，

(1佳木斯電機(jī)股份有限公司天津研發(fā)中心，天津 300384；2國(guó)家防爆電機(jī)工程技術(shù)研究中心，黑龍江佳木斯 154002 )

礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻調(diào)速一體機(jī)的研制

于金雷1，2，李薇1，2

(1佳木斯電機(jī)股份有限公司天津研發(fā)中心，天津 300384；2國(guó)家防爆電機(jī)工程技術(shù)研究中心，黑龍江佳木斯 154002 )

介紹了礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻調(diào)速一體機(jī)的研制過(guò)程，重點(diǎn)電機(jī)變頻調(diào)速原理，電磁設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)用ANSYS有限元進(jìn)行軟件對(duì)電磁設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析優(yōu)化設(shè)計(jì)，介紹了一體機(jī)的優(yōu)越性。對(duì)該電機(jī)的性能、創(chuàng)新性及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。

隔爆兼本質(zhì)安全型；變頻調(diào)速；電磁設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；ANSYS有限元分析

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速的范圍不斷擴(kuò)大，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。但是在煤礦井下，變頻器和電機(jī)還是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的單元，有不適于井下作業(yè)的缺點(diǎn)，如諧波電流過(guò)大，易導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱量增加，縮短電機(jī)的壽命；井下高壓傳輸電纜較長(zhǎng)，導(dǎo)致電纜終端電壓反射造成電機(jī)側(cè)過(guò)電壓，從而影響電機(jī)的絕緣壽命、變頻器的冷卻、抗震及防腐蝕工藝等。與此同時(shí)，為達(dá)到節(jié)能減排的國(guó)家政策要求，使得研制礦用變頻調(diào)速一體化電機(jī)的呼聲日趨高漲。因此我公司根據(jù)形勢(shì)需要，進(jìn)行了礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻調(diào)速一體機(jī)(以下簡(jiǎn)稱礦用變頻調(diào)速一體機(jī))研制，并獲得2016年度黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃重大項(xiàng)目支持。

1 礦用變頻調(diào)速一體機(jī)的性能指標(biāo)及主要技術(shù)要求

型號(hào): 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(zhuǎn)速:1490r/min；額定轉(zhuǎn)矩：7640Nm；相數(shù):3相；定子繞組接法：Y；防護(hù)等級(jí)：IP56；絕緣等級(jí):180(H)級(jí)；冷卻方式: IC3W7(水冷)；安裝方式:IMB10；旋轉(zhuǎn)方向:逆時(shí)針；定額: S1( 連續(xù)工作制)；防爆標(biāo)志: Exd[ib]IMb；效率:92.5%(全頻段)；噪聲限值:104 dB(A) (聲功級(jí))；振動(dòng)限值: 2.8mm/s；一體機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩不得低于150%的額定轉(zhuǎn)矩。

負(fù)載特性：一體機(jī)頻率在50Hz以下范圍內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速段，其輸出轉(zhuǎn)矩不得低于額定轉(zhuǎn)矩的95%；50Hz～60Hz范圍內(nèi)為恒功率調(diào)速段，其輸出功率不低于額定功率的95%。

2 礦用變頻調(diào)速一體機(jī)的變頻調(diào)速原理

2.1 電機(jī)調(diào)速方案的確定

2.1.1 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速

由電機(jī)學(xué)可知，對(duì)于交流異步三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，有

n=60f1(1-s)/p

(1)

由式(1)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率s變化不大時(shí)，轉(zhuǎn)速n基本上正比于定子供電頻率f1。平滑的調(diào)節(jié)供電電源頻率就可以平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n。

變頻調(diào)速時(shí)，為了使勵(lì)磁電流和功率因數(shù)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(yùn)行時(shí)的額定磁通)，將引起磁路過(guò)飽和而使勵(lì)磁電流增加，功率因數(shù)降低。如果Φ<ΦN，電動(dòng)機(jī)將由于容許輸出轉(zhuǎn)矩下降，其功率得不到充分的利用而造成浪費(fèi)。因此在變頻調(diào)速時(shí)，一般要求磁通保持不變。

