矿用隔爆兼本质安全型变频调速一体机的研制

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(1佳木斯电机股份有限公司天津研发中心，天津 300384；2国家防爆电机工程技术研究中心，黑龙江佳木斯 154002 )

矿用隔爆兼本质安全型变频调速一体机的研制

于金雷1，2，李薇1，2

(1佳木斯电机股份有限公司天津研发中心，天津 300384；2国家防爆电机工程技术研究中心，黑龙江佳木斯 154002 )

介绍了矿用隔爆兼本质安全型变频调速一体机的研制过程，重点电机变频调速原理，电磁设计和结构设计，运用ANSYS有限元进行软件对电磁设计和结构设计进行了分析优化设计，介绍了一体机的优越性。对该电机的性能、创新性及技术经济性进行了分析。

隔爆兼本质安全型；变频调速；电磁设计；结构设计；ANSYS有限元分析

0 引言

随着电力电子技术的发展，交流变频调速的范围不断扩大，应用也越来越广泛。但是在煤矿井下，变频器和电机还是两个相对独立的单元，有不适于井下作业的缺点，如谐波电流过大，易导致电机发热量增加，缩短电机的寿命；井下高压传输电缆较长，导致电缆终端电压反射造成电机侧过电压，从而影响电机的绝缘寿命、变频器的冷却、抗震及防腐蚀工艺等。与此同时，为达到节能减排的国家政策要求，使得研制矿用变频调速一体化电机的呼声日趋高涨。因此我公司根据形势需要，进行了矿用隔爆兼本质安全型变频调速一体机(以下简称矿用变频调速一体机)研制，并获得2016年度黑龙江省应用技术研究与开发计划重大项目支持。

1 矿用变频调速一体机的性能指标及主要技术要求

型号: YJVFG-500M5-4T；额定功率:1200kW；额定电压:3300V；额定电流:234A；额定频率:50Hz(5～60)；额定转速:1490r/min；额定转矩：7640Nm；相数:3相；定子绕组接法：Y；防护等级：IP56；绝缘等级:180(H)级；冷却方式: IC3W7(水冷)；安装方式:IMB10；旋转方向:逆时针；定额: S1( 连续工作制)；防爆标志: Exd[ib]IMb；效率:92.5%(全频段)；噪声限值:104 dB(A) (声功级)；振动限值: 2.8mm/s；一体机峰值转矩不得低于150%的额定转矩。

负载特性：一体机频率在50Hz以下范围内为恒转矩调速段，其输出转矩不得低于额定转矩的95%；50Hz～60Hz范围内为恒功率调速段，其输出功率不低于额定功率的95%。

2 矿用变频调速一体机的变频调速原理

2.1 电机调速方案的确定

2.1.1 恒转矩调速

由电机学可知，对于交流异步三相感应电动机，有

n=60f1(1-s)/p

(1)

由式(1)可知，当转差率s变化不大时，转速n基本上正比于定子供电频率f1。平滑的调节供电电源频率就可以平滑地调节电机的转速n。

变频调速时，为了使励磁电流和功率因数基本保持不变，则希望磁通Φ也保持不变。如果Φ>ΦN(ΦN为正常运行时的额定磁通)，将引起磁路过饱和而使励磁电流增加，功率因数降低。如果Φ<ΦN，电动机将由于容许输出转矩下降，其功率得不到充分的利用而造成浪费。因此在变频调速时，一般要求磁通保持不变。

由定子电路的电动势方程式可见，在忽略定子漏阻抗的情况下，得式

UFEF=4.44f1N1ky1F

(2)

为使f1变化Φ时保持不变，则由式(2)可见UF/f1必须为定值，则UF必须与f1成比例的变化。

对于恒转矩调速，如果变频装置保证UF随f1成比例的变化，则可保证在频率变化的过程中电动机具有同样的过载能力，在恒转矩调速下的变频装置一般都是根据这个要求设计的。

电动机的最大转矩为

(3)

式中，X1+X2′=2pf1(L1+L2′)

由式(3)可知，当f1较高时，可忽略定子电阻R1的影响，电机最大转矩Tmax与转差率s成正比；当f1较低时，定子电阻R1的影响就不能忽略，此时最大转矩Tmax大大降低，为了保持电动机有足够大的最大转矩Tmax，可在低速时，使UF/f1的比值随着f1的降低而增加，就可以保持最大转矩Tmax。

