高压矿用隔爆兼本质安全型变频调速一体机的设计研发

米子恩,薛超,齐亚周,朱耿超

(1.西安交通大学， 陕西 西安 712000;2.西北骏马电机制造有限公司， 宁夏 石嘴山 753000)

0 引言

随着煤矿自动化技术的发展，交流变频调速技术在煤矿井下得到广泛应用,现阶段煤矿设备大多采用变频调速、异步电动机驱动方式[1]。传统的变频装置和电动机分离布置的方式存在占用空间大、功率分配不均、设备故障率高、耗能高、综合成本高等弊端，不利于井下作业[2]。此外长距离供电电缆会形成分布电感和分布电容，变频器输出高频信号时，对感抗高的电动机绝缘寿命有不利影响，电动机端头电压大幅升高，需要加强绝缘结构来适应非正弦波的电压，同时必须缩短供电电缆长度，以降低对电动机绝缘的危害[3]。变频调速产生的电动机轴电流还会直接危害电动机的轴承，轴承电流会使轴承表面产生点蚀，最终导致轴承早期损害，大幅降低整机使用寿命，因而需要对轴承绝缘采取技术措施保证电动机长期正常运行[4]。为了解决这些问题，需要将变频器和电动机两者进行更好地结合以实现电动机直驱。由此，作为将变频技术、电动机技术和隔爆技术相结合的机电一体化产品，矿用隔爆变频一体机应运而生。我国市场上最早出现的矿用变频一体机主要是德国保越公司的产品，初期只是用在煤矿刮板机上,产品覆盖面窄,并且属于技术封锁项目，国内采购价格十分昂贵。其主电路采用常规变频拓扑结构，吸收电路、滤波器件繁多，导致故障率高，维修成本高。近年来，国内不少厂家都在进行相关产品的试制，比如抚顺、青岛天信、中加特等。通过对煤矿开采变频一体机的研发和产业化建设,在技术上已达到国际先进水平,并形成了一批具有自主知识产权的产品和技术。其中青岛中加特研发的一体机主电路采用核心自主知识产权，拥有发明专利技术，功能完备、结构简洁，变频控制精度高，体积小，运输安装方便，已经做到替代德国保越公司的产品；文献[5]提到一种1 200 kW/3.3 kV矿用隔爆兼本质安全型变频调速一体机的研制，从系统配置、变频器设计、电动机设计、结构设计等方面进行介绍，结合样机试验，证明各项指标达到要求，说明研制取得了成功；文献[6]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,重点介绍电动机变频调速原理、电磁设计和结构设计,运用ANSYS仿真软件对电磁和结构部分进行了分析优化设计，对产品的性能、创新性及技术经济性进行了分析；文献[7]主要针对变频一体机的水冷结构进行研究，建立其水冷结构散热模型,运用仿真软件ANSYS Workbench中流体动力学分析模块对一体机的变频部分、电抗箱部分和电动机部分的流体场进行了仿真计算,并将理论仿真计算与实验数据计算结果进行对比,证明设计的水冷结构符合要求。

本文在国内已有的变频一体机技术的基础上，从降低产品功耗、改进水冷结构以改善散热情况、提高功率因数、降低电动机轴电压危害等优化变频一体机性能方面出发，设计研发了1 000 kW/3 300 V矿用隔爆兼本质安全型变频调速一体机，具有调速性能好、运行范围宽、反应速度快、控制功能完备、精度高、低温升、低谐波、效率高、体积小等优点，适合在采掘工作面空间狭小的煤矿井下使用。目前，变频一体机正在向节能化、集成化和智能化方向发展，具有广阔的市场前景。

1 一体机的设计

高压变频调速一体机的主体部分由变频装置、三相交流异步电动机以及各自的水冷散热系统组成，外形尺寸为2 277 mm×950 mm×1 355 mm，实物如图1所示,其中变频装置部分包含变频主电路、控制电路、驱动电路等。外部控制系统主要采用西门子S7-1200 PLC装置。一体机的整体电气原理如图2所示。