由定子電路的電動(dòng)勢(shì)方程式可見(jiàn)，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(shí)保持不變，則由式(2)可見(jiàn)UF/f1必須為定值，則UF必須與f1成比例的變化。

對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)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(guò)程中電動(dòng)機(jī)具有同樣的過(guò)載能力，在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速下的變頻裝置一般都是根據(jù)這個(gè)要求設(shè)計(jì)的。

電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為

(3)

式中，X1+X2′=2pf1(L1+L2′)

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

2.1.2 恒功率調(diào)速

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

(4)

2.2 變頻器調(diào)速方案的確定

2.2.1 交直交電壓型變頻電路

本次設(shè)計(jì)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(gòu)成。它先將電網(wǎng)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(diào)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(dǎo)體開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通率將輸出電壓控制成為正弦波狀。在三相高壓進(jìn)線電源處分別串聯(lián)一個(gè)大電感濾波器，近似恒流源，使進(jìn)線電源輸入不受負(fù)載影響，保證電源質(zhì)量。

在中間直流環(huán)節(jié)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(jīng)過(guò)逆變電路得到的交流輸出電壓，不受負(fù)載性質(zhì)影響。

2.2.2 矢量控制及控制回路

異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。矢量控制方法則是基于異步電機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的動(dòng)態(tài)模型，將定子電流分解為勵(lì)磁分量和與此垂直的轉(zhuǎn)矩分量，參照直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法，分別獨(dú)立的對(duì)兩個(gè)電流分量進(jìn)行控制，類似直流調(diào)速系統(tǒng)中的雙閉環(huán)控制方式，控制性能較好，從而改善了異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)控制性能。

為了實(shí)現(xiàn)其控制目的，需要將三相電流按坐標(biāo)變換的方法變換成二相電流，在二相坐標(biāo)系上確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流大小并分別進(jìn)行控制，再將二相電流變換成三相電流設(shè)定值，然后采用閉環(huán)控制實(shí)際電流的方式。

3 礦用變頻調(diào)速一體機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

3.1 電磁設(shè)計(jì)

電磁設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮變頻器的特性對(duì)電機(jī)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(chǎng)飽和，因此電機(jī)的磁密不宜設(shè)計(jì)的太高。考慮到變頻電機(jī)的溫升要比正常電機(jī)稍高，所以電負(fù)荷要設(shè)計(jì)的比正常電機(jī)低一些。由于水冷散熱較好，功率密度是普通電機(jī)的2～4倍。

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

變頻器特性對(duì)電機(jī)的影響，關(guān)鍵是要減小和限制諧波電壓和電流，對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)性能進(jìn)行研究，進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，使電機(jī)與變頻器很好地匹配，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)具備良好的性能；需要計(jì)算在不同工作頻率下的性能，包括基頻運(yùn)行性能計(jì)算和基頻上下運(yùn)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(jī)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(gè)繞組電壓的60%～70%，這大大加速了絕緣系統(tǒng)的老化。針對(duì)此情況，加強(qiáng)了電機(jī)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(jī)絕緣系統(tǒng)的老化。

3.2 有限元分析優(yōu)化設(shè)計(jì)

首先利用自主開(kāi)發(fā)的變頻三相異步電動(dòng)機(jī)電磁計(jì)算軟件進(jìn)行初步電磁計(jì)算，得出主要數(shù)據(jù)、性能曲線和起動(dòng)曲線。然后利用有限元進(jìn)行分析計(jì)算。

利用有限元仿真軟件Maxwell對(duì)電機(jī)進(jìn)行了仿真計(jì)算，包括空載、負(fù)載、堵轉(zhuǎn)、過(guò)載、變頻運(yùn)行等工況。搭建的模型見(jiàn)圖1。空載和負(fù)載磁密云圖見(jiàn)圖2、圖3。

圖1有限元仿真模型

并利用ANSYS對(duì)電機(jī)空載性能、額定負(fù)載、堵轉(zhuǎn)性能、過(guò)載性能、變頻運(yùn)行時(shí)電機(jī)性能仿真分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)。有限元計(jì)算的結(jié)果與磁路法計(jì)算結(jié)果在磁路數(shù)據(jù)和起動(dòng)性能上有些差別。通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，除實(shí)測(cè)的鐵耗值與計(jì)算值相差較大外，磁路法、有限元計(jì)算結(jié)果能夠很好的吻合，說(shuō)明了該電磁設(shè)計(jì)是比較合理的。

