高壓礦用隔爆兼本質安全型變頻調速一體機的設計研發

米子恩,薛超,齊亞周,朱耿超

(1.西安交通大學， 陜西 西安 712000;2.西北駿馬電機制造有限公司， 寧夏 石嘴山 753000)

0 引言

隨著煤礦自動化技術的發展，交流變頻調速技術在煤礦井下得到廣泛應用,現階段煤礦設備大多采用變頻調速、異步電動機驅動方式[1]。傳統的變頻裝置和電動機分離布置的方式存在占用空間大、功率分配不均、設備故障率高、耗能高、綜合成本高等弊端，不利于井下作業[2]。此外長距離供電電纜會形成分布電感和分布電容，變頻器輸出高頻信號時，對感抗高的電動機絕緣壽命有不利影響，電動機端頭電壓大幅升高，需要加強絕緣結構來適應非正弦波的電壓，同時必須縮短供電電纜長度，以降低對電動機絕緣的危害[3]。變頻調速產生的電動機軸電流還會直接危害電動機的軸承，軸承電流會使軸承表面產生點蝕，最終導致軸承早期損害，大幅降低整機使用壽命，因而需要對軸承絕緣采取技術措施保證電動機長期正常運行[4]。為了解決這些問題，需要將變頻器和電動機兩者進行更好地結合以實現電動機直驅。由此，作為將變頻技術、電動機技術和隔爆技術相結合的機電一體化產品，礦用隔爆變頻一體機應運而生。我國市場上最早出現的礦用變頻一體機主要是德國保越公司的產品，初期只是用在煤礦刮板機上,產品覆蓋面窄,并且屬于技術封鎖項目，國內采購價格十分昂貴。其主電路采用常規變頻拓撲結構，吸收電路、濾波器件繁多，導致故障率高，維修成本高。近年來，國內不少廠家都在進行相關產品的試制，比如撫順、青島天信、中加特等。通過對煤礦開采變頻一體機的研發和產業化建設,在技術上已達到國際先進水平,并形成了一批具有自主知識產權的產品和技術。其中青島中加特研發的一體機主電路采用核心自主知識產權，擁有發明專利技術，功能完備、結構簡潔，變頻控制精度高，體積小，運輸安裝方便，已經做到替代德國保越公司的產品；文獻[5]提到一種1 200 kW/3.3 kV礦用隔爆兼本質安全型變頻調速一體機的研制，從系統配置、變頻器設計、電動機設計、結構設計等方面進行介紹，結合樣機試驗，證明各項指標達到要求，說明研制取得了成功；文獻[6]介紹了礦用隔爆兼本質安全型變頻調速一體機的研制過程,重點介紹電動機變頻調速原理、電磁設計和結構設計,運用ANSYS仿真軟件對電磁和結構部分進行了分析優化設計，對產品的性能、創新性及技術經濟性進行了分析；文獻[7]主要針對變頻一體機的水冷結構進行研究，建立其水冷結構散熱模型,運用仿真軟件ANSYS Workbench中流體動力學分析模塊對一體機的變頻部分、電抗箱部分和電動機部分的流體場進行了仿真計算,并將理論仿真計算與實驗數據計算結果進行對比,證明設計的水冷結構符合要求。

本文在國內已有的變頻一體機技術的基礎上，從降低產品功耗、改進水冷結構以改善散熱情況、提高功率因數、降低電動機軸電壓危害等優化變頻一體機性能方面出發，設計研發了1 000 kW/3 300 V礦用隔爆兼本質安全型變頻調速一體機，具有調速性能好、運行范圍寬、反應速度快、控制功能完備、精度高、低溫升、低諧波、效率高、體積小等優點，適合在采掘工作面空間狹小的煤礦井下使用。目前，變頻一體機正在向節能化、集成化和智能化方向發展，具有廣闊的市場前景。

1 一體機的設計

高壓變頻調速一體機的主體部分由變頻裝置、三相交流異步電動機以及各自的水冷散熱系統組成，外形尺寸為2 277 mm×950 mm×1 355 mm，實物如圖1所示,其中變頻裝置部分包含變頻主電路、控制電路、驅動電路等。外部控制系統主要采用西門子S7-1200 PLC裝置。一體機的整體電氣原理如圖2所示。