图1 变频调速一体机实物图

图2 变频一体机电气原理

1.1 主回路组成及原理

变频组件是由电压型“交-直-交”变频拓扑结构实现。R、S、T为3 300 V三相高压交流电源进线端，取其中两相电压经降压变压器得到220 V交流电，作为控制单元的电源输入。上电初始阶段真空接触器KM2闭合，主电路中接入充电电阻对直流母线电容进行预充电，防止上电瞬间电容充电电流过大，避免损坏整流桥和直流母线电容。当直流母线电压达到一定值,预充电过程结束，接触器KM1闭合，充电电阻被短路掉。可以直流部分还接有放电电阻，可以在一体机制动停机的过程中快速释放直流侧的能量，将其转化为放电电阻的热量耗散掉，使直流母线电压快速降到安全电压以下，方便设备的下次启动。三相输入滤波器作为一种滤波设备，主要用于抑制变频器在整流过程中产生的高次谐波，还可以防止变频器被干扰，提高系统的功率因数，缓解三相不平衡的影响。三相整流桥各桥臂由4个二极管组成，同相的上下两桥臂各串联2个二极管，与单二极管相比每个二极管承受的电压变为原来的一半。变频器的逆变单元采用中点钳位型三电平拓扑结构，输出占空比可调的三相电压，驱动电动机在给定频率下运转。

1.2 电动机设计

一体机的电动机部分为一台三相笼型交流异步电动机。作为一种常见的交流电动机，异步电动机具有结构简单、运行可靠、重量轻、价格低等优点。在传统的异步电动机设计基础上，本产品电动机在设计制造过程中有如下几个方面的考量：

1) 当用变频装置驱动电动机运转时，变频器输出的电流由于高频开关的作用导致电动机轴上产生感应电压。当电压通过轴承时，由于油膜的存在，会随机性地出现绝缘或导通的状态，期间会形成电弧，使得电动机运行噪音变大，能效降低，带来损害。为了减小轴电流的危害，传统电动机设计如文献[5]中的方法是在电动机的非驱动端采用绝缘端盖来切断轴电流。针对大功率电动机中可能出现的较大轴电流，本产品采用绝缘轴承以达到更好地隔离轴电流的效果。绝缘轴承的结构包括外圈绝缘、内圈绝缘或滚柱绝缘，在轴承的外表面喷镀优质覆膜，覆膜与基体结合力强，绝缘性能好，可将形成轴电流的回路切断，避免感应电流对轴承的电蚀作用，防止电流对润滑脂和滚动体、滚道造成的损坏，提高轴承的使用寿命。

2) 仅仅隔离轴电流通过电动机轴承的流通途径还是不够的，轴电流还是会通过与其连接的负载设备的轴承进行放电。矿用电动机负载波动大，电动机设计寿命远低于民用电动机，轴承在运行中容易局部损伤造成绝缘轴承失效，因此在采用绝缘轴承的基础上电动机还加装了导电环来保护负载。导电环作为一种安全泄放装置，其作用是将轴电流引流且向大地泄放，从而避免轴电流流经轴承处，以保证轴承的安全，更延长整个电动机及其主机厂设备的寿命及安全工作周期。经过实际测试，安装导电环之后，轴电压由原来的0.25 V降低到0.006～0.008 V，得到显著改善。

3) 电晕是一种比较常见的电动机线圈游离放电现场，会对电动机绝缘材料造成极大额腐蚀，进而影响电动机的正常安全运行。鉴于此，电动机使用了定制的耐电晕硬扁铜线，与传统电磁线相比，该耐电晕硬扁铜线具有耐击穿电压较高、耐热等级高、绝缘厚度薄和耐刮性能好的特点，可以尽量降低电晕现象带来的危害，有力保证电动机安全运行。