圖2電機(jī)空載磁密云圖

圖3電機(jī)負(fù)載磁密云圖

4 礦用變頻調(diào)速一體機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 隔爆兼本質(zhì)安全型結(jié)構(gòu)

礦用變頻調(diào)速一體機(jī)防爆問(wèn)題是設(shè)備研制的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。按照《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，在有瓦斯和煤塵爆炸危險(xiǎn)的礦井內(nèi)，必須使用防爆電氣設(shè)備，而防爆電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)必須符合GB 3836系列標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的一體機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的電氣設(shè)備，采用單一的防爆型式已經(jīng)不能滿足防爆性能的要求，故而采用的是復(fù)合防爆的型式：隔爆兼本質(zhì)安全型。整機(jī)安裝在隔爆外殼內(nèi)，其對(duì)外接口采用本安接口。

整機(jī)結(jié)構(gòu)按照GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第1部分 設(shè)備 通用要求》和GB 3836.2—2010 《爆炸性環(huán)境 第2部分 由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備》的規(guī)定制成隔爆型，防爆標(biāo)志為“ExdI”。防爆原理為：采用“隔爆外殼”把可能產(chǎn)生的火花、電弧和危險(xiǎn)溫度的電氣和機(jī)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(nèi)部發(fā)生爆炸，但是不允許爆炸生成物從電機(jī)內(nèi)部通過(guò)隔爆接合面竄到外殼外部，點(diǎn)燃周圍的爆炸性氣體混合物。因此，在防爆安全性設(shè)計(jì)方面做了如下考慮。

(1) 外殼強(qiáng)度。組成一體機(jī)隔爆外殼的結(jié)構(gòu)件：機(jī)座、端蓋、軸承內(nèi)蓋、接線盒座、接線盒蓋等，這些零件的強(qiáng)度需以通過(guò)相應(yīng)內(nèi)部爆炸壓力為基準(zhǔn)的靜壓試驗(yàn)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(guī)定，電機(jī)軸貫通部分設(shè)置圓筒式隔爆軸承蓋，并通過(guò)對(duì)軸貫通部分的m、k值進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，確定合適的隔爆間隙，增加運(yùn)行可靠性。

(3) 限制外殼表面出現(xiàn)最高溫度。電動(dòng)機(jī)在規(guī)定的工作條件下額定運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)允許表面溫度符合GB 3836.1—2010的規(guī)定，其外殼表面溫度不應(yīng)超過(guò)150 ℃(溫度計(jì)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(yùn)行可靠。

(4)其它隔爆結(jié)構(gòu)要素。接線盒內(nèi)部裸露導(dǎo)體之間，裸露導(dǎo)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(guī)定。緊固隔爆外殼的緊固件符合GB 3836.2—2010 的規(guī)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(jī)可靠接地防止漏電火花。

(5) 材料。機(jī)座、端蓋、接線盒等隔爆外殼用零件均選用鋼板Q345A；接線盒進(jìn)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(guī)定的老化試驗(yàn)要求；接線盒內(nèi)的接線板或端子套的絕緣部分采用耐泄痕性分級(jí)為Ⅱ級(jí)絕緣材料制成，材料符合GB 3836.1—2010規(guī)定的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)要求。

通信接口部分符合GB 3836.4—2010《爆炸性環(huán)境 第4部分 由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備》，本質(zhì)安全型利用系統(tǒng)或電路的電氣參數(shù)達(dá)到防爆要求的，是從電路設(shè)計(jì)的初始就對(duì)電路在短路、開(kāi)路或斷路以及誤操作等各種狀態(tài)下可能發(fā)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(diǎn)燃能量之下，使之成為安全火花，從爆炸發(fā)生的根本原因上解決防爆。因此，在防爆安全性設(shè)計(jì)方面做了如下考慮：一是限制電路的能量；二是控制電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)。