圖1 變頻調速一體機實物圖

圖2 變頻一體機電氣原理

1.1 主回路組成及原理

變頻組件是由電壓型“交-直-交”變頻拓撲結構實現。R、S、T為3 300 V三相高壓交流電源進線端，取其中兩相電壓經降壓變壓器得到220 V交流電，作為控制單元的電源輸入。上電初始階段真空接觸器KM2閉合，主電路中接入充電電阻對直流母線電容進行預充電，防止上電瞬間電容充電電流過大，避免損壞整流橋和直流母線電容。當直流母線電壓達到一定值,預充電過程結束，接觸器KM1閉合，充電電阻被短路掉?？梢灾绷鞑糠诌€接有放電電阻，可以在一體機制動停機的過程中快速釋放直流側的能量，將其轉化為放電電阻的熱量耗散掉，使直流母線電壓快速降到安全電壓以下，方便設備的下次啟動。三相輸入濾波器作為一種濾波設備，主要用于抑制變頻器在整流過程中產生的高次諧波，還可以防止變頻器被干擾，提高系統的功率因數，緩解三相不平衡的影響。三相整流橋各橋臂由4個二極管組成，同相的上下兩橋臂各串聯2個二極管，與單二極管相比每個二極管承受的電壓變為原來的一半。變頻器的逆變單元采用中點鉗位型三電平拓撲結構，輸出占空比可調的三相電壓，驅動電動機在給定頻率下運轉。

1.2 電動機設計

一體機的電動機部分為一臺三相籠型交流異步電動機。作為一種常見的交流電動機，異步電動機具有結構簡單、運行可靠、重量輕、價格低等優點。在傳統的異步電動機設計基礎上，本產品電動機在設計制造過程中有如下幾個方面的考量：

1) 當用變頻裝置驅動電動機運轉時，變頻器輸出的電流由于高頻開關的作用導致電動機軸上產生感應電壓。當電壓通過軸承時，由于油膜的存在，會隨機性地出現絕緣或導通的狀態，期間會形成電弧，使得電動機運行噪音變大，能效降低，帶來損害。為了減小軸電流的危害，傳統電動機設計如文獻[5]中的方法是在電動機的非驅動端采用絕緣端蓋來切斷軸電流。針對大功率電動機中可能出現的較大軸電流，本產品采用絕緣軸承以達到更好地隔離軸電流的效果。絕緣軸承的結構包括外圈絕緣、內圈絕緣或滾柱絕緣，在軸承的外表面噴鍍優質覆膜，覆膜與基體結合力強，絕緣性能好，可將形成軸電流的回路切斷，避免感應電流對軸承的電蝕作用，防止電流對潤滑脂和滾動體、滾道造成的損壞，提高軸承的使用壽命。

2) 僅僅隔離軸電流通過電動機軸承的流通途徑還是不夠的，軸電流還是會通過與其連接的負載設備的軸承進行放電。礦用電動機負載波動大，電動機設計壽命遠低于民用電動機，軸承在運行中容易局部損傷造成絕緣軸承失效，因此在采用絕緣軸承的基礎上電動機還加裝了導電環來保護負載。導電環作為一種安全泄放裝置，其作用是將軸電流引流且向大地泄放，從而避免軸電流流經軸承處，以保證軸承的安全，更延長整個電動機及其主機廠設備的壽命及安全工作周期。經過實際測試，安裝導電環之后，軸電壓由原來的0.25 V降低到0.006～0.008 V，得到顯著改善。

3) 電暈是一種比較常見的電動機線圈游離放電現場，會對電動機絕緣材料造成極大額腐蝕，進而影響電動機的正常安全運行。鑒于此，電動機使用了定制的耐電暈硬扁銅線，與傳統電磁線相比，該耐電暈硬扁銅線具有耐擊穿電壓較高、耐熱等級高、絕緣厚度薄和耐刮性能好的特點，可以盡量降低電暈現象帶來的危害，有力保證電動機安全運行。