2.1.2 恒功率调速

由式(3)可知，在基频以上调速时，f1较高时，可忽略定子电阻R1的影响，可得到

(4)

2.2 变频器调速方案的确定

2.2.1 交直交电压型变频电路

本次设计采用的是输出电压和频率均可变的交直交变频器电路。它由整流电路、中间直流电路和逆变电路构成。它先将电网的工频交流电整流成直流电，再将此直流电逆变成频率可调的交流电。IGBT作为其核心部件，在逆变器电路中控制输出的电压和频率，可利用半导体开关的导通率将输出电压控制成为正弦波状。在三相高压进线电源处分别串联一个大电感滤波器，近似恒流源，使进线电源输入不受负载影响，保证电源质量。

在中间直流环节主要采用大电容滤波，这使中间直流电源近似恒压源，具有低阻抗，使经过逆变电路得到的交流输出电压，不受负载性质影响。

2.2.2 矢量控制及控制回路

异步电机的数学模型是高阶、非线性、强耦合的多变量系统。矢量控制方法则是基于异步电机按转子磁链定向的动态模型，将定子电流分解为励磁分量和与此垂直的转矩分量，参照直流调速系统的控制方法，分别独立的对两个电流分量进行控制，类似直流调速系统中的双闭环控制方式，控制性能较好，从而改善了异步电动机的动态控制性能。

为了实现其控制目的，需要将三相电流按坐标变换的方法变换成二相电流，在二相坐标系上确定电动机的转矩电流和励磁电流大小并分别进行控制，再将二相电流变换成三相电流设定值，然后采用闭环控制实际电流的方式。

3 矿用变频调速一体机的电磁设计

3.1 电磁设计

电磁设计时首先要考虑变频器的特性对电机的影响。由于采用变频电源供电，变频电源的谐波含量较大，容易造成铁心磁场饱和，因此电机的磁密不宜设计的太高。考虑到变频电机的温升要比正常电机稍高，所以电负荷要设计的比正常电机低一些。由于水冷散热较好，功率密度是普通电机的2～4倍。

由于为本电机供电的是电压型逆变器，为了减少定子铜损耗，提高电动机的效率，希望定子电阻越小越好，同时为了增加漏电抗，所以将定子槽形设计成窄且深形式，线圈采用扁平导体平放布置方式。转子槽顶部较宽，以降低漏抗和集肤效应，转子选用电阻率低的紫铜导条和端环，减小转子损耗。

变频器特性对电机的影响，关键是要减小和限制谐波电压和电流，对变频调速系统性能进行研究，进行一体化设计，使电机与变频器很好地匹配，在较宽的调速范围内具备良好的性能；需要计算在不同工作频率下的性能，包括基频运行性能计算和基频上下运行电磁考核。

由于变频器IGBT的工作特性，电压波形是有许多脉冲电压叠加而成，存在较高幅值的尖峰电压，并且造成电机绕组匝间电压不是均匀分布，首匝与第二匝之间的电压差能够占到整个绕组电压的60%～70%，这大大加速了绝缘系统的老化。针对此情况，加强了电机的绝缘厚度。在绕组的首匝和第二匝之间增加特殊的绝缘纸，可以很好的降低电机绝缘系统的老化。

3.2 有限元分析优化设计

首先利用自主开发的变频三相异步电动机电磁计算软件进行初步电磁计算，得出主要数据、性能曲线和起动曲线。然后利用有限元进行分析计算。

利用有限元仿真软件Maxwell对电机进行了仿真计算，包括空载、负载、堵转、过载、变频运行等工况。搭建的模型见图1。空载和负载磁密云图见图2、图3。

图1有限元仿真模型

并利用ANSYS对电机空载性能、额定负载、堵转性能、过载性能、变频运行时电机性能仿真分析并优化设计。有限元计算的结果与磁路法计算结果在磁路数据和起动性能上有些差别。通过与试验结果对比发现，除实测的铁耗值与计算值相差较大外，磁路法、有限元计算结果能够很好的吻合，说明了该电磁设计是比较合理的。

