宋承林，張鴻波

（青島中加特電氣股份有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

隨著煤礦自動化技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦中廣泛使用，現(xiàn)階段礦井帶式輸送機原煤運輸系統(tǒng)、綜采工作面膠帶輸送系統(tǒng)大多采用變頻調(diào)速、異步電動機驅(qū)動方式。異步電動機驅(qū)動裝置需要設(shè)減速機、高低速聯(lián)軸器等，降低了系統(tǒng)總體的效率，增加了設(shè)備的維護成本，占用了設(shè)備的安裝空間，而且變頻裝置和電機分離布置的方式存在長距離供電電纜分布電感和分布電容，變頻器輸出高頻信號時，對感抗高的電機絕緣壽命有影響，電動機端頭電壓大幅升高，需要有加強的絕緣結(jié)構(gòu)來適應(yīng)非正弦波的電壓，同時必須縮短供電電纜長度，以降低對電機絕緣的危害。除此以外，變頻調(diào)速產(chǎn)生的電動機軸電流直接危害電動機的軸承，軸承電流會使軸承表面產(chǎn)生點蝕，最終導(dǎo)致軸承早期損害，影響設(shè)備正常運行，因而需要對軸承絕緣采取技術(shù)措施保證電機長期正常運行。另外還存在電動機質(zhì)量良莠不齊，變頻驅(qū)動容易燒毀電機等問題。為了解決這些問題，需要將變頻器和電動機兩者進行更好的結(jié)合，簡化或減掉原減速機系統(tǒng)，以實現(xiàn)電機直驅(qū)，由此大功率大扭矩的永磁直驅(qū)變頻一體機應(yīng)運而生。

文中設(shè)計了一款1 140 V/500 kW/75 rpm的大功率永磁直驅(qū)變頻一體機，主要對一體機的結(jié)構(gòu)設(shè)計、電磁設(shè)計、主控單元設(shè)計的關(guān)鍵問題和技術(shù)進行了分析，并使用ANSYS有限元進行了分析優(yōu)化，驗證其優(yōu)越性。

1 永磁同步一體機結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用變頻器與永磁同步電機一體化的設(shè)計思路，打破了常規(guī)意義上的電機與變頻器獨立設(shè)計、后期集成的弊端。同時由于體積較小，空間有限，對于一體機的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了新的要求。主要結(jié)構(gòu)設(shè)計包括：殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計、電機絕緣軸承設(shè)計、防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計、水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1.1 殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計

主要問題：永磁同步直驅(qū)變頻一體機結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要問題在于，在滿足電磁兼容的基礎(chǔ)上如何在狹小安裝空間內(nèi)合理安排器件，需要盡可能縮小結(jié)構(gòu)體積。把三維建模技術(shù)引入到電氣設(shè)備設(shè)計中來，對關(guān)鍵電子器件進行三維設(shè)計，從零件圖到裝配圖進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，在設(shè)計中充分考慮強弱電系統(tǒng)間的電磁干擾問題及電磁屏蔽手段，進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。應(yīng)用層疊母線技術(shù)，用寬平正負母線極板把功率模塊與濾波電容直接連接起來，使寄生電感更小，有效切斷功率母線對控制電路的干擾。

采用的結(jié)構(gòu)形式：經(jīng)過調(diào)研國內(nèi)外同類產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和膠帶輸送設(shè)備的使用和安裝條件，確定采用如圖1的外形結(jié)構(gòu)。為保證通用性和互換性，電機部分產(chǎn)品外形和相關(guān)尺寸基本與同類產(chǎn)品一致。右邊為變頻和控制單元，左邊為電動機。

1.2 電機絕緣軸承設(shè)計

軸電流的影響：軸電流問題對于較大功率的由變頻供電的電機（如100 kW以上）較為突出。運行一段時間后，有些電機軸承磨損嚴重，先是產(chǎn)生不正常噪聲，直至燒毀。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當變頻器輸出高頻分量較大時，軸電流密度可達每平方毫米數(shù)十安培，軸承電流嚴重。由于軸承的滾道上有可能存在凸出點，旋轉(zhuǎn)時通過該處的軸承電流斷開，從而引起電弧，灼傷金屬表面，大量積累從而引起軸承的損壞。電機軸承如圖2所示。

圖1 永磁直驅(qū)同步變頻一體機外形圖

圖2 電機軸承

解決的途徑：克服軸電流最直接的途徑，就是在電動機電磁設(shè)計時，將產(chǎn)生軸電流的影響因素進行抑制，如定轉(zhuǎn)子沖片拼接方式、繞組串并聯(lián)路數(shù)等，將軸電流盡可能降低；在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，將軸電流回路阻斷或?qū)⒁龑?dǎo)軸電流，避免軸電流通過軸承等方式，取得抑制軸電流的作用。

絕緣軸承：在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，選用絕緣軸承結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括外圈絕緣、內(nèi)圈絕緣或滾柱絕緣，其軸承絕緣通常采用覆膜絕緣層或陶瓷球，優(yōu)點是無需特殊設(shè)計，電機結(jié)構(gòu)簡單，在永磁直驅(qū)同步電機的一端使用絕緣軸承，將形成軸電流的回路切斷。對于200 kW以上的電機采用軸承絕緣技術(shù)措施可以保證電機的可靠運行。

