楊樞林，馮東升

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

0 引言

煤礦井下輸送機是煤礦井下主要設(shè)備之一，其工況特點是帶載起動、輸煤量變化較大。為了滿足這一工況的需求，把電機功率配的較大，以獲得較大的起動轉(zhuǎn)矩，滿足特殊大煤量時的需求。根據(jù)調(diào)查，電機平均工作功率大約只有額定功率的50%，這樣不但會造成大量電能的浪費，而且在起動過程中造成的電氣、機械沖擊會嚴重影響機電設(shè)備的正常使用，縮短了設(shè)備的使用壽命，特別是隨著煤礦產(chǎn)煤量的增加，這一問題表現(xiàn)的更加突出。因此，近年來，人們在不斷探求新型輸送機驅(qū)動方案，而開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)(SRD)在煤礦井下輸送機中的應用與研究也有了重大突破。

1 工作原理和結(jié)構(gòu)

SRD由開關(guān)磁阻電動機(SRM)和控制器組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)樞圖

SRM為定、轉(zhuǎn)子雙凸極結(jié)構(gòu)。定子極上裝有集中繞組，嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，適用于各種惡劣高溫環(huán)境;轉(zhuǎn)子既無繞組，也無永磁體，可工作于極高轉(zhuǎn)速。現(xiàn)在開發(fā)的產(chǎn)品主要有8/6極、12/8極結(jié)構(gòu)。圖2為一三相、12/8極的SRM結(jié)構(gòu)示意圖，其定子上每四個極的繞組相連接，構(gòu)成A、B、C三相繞組，當某相繞組通電時，將產(chǎn)生一個使鄰近轉(zhuǎn)子極與該相繞組軸線相重合的電磁轉(zhuǎn)矩。順序?qū)Ω飨嗬@組通電(如A—B—C—A…)，則可使轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動;改變通電次序，可改變電動機轉(zhuǎn)向?？刂圃撾娏鞯拇笮『屯〝嚯姇r刻，可以改變轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，還可以實現(xiàn)制動運行。該電動機結(jié)構(gòu)十分簡單堅固，控制也十分方便。

圖2 SRM結(jié)構(gòu)示意圖

為了檢測電動機轉(zhuǎn)子的瞬時位置和轉(zhuǎn)速，在SRM上裝有傳感器，它能及時把轉(zhuǎn)子相對定子的位置反饋給控制電路。

圖3表示控制器中的功率電路。三相交流電源經(jīng)二極管整流橋V轉(zhuǎn)換為直流電源。6個絕緣柵雙極晶體管(IGBT)功率開關(guān)和續(xù)流二極管組成三相半橋式逆變電路，分別向電動機三相繞組供電。當一相功率開關(guān)(如TA、T′A)導通時，經(jīng)端子(A1、A2)向電動機繞組(A組)通電。當功率開關(guān)斷時，該繞組通過續(xù)流二極管(DA、D′A)向電容器C續(xù)流和回饋能量，并使電流迅速降至零。

圖3 功率電路示意圖

控制電路的作用是根據(jù)外部操作控制要求和電動機實際運行情況連續(xù)調(diào)節(jié)輸出信號，以通過驅(qū)動電路和功率電路改變電動機的通電，使之達到規(guī)定的運行要求，如轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電動與制動等，并處于最佳工作狀態(tài)。

2 SRD的特點

SRD具有連續(xù)調(diào)速范圍寬、電動機結(jié)構(gòu)簡單、功率電路可靠、系統(tǒng)效率高、起動電流小、轉(zhuǎn)矩大(在30%的額定電流下，起動轉(zhuǎn)矩可高達150%)、SRM的可控參數(shù)多、控制方式靈活、容錯性好、轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無關(guān)、堵轉(zhuǎn)電流極小、成本低等優(yōu)點。但是SRD也存在如振動噪聲大、低速轉(zhuǎn)矩脈動大等不足，隨著有關(guān)研究的深入，這些缺點正在被逐步克服。綜上所述，SRD特別適合重載起動和較長時間低速重載運行、頻繁起停及反向轉(zhuǎn)換運行的設(shè)備，如煤礦設(shè)備中的絞車，各種輸送機、采掘設(shè)備、頻繁換向的刨煤機等。

3 SRD在煤礦輸送機中的應用

煤礦井下輸送機是把井下采掘的原煤輸送到井上的一種重要設(shè)備，也是井下使用動力最多的設(shè)備之一。單臺電機功率為22～1 800 kW，其中使用較多的是250～400 kW，研究此功率范圍的驅(qū)動系統(tǒng)，對煤礦的應用意義重大。首先確定研究課題，第一步為280 kW×2皮帶運輸機用驅(qū)動系統(tǒng)，第二步為400 kW×2皮帶輸送機用驅(qū)動系統(tǒng)，對SRD來講在國內(nèi)都是首次。