1.3 變頻器的控制電路和驅動電路

控制電路完成信息的采集和處理以及控制指令的發送。它采集大部分的實時信號，經過對應的算法處理后產生主電路IGBT的驅動信號，可以說是變頻部分的心臟。生成相應的PWM控制信號后，驅動單元就可以對接收到的IGBT觸發信號進行隔離放大，進而驅動IGBT，控制開關管的導通和關斷時間。同時還進行電流、電壓及溫度等變量信息的預處理，以便在發生故障時及時對IGBT進行保護。

1.4 一體機控制系統設計

一體機的控制系統部分關鍵部件采用西門子公司的SIMATIC S7-1200 PLC控制器，實現了模塊化和緊湊型設計?？刂葡到y整體設計采用一主多從的方式，實現了多臺一體機的同時控制。各一體機內部與變頻器相連的PLC作為從站，采集一體機當前運行狀態以及關鍵點的溫度信息；外部控制箱內的PLC作為主站，根據按鍵情況下發相應控制指令和轉速基準到從站當中。從站根據主站下發的指令與速度基準直接控制一體機運行。

主從PLC之間以及從站PLC與變頻器之間均采用Modbus RTU協議進行通信。作為一種標準、開放的通信協議，其支持較多類型的電氣接口，幀格式簡單、緊湊，易于傳輸，通俗易懂，應用十分廣泛。為了應對復雜工作環境下通信時的低頻干擾問題，本產品通信電纜采用的是鎧裝雙絞屏蔽電纜，相比普通電纜除了增強了抗拉強度、抗壓強度等機械保護以延長使用壽命外，還可以通過屏蔽保護提高電纜的抗干擾性能，保證設備之間的可靠通信。

1.5 外部循環水冷系統

盡管一體機的效率很高，但是由于大功率產品電能轉換量很大，即使能量損耗較少，也會導致數千瓦至數十千瓦廢熱的產生，必須設法將這些熱量耗散掉，冷卻散熱系統便成為一體機正常運行的關鍵。在煤礦井下這種具有防爆要求的特殊場合中，液冷散熱較為適合。為了有效提高散熱效率，該一體機創造性地采用雙水冷系統設計，電動機部分和變頻部分的水路分離，經驗證成效顯著，下文將結合具體實驗詳細分析。

1.6 顯示屏

一體機非驅動端正面安裝有顯示屏，能夠接收從站PLC采集到實時信息并顯示出來。一體機正常運行時，通過顯示屏顯示直流母線電壓、變頻輸出電流、輸出功率和電動機轉速以及各關鍵點的溫度等實時參數；一體機發生故障時，還可準確顯示故障信息，具有歷史故障記錄的功能。

2 產品優勢

1) 低功耗。變頻主電路的模塊器件采用英飛凌最新一代IGBT，管壓降低至2.75 V，降低了變頻器主電路的損耗。直流電抗器采用鋁殼灌封超微晶直流電抗器，最大適配功率1 800 kW，額定工況下的損耗僅為約800 W?？刂谱儔浩鞑捎铆h形變壓器，鐵心無氣隙，效率可達90%～93%，具有磁漏感小、體積小、過載強、溫升低等優點。采用鐵基非晶合金材料代替硅鋼片，其最大磁導率約為硅鋼片的6倍，厚度僅27微米，是硅鋼片的9%；在50 Hz、1.3T磁感應強度的工況下，損耗P<0.2 W/kg，是硅鋼片的17%。電動機部分采用新型冷軋硅鋼片，磁飽和點高，單位損耗低，可加工性強，能在有限空間體積內提高電動機功率因數，降低附加損耗從而提升電動機效率，降低電動機發熱。綜合分析一體機各個環節的損耗情況并進行相應的優化設計，降低了該一體機的整體功耗。

2) 低諧波。直流電抗器采用的是鋁殼灌封超微晶直流電抗器，安裝于變流器的直流側，流過具有交流分量的直流電流。其主要用途是將疊加在直流電流上的交流分量限定在某一規定值，改善電容濾波造成的輸入電流波形畸變，減少和防止因沖擊電流造成的整流橋損壞和電容過熱，延長電容的使用壽命，改善輸入功率因數，排除對負載的不利影響。直流平波電抗器的濾波效果對照如圖3所示。