1.3 防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計

防爆型式：防爆是為防止點燃周圍爆炸性混合物而對電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)所采取特定的安全措施。我國井下常用的型式以隔爆型、增安型、本質(zhì)安全型及混合型為主，本系統(tǒng)設(shè)計為隔爆兼本質(zhì)安全型。

防爆結(jié)構(gòu)：防爆系統(tǒng)除電氣部分外，主要結(jié)構(gòu)包括隔爆外殼及附在殼上的零部件，包括接線端子、電纜引入裝置、本安鍵盤盒。隔爆外殼應(yīng)具有耐爆和隔爆性能。為了實現(xiàn)隔爆外殼的耐爆和隔爆性能，對隔爆外殼的形狀、材質(zhì)、容積、結(jié)構(gòu)均有特殊要求。對于防爆殼體的計算，將外殼的外壁簡化為在整個板面上作用均布載荷，四邊固定的等厚矩形板模型。根據(jù)《機械設(shè)計手冊（第五版）》第一卷，材料力學(xué)計算，最大應(yīng)力點發(fā)生在矩形長邊的中心位置，最大撓度位置發(fā)生在板面中心位置。

板面中心最大彎曲應(yīng)力：

式中：α、β—矩形的長、寬比值系數(shù)；σmax—中心應(yīng)力（最大應(yīng)力）；q—載荷（試驗壓力）；b—矩形板寬度；t—矩形板厚度；E—材料的彈性模量。

外殼壁厚度：在不加加強筋的情況下，矩形外殼壁厚度可根據(jù)下式得出：

1.4 水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了使一體機內(nèi)部電力電子器件以及電機溫升在正常工作范圍內(nèi)，提高一體機的穩(wěn)定性和可靠性，文中在一般的水冷結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行了改進和優(yōu)化，并且針對電機和變頻器的損耗所造成的溫升問題進行了具體分析，證明了方案的可行性。

根據(jù)一體機各部分安裝器件不同，形狀不同，水道結(jié)構(gòu)有所不同。文中設(shè)計的一體機水冷主要包括依次相連的電抗器水道、后端蓋水道、水冷板水道、前端蓋水道、電機機殼水道。

本設(shè)計將電機和變頻器冷卻結(jié)構(gòu)的水道連通，節(jié)省了設(shè)備整體的體積，電抗器和水冷板設(shè)計為S形水道，冷卻覆蓋面積大，并且冷卻水先從電抗器水道進入，滿足了高發(fā)熱量器件的散熱，電機機殼水道為折返式水道，水道內(nèi)的水阻小，保證了冷卻水的流暢性。整體水道設(shè)計如圖3所示。

圖3 一體機水道結(jié)構(gòu)圖

2 變頻一體機主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)是永磁同步一體機的核心部分，包含變頻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分，實現(xiàn)對永磁同步電機的精確控制。

2.1 變頻系統(tǒng)設(shè)計

變頻系統(tǒng)主要由主回路、控制面板、冷卻系統(tǒng)及外圍電路等幾大部分組成。主回路的拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 永磁同步變頻一體機主電路拓撲原理圖

主回路采用交-直-交的結(jié)構(gòu)，包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器這3個環(huán)節(jié)。充電回路采用交流電源側(cè)充電，充電電阻在變頻器充電時限制直流回路的電流。當直流電壓達到80%額定值時，主接觸器吸合，充電電阻被旁路掉。為了降低控制難度，一體機整流部分采用了三相橋式不可控電路。在電源側(cè)加裝輸入電抗器，提高電源的功率因數(shù)，減少因電流非正弦引起的諧波電流，從而降低電網(wǎng)電壓的畸變程度。本系統(tǒng)采用電壓源形結(jié)構(gòu)，母線支撐電容實現(xiàn)中間環(huán)節(jié)的濾波，使其得到較為平滑的直流電壓，并為輸出提供能量支撐。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)主要包括控制單元、外圍設(shè)備、驅(qū)動和保護電路、電源模塊、故障檢測模塊等部分，系統(tǒng)的整體框架如圖5所示，主要實現(xiàn)以下幾個功能：實現(xiàn)變頻電機的軟啟動和無極調(diào)速功能；對電動機特性的控制，包括V/F控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制；變頻器的加、減速，變頻調(diào)速的啟動、停機、變頻器的直流制動以及頻率的調(diào)節(jié)，啟動時無沖擊電流來實現(xiàn)調(diào)速電機重載時的順利啟動；頻率的給定與相關(guān)功能，包括頻率給定的方式與選擇，模擬量給定的調(diào)整，載波頻率的選擇等；變頻一體機的通信功能，本系統(tǒng)采用CAN總線、工業(yè)以太網(wǎng)等接口通訊方式，實現(xiàn)與上位機進行通訊和多臺設(shè)備集中控制運行，還可將運行數(shù)據(jù)傳送至地面調(diào)度室進行遠程監(jiān)控。

