中压矿用隔爆兼本质安全型变频调速一体机研制

2017-07-05霍华锋

电子技术与软件工程 2017年12期

摘要以一台1200kW 3.3kV 0～60Hz 4P矿用隔爆兼本质安全型变频调速一体机的研制为例，从系统配置，变频器设计，电机设计，结构设计等方面，并结合相关仿真及样机试验，防爆认证等说明研制取得了成功。

【关键词】中压隔爆本质安全型变频调速一体机

随着煤矿行业的整合发展，矿用设备也在往大型化，变频调速节能化，集成化，智能化方向发展，做为矿用设备拖动机的电动机功率随之增大，为节能降耗，节省空间，降低电缆成本，煤矿井下配电电网正在逐步过渡到中压3.3kV等级，为适应这一变化，湘潭电机公司提出研制矿用隔爆兼本质安全型变频调速一体机（以下简称一体机）。

一体机是将变频技术、电机技术与隔爆技术结合，变频器与电动机集成的行走一体机，是机电一体化产品，体积小，功率密度大，节能高效，非常适合煤矿井下运行工况要求，可广泛用于绞车，掘进机，刮板机和皮带运输机等矿用设备。

1 设计要素

1.1 系统设计

根据矿用设备运行工况，输入输出特性，功能特性，一体机防爆标志为Ex d [ib]ⅠMb，防爆性能按照GB3836.1-2010，GB3836.2-2010以及GB3836.4-2010的要求。总体结构设计成水冷结构，变频器模块装在隔爆箱体内，隔爆箱体装在水冷却板上，水冷却板装在电动机上端平面上，变频器与电动机通过水冷却板的连接集成在一起。一体机系统按图1配置。

1.2 变频器设计

变频器主要包括滤波器，整流器，预充电单元，支撑电容单元和逆变器，控制单元，水冷却板等。变频器满足隔爆兼本质安全型的防爆要求。

变频器采用2路交流电压输入，12脉波整流，矢量控制方式。对比常规6脉波整流，12脉波整流可降低网侧谐波50%以上，便于中点电位控制，提高EMC电磁兼容性。

变频器的逆变器采用三电平拓扑结构，与两电平拓扑结构相比，dv/dt减小50%，对电动机绝缘系统的冲击大幅减小。

直流支撐电容是决定变频器产品维护周期和使用寿命的关键因素，直流支撑电容按照寄生电感小，寄生电阻小、发热少，有自愈性、长寿命的原则进行设计。

变频器功率单元按照模块化设计，每个功率单元对外有统一的接线端口，功率单位直接安装在水冷却板上。水冷却板做为变频器各功率单元的冷却部件，其水路按并联设计，每个功率单元下都有对应的冷却单元。按照功率单元的发热量设计水冷却板的换热能力。

由于一体机需满足单机拖动或多机同步拖动的要求，变频器设计需满足高性能的矢量控制，多机负载均衡性控制，高可靠的远程连锁控制。变频器的控制单元按照模块化设计，控制端子进行防呆设计。

变频器加速、减速时间在2～2000s范围内任意设定，频率满足人机界面设定、模拟量设定、多段速设定、远程通讯设定等多种设定方式，频率设定精度0.01Hz。

1.3 电动机设计

电动机主要包括定子、转子、端盖、轴承等部件，电动机满足GB3836.2-2010规定的隔爆要求。

1.3.1 电动机由变频电源供电，首先要进行绝缘结构设计

根据变频电源的谐波含量和dV/dt值以及使用工况对过载能力的高要求，电动机采用H级绝缘，相对F级绝缘，H级绝缘有更好的耐热老化能力。

变频器输出的高次谐波电压完全加载在电机负载端，峰值电压幅值较大，dv/dt值较高，作用在定子绕组绝缘层内的局部放电量大，定子绕组端部出槽口处电位差大，会产生严重的电晕放电，首先对定子绕组匝间绝缘采用云母绕包电磁线，增加匝绝缘厚度，加强匝间耐高频脉冲老化的性能；其次增加对地绝缘厚度，对定子绕组进行防晕处理，避免定子绕组表面与槽壁的间隙放电，减小定子绕组端部出槽口处电位差，保证电机运行期间不产生电晕放电，提高电机绝缘可靠性。

电动机非驱动端采绝缘端盖，切断由轴电压引起的轴电流，保护轴承不受电蚀，提高轴承运行质量。

1.3.2 电磁设计

电磁设计通过采用合适的绝缘结构，合理的槽配合，槽形结构，优化电、磁、热等负荷的选取，合理分配各项损耗。电磁设计采用路场结合，首先根据性能指标采用磁路法进行电磁方案计算，然后进行二维电磁场和系统动态仿真分析，得出优化的电磁方案。

1.3.3 结构设计

结构设计满足Ex dIMb的要求，并根据机座凸缘悬挂的特殊安装方式，进行机座等主要结构件力学性能计算，并结合有限元仿真分析对相关结构件进行优化，确保各部件承受最大应力和变形量满足要求。

转轴设计成刚性结构，一阶临界转速在1.3倍最大工作转速以上。

1.3.4 通风散热设计

机座及端盖采用水夹层结构，机座上设计螺旋水道，端盖上设计环形水道。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。

1.4 防潮设计

一体机多运行在矿井下，比较潮湿，在各结合面处设置密封条，一体机内部设置防冷凝空间加热器，并采用防中等强度腐蚀型电动机表面涂层，以上措施提高了防潮性能，防止隔爆面锈蚀。

2 样机验证

以一台1200kW 3.3kV 0～60Hz 4极一体机为研制对象，采用上述措施进行样机试制。通过模拟一体机现场IMB10特殊安装方式，与拖动机对拖进行型式试验，主要性能指标（50Hz试验值）如表1所示。