1.3 变频器的控制电路和驱动电路

控制电路完成信息的采集和处理以及控制指令的发送。它采集大部分的实时信号，经过对应的算法处理后产生主电路IGBT的驱动信号，可以说是变频部分的心脏。生成相应的PWM控制信号后，驱动单元就可以对接收到的IGBT触发信号进行隔离放大，进而驱动IGBT，控制开关管的导通和关断时间。同时还进行电流、电压及温度等变量信息的预处理，以便在发生故障时及时对IGBT进行保护。

1.4 一体机控制系统设计

一体机的控制系统部分关键部件采用西门子公司的SIMATIC S7-1200 PLC控制器，实现了模块化和紧凑型设计。控制系统整体设计采用一主多从的方式，实现了多台一体机的同时控制。各一体机内部与变频器相连的PLC作为从站，采集一体机当前运行状态以及关键点的温度信息；外部控制箱内的PLC作为主站，根据按键情况下发相应控制指令和转速基准到从站当中。从站根据主站下发的指令与速度基准直接控制一体机运行。

主从PLC之间以及从站PLC与变频器之间均采用Modbus RTU协议进行通信。作为一种标准、开放的通信协议，其支持较多类型的电气接口，帧格式简单、紧凑，易于传输，通俗易懂，应用十分广泛。为了应对复杂工作环境下通信时的低频干扰问题，本产品通信电缆采用的是铠装双绞屏蔽电缆，相比普通电缆除了增强了抗拉强度、抗压强度等机械保护以延长使用寿命外，还可以通过屏蔽保护提高电缆的抗干扰性能，保证设备之间的可靠通信。

1.5 外部循环水冷系统

尽管一体机的效率很高，但是由于大功率产品电能转换量很大，即使能量损耗较少，也会导致数千瓦至数十千瓦废热的产生，必须设法将这些热量耗散掉，冷却散热系统便成为一体机正常运行的关键。在煤矿井下这种具有防爆要求的特殊场合中，液冷散热较为适合。为了有效提高散热效率，该一体机创造性地采用双水冷系统设计，电动机部分和变频部分的水路分离，经验证成效显著，下文将结合具体实验详细分析。

1.6 显示屏

一体机非驱动端正面安装有显示屏，能够接收从站PLC采集到实时信息并显示出来。一体机正常运行时，通过显示屏显示直流母线电压、变频输出电流、输出功率和电动机转速以及各关键点的温度等实时参数；一体机发生故障时，还可准确显示故障信息，具有历史故障记录的功能。

2 产品优势

1) 低功耗。变频主电路的模块器件采用英飞凌最新一代IGBT，管压降低至2.75 V，降低了变频器主电路的损耗。直流电抗器采用铝壳灌封超微晶直流电抗器，最大适配功率1 800 kW，额定工况下的损耗仅为约800 W。控制变压器采用环形变压器，铁心无气隙，效率可达90%～93%，具有磁漏感小、体积小、过载强、温升低等优点。采用铁基非晶合金材料代替硅钢片，其最大磁导率约为硅钢片的6倍，厚度仅27微米，是硅钢片的9%；在50 Hz、1.3T磁感应强度的工况下，损耗P<0.2 W/kg，是硅钢片的17%。电动机部分采用新型冷轧硅钢片，磁饱和点高，单位损耗低，可加工性强，能在有限空间体积内提高电动机功率因数，降低附加损耗从而提升电动机效率，降低电动机发热。综合分析一体机各个环节的损耗情况并进行相应的优化设计，降低了该一体机的整体功耗。

2) 低谐波。直流电抗器采用的是铝壳灌封超微晶直流电抗器，安装于变流器的直流侧，流过具有交流分量的直流电流。其主要用途是将叠加在直流电流上的交流分量限定在某一规定值，改善电容滤波造成的输入电流波形畸变，减少和防止因冲击电流造成的整流桥损坏和电容过热，延长电容的使用寿命，改善输入功率因数，排除对负载的不利影响。直流平波电抗器的滤波效果对照如图3所示。