图2电机空载磁密云图

图3电机负载磁密云图

4 矿用变频调速一体机结构设计

4.1 隔爆兼本质安全型结构

矿用变频调速一体机防爆问题是设备研制的一个关键问题。按照《煤矿安全规程》的规定，在有瓦斯和煤尘爆炸危险的矿井内，必须使用防爆电气设备，而防爆电气设备的设计必须符合GB 3836系列标准的规定。本项目设计的一体机是一个复杂的电气设备，采用单一的防爆型式已经不能满足防爆性能的要求，故而采用的是复合防爆的型式：隔爆兼本质安全型。整机安装在隔爆外壳内，其对外接口采用本安接口。

整机结构按照GB 3836.1—2010《爆炸性环境 第1部分 设备 通用要求》和GB 3836.2—2010 《爆炸性环境 第2部分 由隔爆外壳“d”保护的设备》的规定制成隔爆型，防爆标志为“ExdI”。防爆原理为：采用“隔爆外壳”把可能产生的火花、电弧和危险温度的电气和机械部分，与周围的爆炸性气体混合物隔离。它允许爆炸性气体混合物在外壳内部发生爆炸，但是不允许爆炸生成物从电机内部通过隔爆接合面窜到外壳外部，点燃周围的爆炸性气体混合物。因此，在防爆安全性设计方面做了如下考虑。

(1) 外壳强度。组成一体机隔爆外壳的结构件：机座、端盖、轴承内盖、接线盒座、接线盒盖等，这些零件的强度需以通过相应内部爆炸压力为基准的静压试验为合格。

(2) 隔爆接合面。组成隔爆外壳的每一零部件间的隔爆接合面宽度、间隙或直径差、粗糙度符合GB 3836.1—2010的规定，电机轴贯通部分设置圆筒式隔爆轴承盖，并通过对轴贯通部分的m、k值进行优化计算，确定合适的隔爆间隙，增加运行可靠性。

(3) 限制外壳表面出现最高温度。电动机在规定的工作条件下额定运行时电动机允许表面温度符合GB 3836.1—2010的规定，其外壳表面温度不应超过150 ℃(温度计法) ，电缆引入口温度不得高于电缆的允许温度70 ℃，以保证电缆运行可靠。

(4)其它隔爆结构要素。接线盒内部裸露导体之间，裸露导体与金属外壳之间的电气间隙、爬电距离等符合GB 3836.3—2010的规定。紧固隔爆外壳的紧固件符合GB 3836.2—2010 的规定，连接用的螺栓装有防松垫圈，以防螺栓自行松脱，螺栓和不透螺孔紧固后，留有大于2倍防松垫圈厚度的螺纹余量，外壳上不透螺孔的周围及底部的厚度不小于3mm。一体机可靠接地防止漏电火花。

(5) 材料。机座、端盖、接线盒等隔爆外壳用零件均选用钢板Q345A；接线盒进线口密封圈，其材料要求邵尔氏硬度为45～55，符合GB 3836.1—2010附录D3.3规定的老化试验要求；接线盒内的接线板或端子套的绝缘部分采用耐泄痕性分级为Ⅱ级绝缘材料制成，材料符合GB 3836.1—2010规定的扭转试验要求。

通信接口部分符合GB 3836.4—2010《爆炸性环境 第4部分 由本质安全型“i”保护的设备》，本质安全型利用系统或电路的电气参数达到防爆要求的，是从电路设计的初始就对电路在短路、开路或断路以及误操作等各种状态下可能发生的电火花予以限制，使火花能量处在爆炸性混合物或易燃易爆气体的最小点燃能量之下，使之成为安全火花，从爆炸发生的根本原因上解决防爆。因此，在防爆安全性设计方面做了如下考虑：一是限制电路的能量；二是控制电流产生的热效应。

4.2 整机及机座结构设计

4.2.1 整机结构

矿用变频调速一体机包含四个独立的隔爆腔体，分别为整流逆变腔体，检修维护腔体、电机本体腔体、电抗器腔体。其中整流逆变腔体位于一体机的正上方，检修维护腔体位于整流逆变腔体和电机本体腔体之间，电抗器腔体位于一体机的非驱动端。各腔体之间均相互独立。各腔体之间通过隔爆连接件连接在一起。检修维护腔体在电机两侧面筋板上各开设个两个检修口，可以不必借用吊装机械拆卸变频器箱体盖、变频器各模块及电抗器，就可以通过检修口对一体机的各个部分进行检修维护。矿用变频调速一体机的整体结构如图4所示。