3.1 SRD在研究過程中存在的問題及解決方案

3.1.1 SRD發(fā)熱問題

文獻[1]對所做的樣機進行了試驗分析，分析結(jié)果為:銅耗占50.6%，鐵耗占29.8%，機械損耗和雜散損耗共占19.6%。從這個結(jié)論中得出銅耗占主要部分。

由于KCB 40 kW定子槽的利用率較高，繞組的導線截面一般選擇較大，因此KCB 400 kW銅耗比一般同功率低壓電機小一點，但其損耗主要大在鐵耗上。

因為小功率的SRM要比同功率的交流異步電動機的銅耗小，總體效率也較高，所以小功率SRM的溫升與同功率的交流異步電動機區(qū)別不大，甚至還要低。但是隨著功率的增加，體積相應變大，鐵耗占的比例也和交流異步電動機一樣越來越大，如表1所示。

表1 Y2系列部分三相異步交流電動機銅耗、鐵耗所占百分比

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著功率的增加鐵耗占的比例越來越大。交流異步電動機的比損耗計算公式為:

SRM與交流異步電動機的結(jié)構(gòu)不同，不能按式(1)計算，但頻率的增加，肯定會導致比損耗加大，而且SRM基波頻率往往高達200 Hz以上，轉(zhuǎn)子鐵耗不能忽略不計。因此，大功率SRM的鐵耗是影響其溫升的一個主要方面。這就說明現(xiàn)有的SRM設(shè)計理論還不夠完善，尤其是對鐵心損耗的計算還沒有形成一種成熟的理論。鐵心中磁通的波形及其變化規(guī)律與轉(zhuǎn)速、斬波電流、開通角、關(guān)斷角等關(guān)系密切，其變化規(guī)律要比異步電動機復雜的多，而且異步電動機的鐵耗到目前為止還沒有一個很好的數(shù)學模型，在相當程度上還要靠經(jīng)驗。因此，更不能預見SRM的鐵耗。鐵耗的研究將是SRM研究的核心問題。

在本系統(tǒng)的SRM改進設(shè)計中，針對其溫升問題，適當?shù)卦黾恿髓F心長度，采用了H級絕緣，選用了低損耗的硅鋼片，對轉(zhuǎn)子沖片進行了絕緣處理，對電機的冷卻方式也進行了改進。通過這些措施的實施，滿足了本系統(tǒng)SRM的可靠運行。

3.1.2 SRM的定子繞組絕緣問題及解決方案

在SRM電動機的試驗和使用過程中發(fā)生了嚴重的匝間短路問題。前兩臺KCBS 400 kW電動機，電壓等級1 140 V，在試驗臺做型式試驗過程中，先后發(fā)生匝間短路事故，開始分析認為是電動機繞組溫度高，而電磁線選用了一般的155℃F級電磁線。因此，繞組局部溫度高，造成匝間絕緣老化而損壞。事實證明這個分析判斷是錯誤的。

當對定子繞組采用H級絕緣電磁線兩次浸漆，并對電動機的冷卻進行改進后，型式試驗順利通過。但將其投入一地面皮帶機使用不到半年時間，兩臺電動機幾乎在同一時間發(fā)生繞組故障，打開電動機對其進行檢查分析，仍然是匝間絕緣破壞所致。最后經(jīng)過認真分析，把繞組匝間短路的原因初步確定為輸出電壓的高頻諧波所為。開關(guān)控制柜與一般變頻器有許多類似之處，它也采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)功率器件，輸出波形采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，所不同的是變頻器輸出波形為近似正弦波，開關(guān)控制柜輸出的是近似方波，但它們有一個共同點，就是載波頻率極高，可達20 kHz，產(chǎn)生的峰值電壓約為基波電壓的3倍，尤其是既是集中繞組又是散嵌繞組，相鄰兩匝可能是一個線圈的前匝與后匝的線圈。根據(jù)有關(guān)試驗可知，當匝間電壓達到尖峰電壓并超過800 V時，一般的漆包線將開始局部放電，擊穿絕緣體造成匝間損壞，如圖4所示。