4.2 整機(jī)及機(jī)座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

礦用變頻調(diào)速一體機(jī)包含四個(gè)獨(dú)立的隔爆腔體，分別為整流逆變腔體，檢修維護(hù)腔體、電機(jī)本體腔體、電抗器腔體。其中整流逆變腔體位于一體機(jī)的正上方，檢修維護(hù)腔體位于整流逆變腔體和電機(jī)本體腔體之間，電抗器腔體位于一體機(jī)的非驅(qū)動(dòng)端。各腔體之間均相互獨(dú)立。各腔體之間通過(guò)隔爆連接件連接在一起。檢修維護(hù)腔體在電機(jī)兩側(cè)面筋板上各開(kāi)設(shè)個(gè)兩個(gè)檢修口，可以不必借用吊裝機(jī)械拆卸變頻器箱體蓋、變頻器各模塊及電抗器，就可以通過(guò)檢修口對(duì)一體機(jī)的各個(gè)部分進(jìn)行檢修維護(hù)。礦用變頻調(diào)速一體機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4礦用變頻調(diào)速一體機(jī)的整體結(jié)構(gòu)

整流逆變箱體結(jié)構(gòu)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(shè)備的隔爆性能，也避免了快開(kāi)門在變頻器內(nèi)部電容放電時(shí)間未到就開(kāi)門的危險(xiǎn)?？紤]散熱、安裝、維護(hù)等要求，內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用離散模塊化布置，內(nèi)部所有器件都為平面化分布。各個(gè)單元都采用模塊化設(shè)計(jì)，獨(dú)立安裝，單元之間的關(guān)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(shí)增加了預(yù)防冷凝水的措施。

4.2.2 機(jī)座結(jié)構(gòu)

機(jī)座采用復(fù)合冷卻多層筒式結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5)，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(guò)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(guò)散熱片與冷水進(jìn)行良好的熱交換，通過(guò)外筒將熱量擴(kuò)散到周圍的冷空氣中。該結(jié)構(gòu)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(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。前后端蓋和電抗器箱也采用水冷結(jié)構(gòu)，都含有防鼓脹結(jié)構(gòu)。

圖5機(jī)座復(fù)合冷卻多層筒式結(jié)構(gòu)

4.3 電機(jī)的水冷散熱結(jié)構(gòu)

本臺(tái)電機(jī)的功率密度是普通電機(jī)的2～4倍，且?guī)в姓髂孀兡K，發(fā)熱量很大，為有效散熱，冷卻方式采用機(jī)座水冷結(jié)構(gòu)，整流逆變箱中帶水冷版的冷卻結(jié)構(gòu)。采用變頻器水冷板與機(jī)座水路串連的形式(中間采用通水螺桿進(jìn)行連接)，冷卻水通過(guò)變頻器的冷卻板通過(guò)機(jī)座連接進(jìn)入前端蓋，從前端蓋出來(lái)流向機(jī)座，從機(jī)座出來(lái)后流向后端蓋，再經(jīng)機(jī)座流向電抗器箱，如此進(jìn)行循環(huán)，最終從電抗器箱上流出(見(jiàn)圖6)。機(jī)座水冷結(jié)構(gòu)采用水阻較小的螺旋式水路結(jié)構(gòu)，并且加大水路截面積，減小水阻。

圖6水路循環(huán)示意圖

4.4 ANSYS有限元的分析計(jì)算

采用有限元計(jì)算分析的方法，對(duì)一體機(jī)的水冷結(jié)構(gòu)溫升計(jì)算、軸承最小載荷、臨界轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子強(qiáng)度和剛度、機(jī)座強(qiáng)度和剛度、水路強(qiáng)度以及各部件在1.5MPa壓力下爆炸強(qiáng)度的分析計(jì)算(見(jiàn)圖7、圖8、圖9、圖10、圖11)，并依據(jù)計(jì)算的結(jié)果對(duì)各部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)精度，并為以后電機(jī)設(shè)計(jì)的有限元分析計(jì)算積累了良好的經(jīng)驗(yàn)。