图4矿用变频调速一体机的整体结构

整流逆变箱体结构形式采用前端为隔爆腔，尾部为接线腔和本安腔。上盖采用螺栓紧固方式，保证了设备的隔爆性能，也避免了快开门在变频器内部电容放电时间未到就开门的危险。考虑散热、安装、维护等要求，内部结构采用离散模块化布置，内部所有器件都为平面化分布。各个单元都采用模块化设计，独立安装，单元之间的关系全部采用快速接插件连接，既减少了整体体积，又方便拆装检修。整流逆变模块的散热采用水冷散热方式，同时增加了预防冷凝水的措施。

4.2.2 机座结构

机座采用复合冷却多层筒式结构(见图5)，将传统的水冷机座外筒增焊了散热筋，并留有风冷通道，电动机的定子铁心通过传导方式由水直接冷却，转子内热量由内风扇传递到机座的风冷通道，通过散热片与冷水进行良好的热交换，通过外筒将热量扩散到周围的冷空气中。该结构不仅体积大大缩小，而且冷却效果有较大提高，具有体积小、振动小、噪声低、结构紧凑、整体钢性好、温升低等优点，最主要的特点是便于煤矿井下安装。前后端盖和电抗器箱也采用水冷结构，都含有防鼓胀结构。

图5机座复合冷却多层筒式结构

4.3 电机的水冷散热结构

本台电机的功率密度是普通电机的2～4倍，且带有整流逆变模块，发热量很大，为有效散热，冷却方式采用机座水冷结构，整流逆变箱中带水冷版的冷却结构。采用变频器水冷板与机座水路串连的形式(中间采用通水螺杆进行连接)，冷却水通过变频器的冷却板通过机座连接进入前端盖，从前端盖出来流向机座，从机座出来后流向后端盖，再经机座流向电抗器箱，如此进行循环，最终从电抗器箱上流出(见图6)。机座水冷结构采用水阻较小的螺旋式水路结构，并且加大水路截面积，减小水阻。

图6水路循环示意图

4.4 ANSYS有限元的分析计算

采用有限元计算分析的方法，对一体机的水冷结构温升计算、轴承最小载荷、临界转速、转子强度和刚度、机座强度和刚度、水路强度以及各部件在1.5MPa压力下爆炸强度的分析计算(见图7、图8、图9、图10、图11)，并依据计算的结果对各部件进行了优化设计，减少设计时间，提高了设计精度，并为以后电机设计的有限元分析计算积累了良好的经验。

图7矿用变频调速一体机近似温升仿真计算

图8轴强度校核

图9转子挠度校核

图10机座1.5MPa爆炸强度分析结果

图11整流逆变箱顶板应力图

5 矿用变频调速一体机的优越性

矿用变频调速一体机，具有许多优点，如体积小、冷却散热简单、效率高、振动小、调速范围广、适合煤矿井下工况需求，且具有信号传输稳定、使用方便和维修方便等优点，特别适用于安装在煤矿开采所需的采煤机、掘进机、运输机等设备上。矿用变频调速一体机指引着未来煤矿设备用电机系统的发展方向。

5.1 体积小且结构紧凑

煤矿井下设备传统的调速形式为液力耦合器调速或者变频器+变频电机进行调速：液力耦合器体积大，占用空间大，且效率较低；变频器+变频电机进行调速，由于变频器和变频电机分别为两个独立的单元，离散布置，占用空间大，且高压电缆传输距离较长，易因电缆终端电压反射造成电机端过电压，影响电机的绝缘寿命。同时变频器和电机分离设计，占用空间较大，不能满足煤矿井下设备随时移动和井下空间狭小的现状。

而我公司研发的矿用变频调速一体机，使变频器和电机成为一个整体，可以随时移动，避免电缆长距离传输产生的谐波，降低对电机绝缘的破坏。利用变频器与电机集成设计和高功率密度电机设计技术，结构紧凑，大大减小一体化电机的体积，更加适用于煤矿井下采掘工作面空间狭小的环境，方便工作人员安全操作；同时利用电磁噪声隔离和吸收技术，使整体噪声减小，达到环保要求。