圖4 漆包線局部放電圖

另外，由于放電產(chǎn)生的電腐作用，在空氣隙中又會產(chǎn)生空間電荷，從而形成一個與外加電場反向的感應電場。當電壓極性改變時，該反向電場與外加電場方向一致。這樣一個更高的電場產(chǎn)生，它會導致局部放電數(shù)量增加，導致匝間絕緣擊穿。測試表明，作用于這些絕緣的電壓沖擊嚴酷程度取決于導線特定的性能和PWM驅(qū)動電流的上升時間。如果上升時間小于0.1 ns，那么將有80%的電勢加在繞組的前兩匝上，即上升時間越短，電壓沖擊就越大，匝間絕緣的壽命就越短。

通過上述分析，要提高電機的壽命，須防止匝間絕緣擊穿。目前，國內(nèi)外許多生產(chǎn)廠家都采用防電暈電磁線，其漆膜結(jié)構(gòu)基本含蓋兩種技術(shù)，一種是復合膜技術(shù)、一種是混含膜技術(shù)，防暈機理各生產(chǎn)廠家均有論述。此類漆包線在市場銷售的主要有美國杜邦公司的Dvpont Reliawire TM、日本日立公司的 KMKED-20E，中國的 Q(ZY/XX)-2 200C等。在這些漆包線中，國外產(chǎn)品優(yōu)勢較大，尤其是在耐高頻尖峰電壓方面，性能優(yōu)越。國產(chǎn)的電磁線剛起步，指標基本能滿足，但性能不穩(wěn)定。

除選用防電暈漆包線，絕緣工藝也是關(guān)鍵之一。如前所述，SRM如果存在氣隙，在高頻脈沖電壓的作用下，在空隙中就會產(chǎn)生電荷，引起絕緣損壞。因此，在繞組中要盡量做到無氣隙。目前，解決的辦法主要是選用聚脂無溶劑樹脂浸漬漆，并與VPI整浸工藝相配套，可使氣隙最小化。

按照上文分析，KCB 400 kW電動機選擇了防電暈電磁線，并采用VPI整浸工藝，3次浸漆，使繞組中氣隙盡可能的小，經(jīng)過這樣處理的繞組，KCB 400 kW電動機已使用一年多，未見匝間故障，而且以后生產(chǎn)的各種功率的電動機都沒有匝間短路。

3.1.3 防爆開關(guān)控制柜的過冷凝露問題及處理

隨著SRD在井上皮帶機的成功使用，已經(jīng)具備了在井下輸送機的試驗條件，井下皮帶機最初選擇KCBS 280 kW×2雙驅(qū)系統(tǒng)，在試驗運行時，電動機幾乎沒有出什么問題，但開關(guān)柜使用一段時間后連續(xù)發(fā)生IGBT爆裂的問題。經(jīng)分析，導致器件爆裂的原因是其周圍的冷凝水造成對地擊穿。對冷卻結(jié)構(gòu)進行了改進:一是增加循環(huán)風冷，使腔體內(nèi)的溫度均勻;二是根據(jù)腔體內(nèi)溫度來控制冷卻水的通斷，使腔內(nèi)溫度保持在規(guī)定范圍。這些措施的采用，避免了功率器件對地擊穿現(xiàn)象的發(fā)生。KCBS 280 kW×2雙驅(qū)系統(tǒng)的研制成功，為下一步KCBS 400 kW×2雙驅(qū)系統(tǒng)用于井下輸送機創(chuàng)造了條件。

3.2 SRD取得的成果

KCBS 400 kW電動機調(diào)速系統(tǒng)成功解決了電動機的發(fā)熱問題、繞組匝間短路問題、控制柜的溫度恒定均勻問題，以及在井下應用的隔爆問題。解決了井下皮帶機在起動過程中的電氣沖擊、機械沖擊，延長了使用壽命、減少了維護保養(yǎng)時間，實現(xiàn)了根據(jù)出煤量的大小調(diào)整轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了節(jié)能。

4 結(jié)語

隨著煤礦的發(fā)展，使用大功率輸送機的場合越來越多，進一步研究電動機的發(fā)熱問題，是SRD能否向更大功率發(fā)展的一個關(guān)鍵因素。研制出難度更大的在井下刨煤機上使用的SRD來替代價格昂貴的進口產(chǎn)品，研制出集控制器和電動機為一體的產(chǎn)品，更加方便用戶使用，提高產(chǎn)品的可靠性，使SRD的技術(shù)優(yōu)勢真正轉(zhuǎn)化為井下輸送機驅(qū)動系統(tǒng)的產(chǎn)品優(yōu)勢。

[1]吳建華.開關(guān)型磁阻電機設(shè)計與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2000.

[2]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2004.

[3]黃國治，傅豐禮.Y2系列三相異步電動機技術(shù)手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，2005.

[4]GB/T 21209—2007，變頻器供電籠型感應電動機設(shè)計和性能導則[S].2007.