圖7礦用變頻調(diào)速一體機(jī)近似溫升仿真計(jì)算

圖8軸強(qiáng)度校核

圖9轉(zhuǎn)子撓度校核

圖10機(jī)座1.5MPa爆炸強(qiáng)度分析結(jié)果

圖11整流逆變箱頂板應(yīng)力圖

5 礦用變頻調(diào)速一體機(jī)的優(yōu)越性

礦用變頻調(diào)速一體機(jī)，具有許多優(yōu)點(diǎn)，如體積小、冷卻散熱簡(jiǎn)單、效率高、振動(dòng)小、調(diào)速范圍廣、適合煤礦井下工況需求，且具有信號(hào)傳輸穩(wěn)定、使用方便和維修方便等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于安裝在煤礦開(kāi)采所需的采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等設(shè)備上。礦用變頻調(diào)速一體機(jī)指引著未來(lái)煤礦設(shè)備用電機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

5.1 體積小且結(jié)構(gòu)緊湊

煤礦井下設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速形式為液力耦合器調(diào)速或者變頻器+變頻電機(jī)進(jìn)行調(diào)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(jī)進(jìn)行調(diào)速，由于變頻器和變頻電機(jī)分別為兩個(gè)獨(dú)立的單元，離散布置，占用空間大，且高壓電纜傳輸距離較長(zhǎng)，易因電纜終端電壓反射造成電機(jī)端過(guò)電壓，影響電機(jī)的絕緣壽命。同時(shí)變頻器和電機(jī)分離設(shè)計(jì)，占用空間較大，不能滿足煤礦井下設(shè)備隨時(shí)移動(dòng)和井下空間狹小的現(xiàn)狀。

而我公司研發(fā)的礦用變頻調(diào)速一體機(jī)，使變頻器和電機(jī)成為一個(gè)整體，可以隨時(shí)移動(dòng)，避免電纜長(zhǎng)距離傳輸產(chǎn)生的諧波，降低對(duì)電機(jī)絕緣的破壞。利用變頻器與電機(jī)集成設(shè)計(jì)和高功率密度電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，結(jié)構(gòu)緊湊，大大減小一體化電機(jī)的體積，更加適用于煤礦井下采掘工作面空間狹小的環(huán)境，方便工作人員安全操作；同時(shí)利用電磁噪聲隔離和吸收技術(shù)，使整體噪聲減小，達(dá)到環(huán)保要求。

5.2 起動(dòng)性能良好和節(jié)能效果明顯

煤礦井下驅(qū)動(dòng)設(shè)備需要具備一定的調(diào)速功能，由于受起動(dòng)性能的限制，需要增加軟起動(dòng)裝置。例如：帶式運(yùn)輸機(jī)中的皮帶是一個(gè)彈性體，在靜止或運(yùn)行時(shí)皮帶內(nèi)貯藏了大量的能量，在皮帶機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，如果不加設(shè)軟起動(dòng)裝置，皮帶內(nèi)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(guò)大的張力波對(duì)皮帶及皮帶機(jī)架均有極大的破壞作用。并且電機(jī)起動(dòng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，對(duì)周圍正常運(yùn)行的設(shè)備造成干擾。因此在我國(guó)《煤礦安全規(guī)程》中有規(guī)定，帶式輸送機(jī)必須加設(shè)軟起動(dòng)裝置。

目前我國(guó)煤礦井下設(shè)備的調(diào)速和軟起動(dòng)裝置均采用的是液力耦合器，而隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，變頻器調(diào)速與液力耦合器調(diào)速相比，更具有優(yōu)良的起動(dòng)性能和明顯的節(jié)能效果，而且變頻調(diào)速無(wú)機(jī)械磨損，可延長(zhǎng)機(jī)械的維修間隔期，降低維修費(fèi)用，深受煤礦業(yè)主的歡迎。

液力耦合器的效率隨著輸出轉(zhuǎn)速的降低而快速降低。一般情況下75%額定轉(zhuǎn)速時(shí)效率僅為70%左右，20%額定轉(zhuǎn)速時(shí)效率僅為20%左右；而一體機(jī)在輸出轉(zhuǎn)速降低時(shí)效率仍然較高，額定轉(zhuǎn)速時(shí)效率可達(dá)95%，20%額定轉(zhuǎn)速時(shí)效率僅降至90%，節(jié)能效果相當(dāng)明顯。根據(jù)已采用變頻調(diào)速一體機(jī)的某項(xiàng)目測(cè)算，采用變頻一體機(jī)后，開(kāi)采量可提升10%左右，系統(tǒng)效率可提升20%左右，節(jié)能效果顯著，由此創(chuàng)造的企業(yè)利潤(rùn)很可觀，對(duì)煤礦生產(chǎn)企業(yè)很有吸引力。

