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中压矿用隔爆兼本质安全型变频调速一体机研制

南阳防爆2019-07-12 15:16:07

【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。

 

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Exd[ib]Mb,防爆性能按照GB3836.1-2010GB3836.2-2010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。

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电网、熔断器、接触器、滤波器、整流器、预充电、支撑电容、逆变器

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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。

直流支撑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ExdIMb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。

由试验结果可知,一体机各项性能指标均优于相关技术标准的保证值,效率及功率因数高,振动小,噪声低,温升低,达到了预期目标。


3 样机防爆认证

样机分别在湘潭电机公司和防爆认证机构进行防爆认证试验,各项指标全部合格,样机YJVFT-500M-4(1200kW/3300V)已经取得国家防爆认证机构颁发的防爆合格证,矿用产品安全标志证书,全国工业产品生产许可证。


4 结论

样机试制成功并顺利通过防爆认证,表明湘潭电机公司的一体机研制取得了成功,对一体机的国产化具有重要的推动意义。


参考文献

[1]陈世坤.电机设计(2)[M].北京:机械工业出版社,2000.

[2]陈伯时,陈敏逊交流调速系统[M].北京:机械工业出版社,1998.

本文转自《电子技术与软件工程2017年12期

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