5.2 起动性能良好和节能效果明显

煤矿井下驱动设备需要具备一定的调速功能，由于受起动性能的限制，需要增加软起动装置。例如：带式运输机中的皮带是一个弹性体，在静止或运行时皮带内贮藏了大量的能量，在皮带机起动过程中，如果不加设软起动装置，皮带内贮藏的能量将很快释放出去，在皮带上形成张力波并迅速沿着皮带传输出去。过大的张力波对皮带及皮带机架均有极大的破坏作用。并且电机起动会对电网造成冲击，对周围正常运行的设备造成干扰。因此在我国《煤矿安全规程》中有规定，带式输送机必须加设软起动装置。

目前我国煤矿井下设备的调速和软起动装置均采用的是液力耦合器，而随着变频技术的发展，变频器调速与液力耦合器调速相比，更具有优良的起动性能和明显的节能效果，而且变频调速无机械磨损，可延长机械的维修间隔期，降低维修费用，深受煤矿业主的欢迎。

液力耦合器的效率随着输出转速的降低而快速降低。一般情况下75%额定转速时效率仅为70%左右，20%额定转速时效率仅为20%左右；而一体机在输出转速降低时效率仍然较高，额定转速时效率可达95%，20%额定转速时效率仅降至90%，节能效果相当明显。根据已采用变频调速一体机的某项目测算，采用变频一体机后，开采量可提升10%左右，系统效率可提升20%左右，节能效果显著，由此创造的企业利润很可观，对煤矿生产企业很有吸引力。

5.3 保护措施齐全

本项目研制之初，进行了大量的调研，结合用户的需求，采取了各种检测保护措施。

5.4 具有检修维护腔体，维护方便

由于采用变频调速，一体机均有以下优点：(1)一体机具有高稳定性、可靠性、兼具防爆性，具备可在井下长期运行的质量指标；(2)做到了启动过程平稳，低冲击、大扭矩，低磨损。自适应能力强，能自动满足轻、重负载下的各种起动特性；(3)保护齐全，不仅对电机有多项保护，而且解决了可控硅短路，真空接触器粘连，漏电闭锁回路抗高压冲击，过压欠压保护等问题，同时具有对变频部分自身回路故障诊断和主机的智能化诊断功能。(4)便于远程控制，同时传输时信号稳定可靠。

5.5 采用有限元分析计算进行指导设计

采用ANSYS有限元分析软件对结构和电磁设计做指导，计算精度更高，避免了设计过程中的无谓失误，大大提高了设计的效率和可靠性；通过优化电机的材料和结构参数，使电机各部分电磁场分布更加合理，减小电机体积，使电机损耗最小。为设计提供了有效、可靠的依据，先进、合理、实用，达到国内同行业领先水平。

但也因变频调速，一体机具有以下缺点：(1)因产生脉冲电压和谐波转矩，易造成电机绝缘降低，噪声加大；(2)易产生轴电流，破坏了轴承油膜，在轴承表面产生电弧放电麻点，导致轴承温度升高甚至烧坏等。为此，我们也采取了措施来降低这些缺点的危害，如增加一体机的绝缘，在首末匝加强绝缘，来减小脉冲电压对绝缘的冲击。采用绝缘轴承等来消除轴电流等措施。

6 结语

本文简要介绍了矿用变频调速一体机的研制，一体机的工作原理及电磁设计和结构设计，并通过有限元分析计算对一体机进行优化设计。项目研制过程非常顺利，现正在进行样机制造。

矿用变频调速一体机，具有许多优点，如体积小、冷却散热简单、效率高、振动小、调速范围广、且具有信号传输稳定、使用方便和维修方便等优点，特别适用于安装在煤矿开采所需的采煤机、掘进机、运输机等设备上。

矿用变频调速一体机各项性能指标都符合国家规定，符合国家节能减排、符合“中国制造2025”创新发展、智能制造的国家政策。该一体机属高技术含量、高附加值产品，其技术水平居国内同行业领先水平对提高我公司在矿用电机市场竞争力，对增加企业经济效益和为国家节约外汇有重要意义。

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[11] GB 3836.3，爆炸性环境 第3部分 由增安型“e”保护的设备[S].

[12] GB 3836.4，爆炸性环境 第4部分 由本质安全型“i”保护的设备[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

黑龙江省应用技术研究与开发计划重大项目(项目编号：GY2016ZB0236)

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.05.02

于金雷男1981年生；毕业于郑州大学自动化专业，现从事矿用防爆电机设计及特种电机设计工作.

2017-04-24