控制系統(tǒng)通過微處理器控制技術(shù)監(jiān)控電機的電磁狀態(tài)，配合矢量控制策略完成較好的無傳感器電機控制，外加脈沖編碼器反饋后，可以應(yīng)用于精確的速度控制，或長期運行于接近零速區(qū)域的應(yīng)用場合?？刂颇Ｐ涂驁D如圖6所示。

圖5 永磁變頻一體機變頻與控制系統(tǒng)框圖

圖6 控制模型框圖

測量的電機電流和直流電壓作為自適應(yīng)電機模型的輸入，該模型每30μs產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通的實際值。電機轉(zhuǎn)矩比較器將轉(zhuǎn)矩實際值與轉(zhuǎn)矩給定調(diào)節(jié)器的給定值作比較，磁通比較器將磁通實際值與磁通給定調(diào)節(jié)器的給定值作比較。依靠來自這兩個比較器輸出的值，優(yōu)化脈沖選擇器決定逆變器的最佳開關(guān)狀態(tài)。逆變器的每一次開關(guān)狀態(tài)都是單獨確定的。這意味著傳動可以產(chǎn)生最佳的開關(guān)組合，并對負載擾動和瞬時掉電等動態(tài)變化做出快速響應(yīng)。

3 電磁設(shè)計與仿真

利用ANSYS建立了仿真模型，采用時步有限元法對電機啟動和運行性能進行仿真，并利用不考慮永磁體作用時的異步電機仿真結(jié)果驗證了所設(shè)計電機的合理性。研究和優(yōu)化設(shè)計電機不同極靴表面開槽個數(shù)、不同氣隙長度、不同定子槽口寬度，控制對動態(tài)、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波動的影響。

永磁同步電機電磁設(shè)計分為定子磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計和轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計。因永磁同步電機結(jié)構(gòu)上區(qū)別于異步電機之處主要在于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，所以永磁電機設(shè)計一般主要集中于轉(zhuǎn)子的。本電機采用內(nèi)置徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。永磁變頻電機采用變頻啟動，轉(zhuǎn)子鐵心中無啟動籠條，永磁體拓撲結(jié)構(gòu)為內(nèi)置“一”型永磁體，并對永磁體進行分段，把永磁體分成兩段，增加隔磁橋，以更好地改善弱磁性能、減小紋波轉(zhuǎn)矩。永磁體安裝在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，其q軸電感大于d軸電感，采用這種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計方式有助于提高電動機的過載能力和功率密度，而且易于“弱磁”擴速，提高調(diào)速運行范圍寬度。

在分析了多極少槽型電機繞組排列特點的基礎(chǔ)上，采用槽電勢星形圖法，在電磁設(shè)計上選用了9∶8的槽、極配合，集中式繞組分數(shù)槽布局+內(nèi)嵌式磁鋼排列模式。利用時步有限元法，研究了不同極靴表面開槽個數(shù)、不同氣隙長度、不同定子槽口寬度對動態(tài)、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩波動的影響，得出了設(shè)計參數(shù)對電機轉(zhuǎn)矩影響的一般規(guī)律。并得出如下結(jié)論：極靴表面開小槽可以抑制穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩波動；增大氣隙對穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩波動量具有削弱作用；穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩波動量并非隨定子槽口寬度的減小而減小。

根據(jù)電磁分析與計算，確定永磁同步電機主要設(shè)計參數(shù)如下：①額定功率：500 kW；②額定相電壓：1 140 V；③額定頻率：37.5 Hz；④額定轉(zhuǎn)速：75 r/min；⑤額定轉(zhuǎn)矩：63 667 N·m；⑥定子外徑：1 600 mm，定子內(nèi)徑：1 300 mm，鐵芯長：800 mm；⑦氣隙長度：2.5 mm；⑧轉(zhuǎn)子外徑：1 295 mm，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑：900 mm，轉(zhuǎn)子鐵芯長度：800 mm。為保證設(shè)計結(jié)構(gòu)，用目前通用的ANSYS電磁軟件Maxwell進行原始設(shè)計仿真，磁場強度仿真分布如圖7所示。對電機參數(shù)的仿真如圖8所示。

仿真結(jié)果表明該設(shè)計具有較好的變頻啟動轉(zhuǎn)矩特性，穩(wěn)定性能好，能夠適用于煤礦井下啟動時大轉(zhuǎn)矩情況，達到了預(yù)期的效果。

圖7 磁場密度分布云圖

圖8 變頻調(diào)速啟動轉(zhuǎn)矩特性曲線圖

4 結(jié)語

礦用永磁同步直驅(qū)變頻一體機具有體積小、效率高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、維護成本低等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)重載情況下軟啟動，全自動恒功率調(diào)節(jié)，適用于礦井帶式輸送機等設(shè)備。大功率永磁同步直驅(qū)變頻一體機是世界采礦設(shè)備發(fā)展的趨勢，符合國家節(jié)能減排、符合“中國制造2025”創(chuàng)新驅(qū)動的基本方針，具有極高的社會經(jīng)濟效益和廣闊推廣應(yīng)用前景。