图3 直流平波电抗器的滤波效果对照

此外，变频器的逆变单元采用中点钳位型三电平拓扑结构，与两电平逆变器相比，中点钳位型三电平逆变器具有输出电压电流谐波小，开关器件承受的电压及开关损耗减半等优势，还可以有效减小滤波器等无源器件的体积和重量。

主回路设计引入低电感设计技术，有效减少主回路工作中的电感产生，降低回路电感约50%，从而减小主回路当中的Du/Dt、Di/Dt，提高产品在实际应用中的可靠性。

3) 低温升。传统变频一体机多采用水冷散热结构，变频器部分的水冷板与机座水路串联。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。此外，文献[5]所述一体机水冷系统还在定、转子铁芯上设计轴向通风道，由内风扇驱动形成内风路，使电动机内部温度分布更均匀。本产品水冷系统省略了定、转子铁心上的轴向通风道和内风扇，而是创造性地采用双水冷系统设计，直接在铜板上开水路，变频器与电动机水路进行并联应用，各自使用独立的水冷系统，提高变频一体机的整体冷却效率，可靠性得到进一步提高。水冷板采用铜水冷基板，使热阻最小、温升最低。在整个铜板上铣出水道，然后在水道上直接使用摩擦搅拌焊接方案，可以使焊接深度达到10 mm，使水道可以耐受3 MPa的水压及可用外水进行冷却，并对铜水冷板进行3 MPa设计与试压，全部采用深孔钻进行工艺加工。现场对变频一体机进行温升实验，按照标准，一体机周围空气温度在10 ℃～40 ℃，处于规定的通风和散热条件下、额定工况下运行，每隔30 min使用红外测温计测量规定的IGBT、直流母线电容、电动机绕组等主要部件，实验持续了4个多小时，最终测得各个关键位置的温升结果记录见表1。

表1 变频一体机温升实验结果

从温升实验得到的结果可以看到，冷却水压为1 MPa，在额定工况下，一体机连续运行4 h以上，变频环节的逆变部分温升最高，最终稳定在42 ℃左右，温升大概为24 ℃；电容温升18 ℃；滤波器温升26 ℃；作为发热情况最为严重的电动机绕组，其U相和W相的绕组最终温度稳定在113 ℃左右，温升大概为96 ℃，均符合温升实验的标准要求。

3 电气实验

实验采用变频一体机和实验中心试验台设备进行互拖，在不同的输出频率下分别记录变频部分的输入和输出电压、电流，电网功率因数，一体机主要位置噪声以及电动机转速等，其实验结果如表2所示。根据设计要求，一体机运行频率范围为0～60Hz，实验中，一体机在运行范围内的不同频率下均稳定可靠地带载工作，可以通过控制箱人为下发控制指令操纵一体机运行，一体机也可以快速响应指令，完成启停、加减速等一系列操作，显示屏也可以正常显示一体机相关参数。人为设置故障后，控制系统能可靠检测到故障发生的类型，并相应地进行报警或强制一体机停止运行，显示屏显示并储存故障信息，待消除故障复位系统之后才可以再次启动一体机。由实验结果可知一体机在额定50 Hz运行频率下，满载运行时电网功率因数可达0.934，显著优于前文所述样机试验测得的功率因数。

表2 变频一体机电气实验结果记录

4 结论

本文介绍了一款1 000 kW/3 300 V矿用隔爆兼本质安全型变频调速一体机的设计研制过程，重点介绍了一体机设计组成及原理，突出了电动机、变频器、控制系统、水冷散热系统等各方面的设计特点，凸显了该产品低功耗、低谐波、低温升等技术优势，并且完成了电气以及温升实验，证明本产品的设计合理，性能指标先进，各项电气性能稳定，在可靠性方面均达到设计要求的水平，取得了成功，有广阔的应用前景。