隔離和吸收技術，使整體噪聲減小，達到環保要求。

5.2 起動性能良好和節能效果明顯

煤礦井下驅動設備需要具備一定的調速功能，由于受起動性能的限制，需要增加軟起動裝置。例如：帶式運輸機中的皮帶是一個彈性體，在靜止或運行時皮帶內貯藏了大量的能量，在皮帶機起動過程中，如果不加設軟起動裝置，皮帶內貯藏的能量將很快釋放出去，在皮帶上形成張力波并迅速沿著皮帶傳輸出去。過大的張力波對皮帶及皮帶機架均有極大的破壞作用。并且電機起動會對電網造成沖擊，對周圍正常運行的設備造成干擾。因此在我國《煤礦安全規程》中有規定，帶式輸送機必須加設軟起動裝置。

目前我國煤礦井下設備的調速和軟起動裝置均采用的是液力耦合器，而隨著變頻技術的發展，變頻器調速與液力耦合器調速相比，更具有優良的起動性能和明顯的節能效果，而且變頻調速無機械磨損，可延長機械的維修間隔期，降低維修費用，深受煤礦業主的歡迎。

液力耦合器的效率隨著輸出轉速的降低而快速降低。一般情況下75%額定轉速時效率僅為70%左右，20%額定轉速時效率僅為20%左右；而一體機在輸出轉速降低時效率仍然較高，額定轉速時效率可達95%，20%額定轉速時效率僅降至90%，節能效果相當明顯。根據已采用變頻調速一體機的某項目測算，采用變頻一體機后，開采量可提升10%左右，系統效率可提升20%左右，節能效果顯著，由此創造的企業利潤很可觀，對煤礦生產企業很有吸引力。

5.3 保護措施齊全

本項目研制之初，進行了大量的調研，結合用戶的需求，采取了各種檢測保護措施。

5.4 具有檢修維護腔體，維護方便

由于采用變頻調速，一體機均有以下優點：(1)一體機具有高穩定性、可靠性、兼具防爆性，具備可在井下長期運行的質量指標；(2)做到了啟動過程平穩，低沖擊、大扭矩，低磨損。自適應能力強，能自動滿足輕、重負載下的各種起動特性；(3)保護齊全，不僅對電機有多項保護，而且解決了可控硅短路，真空接觸器粘連，漏電閉鎖回路抗高壓沖擊，過壓欠壓保護等問題，同時具有對變頻部分自身回路故障診斷和主機的智能化診斷功能。(4)便于遠程控制，同時傳輸時信號穩定可靠。

5.5 采用有限元分析計算進行指導設計

采用ANSYS有限元分析軟件對結構和電磁設計做指導，計算精度更高，避免了設計過程中的無謂失誤，大大提高了設計的效率和可靠性；通過優化電機的材料和結構參數，使電機各部分電磁場分布更加合理，減小電機體積，使電機損耗最小。為設計提供了有效、可靠的依據，先進、合理、實用，達到國內同行業領先水平。

但也因變頻調速，一體機具有以下缺點：(1)因產生脈沖電壓和諧波轉矩，易造成電機絕緣降低，噪聲加大；(2)易產生軸電流，破壞了軸承油膜，在軸承表面產生電弧放電麻點，導致軸承溫度升高甚至燒壞等。為此，我們也采取了措施來降低這些缺點的危害，如增加一體機的絕緣，在首末匝加強絕緣，來減小脈沖電壓對絕緣的沖擊。采用絕緣軸承等來消除軸電流等措施。

6 結語

本文簡要介紹了礦用變頻調速一體機的研制，一體機的工作原理及電磁設計和結構設計，并通過有限元分析計算對一體機進行優化設計。項目研制過程非常順利，現正在進行樣機制造。

礦用變頻調速一體機，具有許多優點，如體積小、冷卻散熱簡單、效率高、振動小、調速范圍廣、且具有信號傳輸穩定、使用方便和維修方便等優點，特別適用于安裝在煤礦開采所需的采煤機、掘進機、運輸機等設備上。

礦用變頻調速一體機各項性能指標都符合國家規定，符合國家節能減排、符合“中國制造2025”創新發展、智能制造的國家政策。該一體機屬高技術含量、高附加值產品，其技術水平居國內同行業領先水平對提高我公司在礦用電機市場競爭力，對增加企業經濟效益和為國家節約外匯有重要意義。

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[10] GB 3836.2，爆炸性環境 第2部分 由隔爆外殼“d” 保護的設備[S].

[11] GB 3836.3，爆炸性環境 第3部分 由增安型“e”保護的設備[S].

[12] GB 3836.4，爆炸性環境 第4部分 由本質安全型“i”保護的設備[S].

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ResearchandDevelopmentofFlameproofandIntrinsically-SafeVariable-FrequencyAdjustable-SpeedIntegratedMachineUsedinMine

YuJinleiandLiWei

(1.Tianjin Research and Development Center, Jiamusi Electric Machine Co.,Ltd.,Tianjin 300384, China；2.National Engineering Technology Research Center of Explosion-Proof Electric Machine, Jiamusi 154002, China)

This paper introduces the research and development processes of flameproof and intrinsically-safe variable-frequency adjustable-speed integrated machine used in mine, and emphatically describes variable- frequency adjustable-speed principle, electromagnetic design and structural design. The electromagnetic design and structural design of the machine are analyzed and optimized by ANSYS finite-element software, and superiority of the machine is introduced. The performance, innovation and technical economy of the machine are analyzed.

Flameproof and intrinsically-safe type；variable-frequency adjustable-speed；electromagnetic design；structural design；ANSYS finite-element analysis

TM357

A

1008-7281(2017)05-0003-007

黑龍江省應用技術研究與開發計劃重大項目(項目編號：GY2016ZB0236)

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.05.02

于金雷男1981年生；畢業于鄭州大學自動化專業，現從事礦用防爆電機設計及特種電機設計工作.

2017-04-24