5.3 保護(hù)措施齊全

本項(xiàng)目研制之初，進(jìn)行了大量的調(diào)研，結(jié)合用戶的需求，采取了各種檢測(cè)保護(hù)措施。

5.4 具有檢修維護(hù)腔體，維護(hù)方便

由于采用變頻調(diào)速，一體機(jī)均有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)一體機(jī)具有高穩(wěn)定性、可靠性、兼具防爆性，具備可在井下長(zhǎng)期運(yùn)行的質(zhì)量指標(biāo)；(2)做到了啟動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，低沖擊、大扭矩，低磨損。自適應(yīng)能力強(qiáng)，能自動(dòng)滿足輕、重負(fù)載下的各種起動(dòng)特性；(3)保護(hù)齊全，不僅對(duì)電機(jī)有多項(xiàng)保護(hù)，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(guò)壓欠壓保護(hù)等問(wèn)題，同時(shí)具有對(duì)變頻部分自身回路故障診斷和主機(jī)的智能化診斷功能。(4)便于遠(yuǎn)程控制，同時(shí)傳輸時(shí)信號(hào)穩(wěn)定可靠。

5.5 采用有限元分析計(jì)算進(jìn)行指導(dǎo)設(shè)計(jì)

采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)和電磁設(shè)計(jì)做指導(dǎo)，計(jì)算精度更高，避免了設(shè)計(jì)過(guò)程中的無(wú)謂失誤，大大提高了設(shè)計(jì)的效率和可靠性；通過(guò)優(yōu)化電機(jī)的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)，使電機(jī)各部分電磁場(chǎng)分布更加合理，減小電機(jī)體積，使電機(jī)損耗最小。為設(shè)計(jì)提供了有效、可靠的依據(jù)，先進(jìn)、合理、實(shí)用，達(dá)到國(guó)內(nèi)同行業(yè)領(lǐng)先水平。

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

6 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了礦用變頻調(diào)速一體機(jī)的研制，一體機(jī)的工作原理及電磁設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過(guò)有限元分析計(jì)算對(duì)一體機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。項(xiàng)目研制過(guò)程非常順利，現(xiàn)正在進(jìn)行樣機(jī)制造。

礦用變頻調(diào)速一體機(jī)，具有許多優(yōu)點(diǎn)，如體積小、冷卻散熱簡(jiǎn)單、效率高、振動(dòng)小、調(diào)速范圍廣、且具有信號(hào)傳輸穩(wěn)定、使用方便和維修方便等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于安裝在煤礦開(kāi)采所需的采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等設(shè)備上。

礦用變頻調(diào)速一體機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)都符合國(guó)家規(guī)定，符合國(guó)家節(jié)能減排、符合“中國(guó)制造2025”創(chuàng)新發(fā)展、智能制造的國(guó)家政策。該一體機(jī)屬高技術(shù)含量、高附加值產(chǎn)品，其技術(shù)水平居國(guó)內(nèi)同行業(yè)領(lǐng)先水平對(duì)提高我公司在礦用電機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和為國(guó)家節(jié)約外匯有重要意義。

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[9] GB 3836.1，爆炸性環(huán)境 第1部分 設(shè)備 通用要求[S].

[10] GB 3836.2，爆炸性環(huán)境 第2部分 由隔爆外殼“d” 保護(hù)的設(shè)備[S].

[11] GB 3836.3，爆炸性環(huán)境 第3部分 由增安型“e”保護(hù)的設(shè)備[S].

[12] GB 3836.4，爆炸性環(huán)境 第4部分 由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)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(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃重大項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：GY2016ZB0236)

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.05.02

于金雷男1981年生；畢業(yè)于鄭州大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事礦用防爆電機(jī)設(shè)計(jì)及特種電機(jī)設(shè)計(jì)工作.

2017-04-24