摘 要以一臺1200kW 3.3kV 0～60Hz 4P礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻調(diào)速一體機的研制為例，從系統(tǒng)配置，變頻器設(shè)計，電機設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面，并結(jié)合相關(guān)仿真及樣機試驗，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

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)備拖動機的電動機功率隨之增大，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，為適應(yīng)這一變化，湘潭電機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（以下簡稱一體機）。

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

1 設(shè)計要素

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)礦用設(shè)備運行工況，輸入輸出特性，功能特性，一體機防爆標(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?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計成水冷結(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，水冷卻板裝在電動機上端平面上，變頻器與電動機通過水冷卻板的連接集成在一起。一體機系統(tǒng)按圖1配置。

1.2 變頻器設(shè)計

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%，對電動機絕緣系統(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、長壽命的原則進行設(shè)計。

變頻器功率單元按照模塊化設(shè)計，每個功率單元對外有統(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，每個功率單元下都有對應(yīng)的冷卻單元。按照功率單元的發(fā)熱量設(shè)計水冷卻板的換熱能力。

由于一體機需滿足單機拖動或多機同步拖動的要求，變頻器設(shè)計需滿足高性能的矢量控制，多機負(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，控制端子進行防呆設(shè)計。

變頻器加速、減速時間在2～2000s范圍內(nèi)任意設(shè)定，頻率滿足人機界面設(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 電動機設(shè)計

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

1.3.1 電動機由變頻電源供電，首先要進行絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)變頻電源的諧波含量和dV/dt值以及使用工況對過載能力的高要求，電動機采用H級絕緣，相對F級絕緣，H級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，會產(chǎn)生嚴(yán)重的電暈放電，首先對定子繞組匝間絕緣采用云母繞包電磁線，增加匝絕緣厚度，加強匝間耐高頻脈沖老化的性能；其次增加對地絕緣厚度，對定子繞組進行防暈處理，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，保證電機運行期間不產(chǎn)生電暈放電，提高電機絕緣可靠性。

電動機非驅(qū)動端采絕緣端蓋，切斷由軸電壓引起的軸電流，保護軸承不受電蝕，提高軸承運行質(zhì)量。

1.3.2 電磁設(shè)計

電磁設(shè)計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，合理分配各項損耗。電磁設(shè)計采用路場結(jié)合，首先根據(jù)性能指標(biāo)采用磁路法進行電磁方案計算，然后進行二維電磁場和系統(tǒng)動態(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

結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足Ex dIMb的要求，并根據(jù)機座凸緣懸掛的特殊安裝方式，進行機座等主要結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能計算，并結(jié)合有限元仿真分析對相關(guān)結(jié)構(gòu)件進行優(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

機座及端蓋采用水夾層結(jié)構(gòu)，機座上設(shè)計螺旋水道，端蓋上設(shè)計環(huán)形水道。定、轉(zhuǎn)子鐵芯上設(shè)計軸向通風(fēng)道，由內(nèi)風(fēng)扇驅(qū)動形成內(nèi)風(fēng)路，使電動機內(nèi)部溫度分布更均勻。

1.4 防潮設(shè)計

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

2 樣機驗證

以一臺1200kW 3.3kV 0～60Hz 4極一體機為研制對象，采用上述措施進行樣機試制。通過模擬一體機現(xiàn)場IMB10特殊安裝方式，與拖動機對拖進行型式試驗，主要性能指標(biāo)（50Hz試驗值）如表1所示。

由試驗結(jié)果可知，一體機各項性能指標(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，振動小，噪聲低，溫升低，達到了預(yù)期目標(biāo)。

3 樣機防爆認(rèn)證

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

4 結(jié)論

樣機試制成功并順利通過防爆認(rèn)證，表明湘潭電機公司的一體機研制取得了成功，對一體機的國產(chǎn)化具有重要的推動意義。

參考文獻

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[2]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

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

作者單位

湘潭電機股份有限公司電機研究所 湖南省湘潭市 411101