段淑貞，秦 斌，劉憬奇，姚 鵬

(1.山西防爆電機(jī)(集團(tuán))有限公司，山西長治 046011;2.上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200063)

0 引 言

變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)是21世紀(jì)電機(jī)行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)之一。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及控制理論的發(fā)展，變頻器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于交流電動(dòng)機(jī)的速度控制中，這種高性能的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。其最主要的特點(diǎn)是具有高效率的驅(qū)動(dòng)性能和良好的控制特性。應(yīng)用變頻調(diào)速系統(tǒng)可以節(jié)省大量的電能，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的現(xiàn)代化生產(chǎn)的主要技術(shù)手段之一。

相對(duì)而言，由于礦井內(nèi)傳動(dòng)設(shè)備需求和使用場(chǎng)所的特點(diǎn)，礦用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)對(duì)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)、絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等均提出了更高的要求。變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)是用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)變頻裝置供電的電動(dòng)機(jī)，兩者構(gòu)成變頻調(diào)速系統(tǒng)。針對(duì)礦用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的新要求，本文從變頻電源對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的影響及交流變頻調(diào)速電機(jī)的原理入手，具體分析了礦用交流變頻電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

1 電磁設(shè)計(jì)

1.1 普通變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)特點(diǎn)

對(duì)于一般用途的異步電動(dòng)機(jī)來說，電磁設(shè)計(jì)主要考慮五大性能指標(biāo)，即起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩(過載能力)、起動(dòng)電流、效率和功率因數(shù)，同時(shí)，溫升也是電動(dòng)機(jī)不可缺少的指標(biāo)之一。而變頻電動(dòng)機(jī)采用變頻器供電后，電動(dòng)機(jī)可以在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流方式起動(dòng)。因此，過載能力和起動(dòng)性能不需要過多考慮。但電動(dòng)機(jī)在非正弦電壓、電流下運(yùn)行，高次諧波會(huì)引起電動(dòng)機(jī)定子銅耗的增加，使電動(dòng)機(jī)額外發(fā)熱，效率降低，溫升增加。為了改善電動(dòng)機(jī)對(duì)變頻器電源的適應(yīng)能力，電磁計(jì)算時(shí)應(yīng)盡可能地減少定子和轉(zhuǎn)子電阻，以減小基波銅(鋁)耗，彌補(bǔ)高次諧波引起的銅耗增加。另外，考慮到高次諧波會(huì)加深磁路飽和，變頻電動(dòng)機(jī)的主磁路一般設(shè)計(jì)成不飽和狀態(tài)。綜上所述，變頻電動(dòng)機(jī)在電磁計(jì)算時(shí)，電磁負(fù)荷要留有一定裕度來改善電動(dòng)機(jī)對(duì)非正弦波電源的適應(yīng)能力。

1.2 礦用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)新特點(diǎn)

考慮到井下對(duì)電機(jī)隔爆結(jié)構(gòu)及電機(jī)對(duì)其他安全性能的要求，礦用變頻電動(dòng)機(jī)在電磁計(jì)算時(shí)，電磁負(fù)荷要在普通用途的變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上增加一定的裕度。另外，根據(jù)礦用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)對(duì)更有利于散熱的要求，在電機(jī)電磁參數(shù)設(shè)計(jì)如定子導(dǎo)體材料參數(shù)的選擇上，保證定子繞組每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)不變的前提下，盡量選擇多的并繞根數(shù)和小線規(guī)。

2 絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 一般用途電動(dòng)機(jī)在變頻器供電時(shí)絕緣破壞的原因

一般用途電動(dòng)機(jī)繞組的絕緣耐電壓水平是針對(duì)正常運(yùn)行電壓而言的。在變頻電源作用下，由脈寬調(diào)制(PWM)變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電壓上，出現(xiàn)浪涌電壓和電暈現(xiàn)象，線圈匝間絕緣有時(shí)承受的電壓要比正常高出數(shù)十倍，所以變頻電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，必須特別考慮絕緣問題。防止繞組產(chǎn)生有害的電暈電壓，防止因反復(fù)施加脈沖電壓而引起絕緣老化，影響電機(jī)使用壽命。

2.2 改進(jìn)措施

(1)山西防爆電機(jī)(集團(tuán))有限公司的變頻電機(jī)選用耐電暈的專用漆包線和繞包線，選用耐電暈且容易被絕緣漆浸透的絕緣材料和低揮發(fā)性聚酯型無溶劑樹脂。

(2)為了取得無氣隙絕緣，在選用絕緣材料時(shí)，應(yīng)注意選用容易放到電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)中的各個(gè)部位、能充分填充繞組間空隙的絕緣材料。采用真空壓力沉浸工藝，使浸漬樹脂滲透到各個(gè)部位。

(3)耐電暈線在使用過程中，如果拉伸或受力，抗電暈性能都會(huì)大幅下降。因此，對(duì)于繞線、嵌線、綁扎等加工工藝必須嚴(yán)加管理，特別是在繞線、嵌線過程中防止損傷導(dǎo)線。嵌線過程應(yīng)保證槽絕緣、層間絕緣、相間絕緣放到位，線圈端部應(yīng)綁扎牢固，確保端部成為一個(gè)整體。

(4)礦用變頻電機(jī)因?yàn)槭褂铆h(huán)境潮濕、惡劣，對(duì)絕緣材料、浸漬樹脂及浸漬工藝都必須精工細(xì)作，確保礦用變頻電機(jī)的防潮性能良好，滿足防潮電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)要求，并確保浸漬樹脂有較長的儲(chǔ)存期。