圖3 直流平波電抗器的濾波效果對照

此外，變頻器的逆變單元采用中點鉗位型三電平拓撲結構，與兩電平逆變器相比，中點鉗位型三電平逆變器具有輸出電壓電流諧波小，開關器件承受的電壓及開關損耗減半等優勢，還可以有效減小濾波器等無源器件的體積和重量。

主回路設計引入低電感設計技術，有效減少主回路工作中的電感產生，降低回路電感約50%，從而減小主回路當中的Du/Dt、Di/Dt，提高產品在實際應用中的可靠性。

3) 低溫升。傳統變頻一體機多采用水冷散熱結構，變頻器部分的水冷板與機座水路串聯。冷卻水通過變頻器的冷卻板通過機座連接進入前端蓋，從前端蓋出來流向機座，從機座出來后流向后端蓋，再經機座流向電抗器箱，如此進行循環，最終從電抗器箱上流出。此外，文獻[5]所述一體機水冷系統還在定、轉子鐵芯上設計軸向通風道，由內風扇驅動形成內風路，使電動機內部溫度分布更均勻。本產品水冷系統省略了定、轉子鐵心上的軸向通風道和內風扇，而是創造性地采用雙水冷系統設計，直接在銅板上開水路，變頻器與電動機水路進行并聯應用，各自使用獨立的水冷系統，提高變頻一體機的整體冷卻效率，可靠性得到進一步提高。水冷板采用銅水冷基板，使熱阻最小、溫升最低。在整個銅板上銑出水道，然后在水道上直接使用摩擦攪拌焊接方案，可以使焊接深度達到10 mm，使水道可以耐受3 MPa的水壓及可用外水進行冷卻，并對銅水冷板進行3 MPa設計與試壓，全部采用深孔鉆進行工藝加工?，F場對變頻一體機進行溫升實驗，按照標準，一體機周圍空氣溫度在10 ℃～40 ℃，處于規定的通風和散熱條件下、額定工況下運行，每隔30 min使用紅外測溫計測量規定的IGBT、直流母線電容、電動機繞組等主要部件，實驗持續了4個多小時，最終測得各個關鍵位置的溫升結果記錄見表1。

表1 變頻一體機溫升實驗結果

從溫升實驗得到的結果可以看到，冷卻水壓為1 MPa，在額定工況下，一體機連續運行4 h以上，變頻環節的逆變部分溫升最高，最終穩定在42 ℃左右，溫升大概為24 ℃；電容溫升18 ℃；濾波器溫升26 ℃；作為發熱情況最為嚴重的電動機繞組，其U相和W相的繞組最終溫度穩定在113 ℃左右，溫升大概為96 ℃，均符合溫升實驗的標準要求。

3 電氣實驗

實驗采用變頻一體機和實驗中心試驗臺設備進行互拖，在不同的輸出頻率下分別記錄變頻部分的輸入和輸出電壓、電流，電網功率因數，一體機主要位置噪聲以及電動機轉速等，其實驗結果如表2所示。根據設計要求，一體機運行頻率范圍為0～60Hz，實驗中，一體機在運行范圍內的不同頻率下均穩定可靠地帶載工作，可以通過控制箱人為下發控制指令操縱一體機運行，一體機也可以快速響應指令，完成啟停、加減速等一系列操作，顯示屏也可以正常顯示一體機相關參數。人為設置故障后，控制系統能可靠檢測到故障發生的類型，并相應地進行報警或強制一體機停止運行，顯示屏顯示并儲存故障信息，待消除故障復位系統之后才可以再次啟動一體機。由實驗結果可知一體機在額定50 Hz運行頻率下，滿載運行時電網功率因數可達0.934，顯著優于前文所述樣機試驗測得的功率因數。

表2 變頻一體機電氣實驗結果記錄

4 結論

本文介紹了一款1 000 kW/3 300 V礦用隔爆兼本質安全型變頻調速一體機的設計研制過程，重點介紹了一體機設計組成及原理，突出了電動機、變頻器、控制系統、水冷散熱系統等各方面的設計特點，凸顯了該產品低功耗、低諧波、低溫升等技術優勢，并且完成了電氣以及溫升實驗，證明本產品的設計合理，性能指標先進，各項電氣性能穩定，在可靠性方面均達到設計要求的水平，取得了成功，有廣闊的應用前景。