刮板输送机用隔爆型变频调速三相异步电动机设计分析

李林海

（山西义棠煤业有限责任公司， 山西 介休 032000）

引言

刮板输送机用隔爆型变频调速三相异步电动机设计非常重要，设计前要清楚其性能指标，然后确定变频调速电动机调速方案，确定变频装置调速方案等，各项都要符合标准。为了方便分析，下面就以实际案例为例，分析设计中的注意事项、要点和难点，提高电动机性能，保证其各项指标都合格。

1 隔爆型电动机的特点和调速方案

1.1 隔爆型变频调速三相异步电动机的特点

这种电动机对性能有明确的要求（见表1），其额定功率是400 kW，额定的工作电压是1 140 V，额定的输出电流是244 A，额定的工作频率是50 Hz，额定的工作转速是1 485 r/min，采取的冷却方式是IC3W7，冷却使用的水量是2.1 m3/h，电动机使用的海拔不能超过1 000 m，温度不能超过40℃。该电动机使用了H级绝缘，其定子绕组温度升值控制在125 K以内。电动机负载、起动、换向过程中，绕组的控制装置、温升等都要符合煤矿井下电气设备的要求，例如其壳体外表温度控制150℃以内[1]。

表1 电动机主要电气性能指标的对比分析

1.2 恒转矩调速方案

三相感应电动机转速计算公式为n=ns（1-s）=60（f1/p）（1-s）。在这一公式中，p 表示极对数，s代表转差率，f1表示定子供电频率，ns表示同步转速，n表示转速。当改变定子工作频率时，其频率会出现较大变化，对电源频率进行平滑的调节，就可以做到感应电动机平滑的调节，进行变频调速过程中，主磁通是不发生变化的，主磁通比正常运行时大，还会导致磁路饱和，导致激励电流增加，因此其功率因素开始下降。在额定转速范围内，使用恒压频比进行控制，可以有效保证主磁通不发生变化[2]。

1.3 分析恒功率调速方案

其输出功率表达式是T=P/n，在这一公式中，n表示转速，P表示输出功率，T表示输出转矩。那么就，在这一公式中，T1表示电动机输出转矩，Te表示电动机输出的额定转矩。功率输出恒定不发生变化时，温升、铁损是恒功率调速的主要障碍，因此如果在额定转速以上时，可以降低输出转矩，提高频率，使用恒功率输出模式。

2 电动机型式试验结果

完成设计之后，对其进行了实际测试（见下页表2），发现定子铜存在较大的损耗问题，为了避免这一问题的发生，提高电动机的工作效率，必须有效降低定子的电阻，保证定子漏电抗的效果。更改了原有计划进行定子槽设计中，将其设计成又深又窄，选用线圈时，使用了常规线圈，但是摆放方式进行了调整，使用了扁平的平放方式，设计中使用电动机时，技术人员特别使用了低频启动电动机，这些设计方面的调整，有效提高了整体性能。这样所设计出的刮板输送机用隔爆型变频调速三相异步电动机具有启动电流小，启动转矩大的特点，当增加转子槽的面积后，提高其工作效率。设计中引入了变频器技术，该技术可以准确进行电动机速度、电压的调整，提高操作的灵活性，保证工作的灵敏性。除此之外，引入变频器技术之后，这一电动机可以进行恒转矩运行。从当前的情况分析，所有的变频器就会含有很高的谐波，当不能控制谐波后，对正常的供电网络产生很大影响，不利于其长期的运行，这一问题在当前的技术条件下无法改变。

表2 电动机额定负载温升试验

3 刮板输送机用隔爆型变频调速三相异步电动机设计方案

3.1 防爆结构和冷却结构的设计

安装电动机主要有平键轴伸方式和IMB5法兰联接方式，在电动机的后部和上部是电控箱，主要作用是进行变频控制系统的安装。在其左右机壳和电控箱对称位置有两个凹槽，安装了隔爆型电缆插销，避免使用电动机过程中磕碰，进而造成损坏。对于使用的隔爆零件，都要经过压力是1 MPa的水压试验。在隔爆箱体内所有带电零器件之间的间隙、距离都要满足相关规定。安装变频器和电动机机座时，可以使用水冷方式。使用Q235A钢板进行焊接[3]。

3.2 轴电流问题和具体的解决方式

当电动机磁路不对称时，会出现典型的轴电压，进而形成低频轴电流，这一现象在大容量电动机中经常出现，例如其容量是400 kW就会出现这一问题，当磁路不对称时，在其中容易形成交通磁通，在轴承、端盖中会产生交流感应电压，如果这一感应电压将轴承润滑剂的绝缘能力破坏之后，电流将会流入回路中。三相正弦电源电压不平衡会导致配网中出现高频轴电流，虽然其分量是平衡而且是对称的，但是其并不是同步的，在实际操作中必然会出现高次谐波。为了有效避免这一问题，引入了整流设备，通过这一设备就可以有效控制上述问题，确保整体运行的安全性，达到理想的设计标准。

3.3 轴电流的危害和预防措施

当电流流入轴承中后出现很大变化，轴承工艺在一定程度上决定了其变化速率。润滑剂完全浸没轴承滚珠后，自身开始导电，对轴承润滑剂油膜产生一定的破坏。除此之外，当磁路不对称时，就会产生一定的电感应电压，如果轴承电流密度大于1.5 A/mm后，轴承的性能会发生恶化，轴承的外套、滚动体等将会出现严重的腐蚀。

通过工作总结，当前有效解决轴电流问题主要有以下几种方法。

1）要求变频器满足噪声和温度的要求，可以在开关转换频率下工作。

2）在条件允许的情况下，可以使用低压变频器和低压电动机。

3）在电动机机座和转轴之间，可以使用电刷接触。

4）当负载被轴承电流损坏，可以选用不导电连轴器。

5）使用滤波器可以有效减小共模电压和电压变化比。

6）选用绝缘轴承。

7）减弱高频共模电压。

8）对轴承电流回路进行修改。

9）确保电缆接线的正确性，保证接地系统的正确性。

4 结语

变频器和电动机属于一体的，必须对变频器进行整体调试。进行整机运行试验，要求对噪声、轴承温度、定子绕组温升等进行检测，各项指标都要满足国家规定标准，完成监测之后，调试后的变频器就可以在刮板输送机用隔爆型变频调速三相异步电动机中使用。

参考文献

[1]何惠明，杨晓洲，肖红，等.刮板输送机用隔爆型变频调速三相异步电动机设计[J].中国工程科学，2012，14（2）：59-68.

[2]张新春，郭雪飞，马帅波.YBBP系列（H80～355）隔爆型变频调速三相异步电动机开发设计[J].电气防爆，2011（3）：1-5.

[3]肖立民，刘发梅，李静娅.低压低速大容量绞车用隔爆型变频调速三相异步电动机的开发与应用[J].电气防爆，2010（1）：21-25.