2.3 礦用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)的新要求

礦用變頻電機(jī)，因?yàn)槭褂铆h(huán)境潮濕、惡劣，不僅要求對(duì)絕緣材料、浸漬樹脂及浸漬工藝都要精工細(xì)作，還要確保礦用變頻電機(jī)的防潮性能良好，滿足防潮電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)要求，并確保浸漬樹脂有較長的儲(chǔ)存期。因此，在絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上增加了防潮和驅(qū)潮措施，并對(duì)絕緣漆的浸漬工藝進(jìn)行了強(qiáng)化。

另外，相對(duì)于小功率變頻電機(jī)，大功率礦用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)線圈的匝數(shù)很少，線圈匝間承受的匝間電壓要比小功率電機(jī)的匝間電壓高很多倍甚至幾十倍。此外，由于大功率礦用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的繞組電流大，它將會(huì)在繞組間產(chǎn)生很大的相互電磁作用力，繞組端部也將承受較大的電磁相互作用力，這些作用力使得繞組的導(dǎo)體間有發(fā)生相對(duì)位移的傾向。特別是由變頻器供電時(shí)，與正弦波供電相比，電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)要承受更高的介電應(yīng)力，尤其對(duì)接近電源引入處的繞組匝間絕緣產(chǎn)生重大影響，絕緣結(jié)構(gòu)承受更高的介電應(yīng)力。

針對(duì)這些大功率礦用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，加強(qiáng)了繞組絕緣的機(jī)械強(qiáng)度和線圈繞組首尾匝的絕緣，研究與挑選了耐電暈的絕緣材料，以提高整個(gè)絕緣結(jié)構(gòu)的耐沖擊、耐電暈性能。

3 機(jī)械和冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)應(yīng)主要考慮非正弦電源對(duì)變頻電機(jī)的振動(dòng)、噪聲、冷卻方式等方面的影響。

3.1 電機(jī)振動(dòng)、噪聲問題及其解決措施

除電磁設(shè)計(jì)時(shí)選擇已使用過的電磁噪聲低的定、轉(zhuǎn)子槽配合外，要充分考慮電動(dòng)機(jī)構(gòu)件及整體的剛性，如機(jī)座筒比普通電動(dòng)機(jī)加厚，增加底腳孔處的剛度，盡量提高其固有頻率，以避開與各次力波產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

3.2 冷卻問題的解決

根據(jù)礦井下水資源豐富的特點(diǎn)，首先確定了電機(jī)采用隔爆水冷的復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，但在設(shè)計(jì)上采用了新的設(shè)計(jì)思路:如YBPSS500、YBPS400為了適應(yīng)煤礦井下場(chǎng)地狹窄、工作環(huán)境復(fù)雜，設(shè)計(jì)了隔爆型復(fù)合冷卻方式(見圖1)，機(jī)座采用多層筒式結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)的水冷機(jī)座外筒增焊了散熱筋，并留有風(fēng)冷通道，電動(dòng)機(jī)的定子鐵心通過傳導(dǎo)方式由水直接冷卻，轉(zhuǎn)子內(nèi)熱量由內(nèi)風(fēng)扇傳遞到機(jī)座的風(fēng)冷通道，通過散熱片與冷水進(jìn)行良好的熱交換，通過外筒將熱量擴(kuò)散到周圍的冷空氣中。實(shí)踐證明采用這種結(jié)構(gòu)不但體積大大縮小，而且冷卻效果有較大提高，具有體積小、振動(dòng)小、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊、整體鋼性好、溫升低等優(yōu)點(diǎn)，最主要的特點(diǎn)是便于煤礦井下安裝。

圖1 復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)

對(duì)于低轉(zhuǎn)速的變頻電動(dòng)機(jī)一般采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，即主電機(jī)散熱風(fēng)扇采用獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

4 軸電流的防止

由于變頻電源的非正弦性，電動(dòng)機(jī)內(nèi)極易形成不對(duì)稱磁路，從而產(chǎn)生軸電流。當(dāng)不同高頻分量所產(chǎn)生的電流疊加在一起時(shí)，軸電流大為增加。

4.1 普遍使用的簡(jiǎn)易軸承室絕緣及其缺點(diǎn)

在軸承室內(nèi)膛粘貼絕緣材料(聚四氟乙烯薄膜)，在軸承與內(nèi)外蓋間加墊絕緣板，切斷軸電流通路，這種使軸承絕緣結(jié)構(gòu)在粘貼絕緣材料時(shí)需特殊工藝，且裝配與拆卸過程中容易使涂層卷邊。

4.2 使用絕緣軸承的優(yōu)點(diǎn)

絕緣軸承可以完全有效地阻斷軸電流的必經(jīng)回路，電機(jī)可靠性提高，但缺點(diǎn)是成本較高，且大電機(jī)配套使用的軸承無備件、訂貨周期長。

4.3 新設(shè)計(jì)的夾層絕緣軸承室的特點(diǎn)

在軸承室內(nèi)增加軸承襯套，軸承套與軸承襯套之間夾絕緣材料，在軸承與內(nèi)外蓋間加墊絕緣板，這種結(jié)構(gòu)不容易損壞絕緣層，且軸承室內(nèi)膛精度容易保證。

5 結(jié)語

山西防爆電機(jī)(集團(tuán))有限公司礦用變頻電動(dòng)機(jī)的制造已超過5年，市場(chǎng)前景良好。已生產(chǎn)的礦用變頻電機(jī)有YBPSS500 1 140 V、YBPSS400 1 140 V、YBBPF900-10 6 000 V等十余種規(guī)格，使用結(jié)果表明:該公司生產(chǎn)的變頻電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)基本能夠滿足用戶的使用要求，質(zhì)量處于可控狀態(tài)。

[1]電機(jī)工程手冊(cè)編委會(huì).電機(jī)工程手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

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