中壓礦用隔爆兼本質安全型變頻調速一體機研制

摘 要以一臺1200kW 3.3kV 0～60Hz 4P礦用隔爆兼本質安全型變頻調速一體機的研制為例，從系統配置，變頻器設計，電機設計，結構設計等方面，并結合相關仿真及樣機試驗，防爆認證等說明研制取得了成功。

【關鍵詞】中壓 隔爆 本質安全型 變頻調速 一體機

隨著煤礦行業的整合發展，礦用設備也在往大型化，變頻調速節能化，集成化，智能化方向發展，做為礦用設備拖動機的電動機功率隨之增大，為節能降耗，節省空間，降低電纜成本，煤礦井下配電電網正在逐步過渡到中壓3.3kV等級，為適應這一變化，湘潭電機公司提出研制礦用隔爆兼本質安全型變頻調速一體機（以下簡稱一體機）。

一體機是將變頻技術、電機技術與隔爆技術結合，變頻器與電動機集成的行走一體機，是機電一體化產品，體積小，功率密度大，節能高效，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備。

1 設計要素

1.1 系統設計

根據礦用設備運行工況，輸入輸出特性，功能特性，一體機防爆標志為Ex d [ib]ⅠMb，防爆性能按照GB3836.1-2010，GB3836.2-2010以及GB3836.4-2010的要求。總體結構設計成水冷結構，變頻器模塊裝在隔爆箱體內，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。一體機系統按圖1配置。

1.2 變頻器設計

變頻器主要包括濾波器，整流器，預充電單元，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6脈波整流，12脈波整流可降低網側諧波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撲結構，與兩電平拓撲結構相比，dv/dt減小50%，對電動機絕緣系統的沖擊大幅減小。

直流支撐電容是決定變頻器產品維護周期和使用壽命的關鍵因素，直流支撐電容按照寄生電感小，寄生電阻小、發熱少，有自愈性、長壽命的原則進行設計。

變頻器功率單元按照模塊化設計，每個功率單元對外有統一的接線端口，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，其水路按并聯設計，每個功率單元下都有對應的冷卻單元。按照功率單元的發熱量設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，變頻器設計需滿足高性能的矢量控制，多機負載均衡性控制，高可靠的遠程連鎖控制。變頻器的控制單元按照模塊化設計，控制端子進行防呆設計。

變頻器加速、減速時間在2～2000s范圍內任意設定，頻率滿足人機界面設定、模擬量設定、多段速設定、遠程通訊設定等多種設定方式，頻率設定精度0.01Hz。

1.3 電動機設計

電動機主要包括定子、轉子、端蓋、軸承等部件，電動機滿足GB3836.2-2010規定的隔爆要求。

1.3.1 電動機由變頻電源供電，首先要進行絕緣結構設計

根據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的局部放電量大，定子繞組端部出槽口處電位差大，會產生嚴重的電暈放電，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生電暈放電，提高電機絕緣可靠性。

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

1.3.2 電磁設計

電磁設計通過采用合適的絕緣結構，合理的槽配合，槽形結構，優化電、磁、熱等負荷的選取，合理分配各項損耗。電磁設計采用路場結合，首先根據性能指標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動態仿真分析，得出優化的電磁方案。

1.3.3 結構設計

結構設計滿足Ex dIMb的要求，并根據機座凸緣懸掛的特殊安裝方式，進行機座等主要結構件力學性能計算，并結合有限元仿真分析對相關結構件進行優化，確保各部件承受最大應力和變形量滿足要求。

轉軸設計成剛性結構，一階臨界轉速在1.3倍最大工作轉速以上。

1.3.4 通風散熱設計

機座及端蓋采用水夾層結構，機座上設計螺旋水道，端蓋上設計環形水道。定、轉子鐵芯上設計軸向通風道，由內風扇驅動形成內風路，使電動機內部溫度分布更均勻。

1.4 防潮設計

一體機多運行在礦井下，比較潮濕，在各結合面處設置密封條，一體機內部設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（50Hz試驗值）如表1所示。

由試驗結果可知，一體機各項性能指標均優于相關技術標準的保證值，效率及功率因數高，振動小，噪聲低，溫升低，達到了預期目標。

3 樣機防爆認證

樣機分別在湘潭電機公司和防爆認證機構進行防爆認證試驗，各項指標全部合格，樣機YJVFT -500M-4（1200kW/3300V）已經取得國家防爆認證機構頒發的防爆合格證，礦用產品安全標志證書，全國工業產品生產許可證。

4 結論

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

參考文獻

[1]陳世坤.電機設計（第2版）[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2]陳伯時，陳敏遜交流調速系統[M].北京：機械工業出版社，1998.

作者簡介

霍華鋒（1978-），男，河南省平輿縣人。大學本科學歷。工程師，從事電機設計。

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