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机电传动控制论文

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

班级：

机械一班

学号：

201110810852

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

（单位：

哈尔滨商业大学吴铃铃）

摘要：

通过分析变频器供电对电动机的影响,结合绞车用低转速、大容量电机的特殊的性能要求,主要阐述了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设计、制造与试验等相关问题,说明了设计、制造中所必须考虑的因素。

关键词：

低压低速大容量绞车;变频调速;隔爆型电动机

Abstrac：

tThroughtheanalysisoftheinverterpowersupplytothemotorwinch,combinedwiththeperformancerequirementsforspeciallowspeed,largecapacitymotor,mainlyexpoundsexplosion-proofdesign,typevariablefrequencyspeedcontrolofthree-phaseasynchronousmotormanufacturingandtestrelatedproblemswithlowspeedlargecapacitywinch,andthefactorsthatmustbeconsideredinthedesign,manufacture.

Keyword：

Lowspeedlargecapacitywinch;inverter;flameproofmotor

前言

随着全国煤炭行业的快速发展,煤矿安全问题显得尤为突出,按照《煤矿安全规程》的规定,在有瓦斯和煤尘爆炸危险的矿井内,必须使用防爆电气设备。

但现在国内大型绞车用电动机有些采用非防爆绕线转子电动机,它不符合《煤矿安全规程》,而且绕线转子电动机串电阻调速系统调速性能差,运行效率低、电阻冷却困难。

为提高原煤产量和煤矿井下有瓦斯区域的安全性,现各煤矿纷纷对绞车提升系统进行技术改造,以满足生产与安全的要求。

接地,碳刷接触电压降导师致轴伸对地电压低;非轴伸端因轴承套对地绝缘,轴头对地电压仍保持着转子两端的电压值。

轴电流不再经轴承接地,轴承就避免了电腐蚀的发生。

电机运转轴承无异声,轴承温度明显降低,振动速度有效值最大才1.8mms,表明本电动机返修采取的轴电流防止措施取得了预期的效果。

近几年来,随着电力电子技术的不断发展,交流变频调速理论研究和技术应用的日趋成熟和完善,变频调速系统以它良好的调速性能和较高的可靠性,成为煤矿绞车提升系统技术改造的首选。

但由于绞车用隔爆型三相异步电动机具有多极数、大容量、高转矩、启动频繁等特点,同时还要统筹考虑变频电机的特点,电机要适宜于煤矿井下存在爆炸性危险气体的环境和恶劣的使用环境,设计难度很大,国内电机制造厂家很少涉足。

针对市场需要,我公司自主开发了低压低速大容量绞车用隔爆型变频调速三相异步电动机,满足了用户的要求。

下面对该类型电机的设计、制造与试验等主要问题进行分析。

一、问题的提出

1.1谐波电压和谐波电流对电机效率和温升的影响

变频器供电电压和电流含有丰富的谐波,引起很大的转子谐波损耗等,使效率和功率因数下降,额外发热,一般温升约增加10%～12%。

1.2　低速运行时冷却问题

低速时低压电压补偿,会使铁心磁路饱和,以致温升过高。

自带风扇电机转速降低,冷却风量与转速成比例下降,也使温升增高

1.3冲击电压对绝缘的影响

变频器采用PWM控制,载波频率可是几千赫兹到几万赫兹,使线圈上du/dt很高,相当于反复施加电压徒度很大的冲击电压,承受如此大的强电应力,加速绝缘材料老化,所以需要加强电机匝间绝缘和对地绝缘,提高整体机械强度。

1.4谐波转矩

谐波电流产生的谐波转矩,主要为脉动转矩,其平均值为零,但单方向幅值可能很大,当与结构件频率一致或相近时将产生共振,加大噪声。

变频器供电时噪声约增大10～15dB。

1.5启动问题

变频电机启动、制动性能良好,但是频繁启动、制动对电机的机械结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化。

1.6变频的轴电流问题

变频器供电时会有零点漂移,此外静电耦合,经电机轴承构成零序回路,由此产生流过轴承的轴电流。

变频器大量高次谐波,零序阻抗很小,轴电流很大,不但破坏了轴承油膜,而且将在轴承表面产生电弧放电麻点,导致轴承温度升高甚至烧坏。

综合考虑电动机多极数、大容量、低电压大电流、高转矩、启动频繁等特点和由于变频器供电对电动机的影响,同时,其防爆安全性的设计必须符合GB3836系列标准的规定,因此低压低速大容量隔爆型变频调速三相异步电动机的设计需重点考虑以下几个问题:

（1）电气性能满足煤矿绞车工况的要求;

（2）适用于变频驱动,其中最主要的一点就是要设法削弱电源中的谐波含量及其所产生的不利影响;

（3）防爆安全性符合GB3836—2000系列标准的规定。

二、问题的分析

2.1电磁设计

在设计中,首先要考虑煤矿绞车工况对电机性能的特殊要求和多极数电机容易出现定子铁心变形、铸铝转子轴孔变形等现象。

同时还要考虑变频器的特性对电机的影响,关键要减小和限制谐波电压和电流,需要对变频调速系统性能进行研究,进行一体化设计,使电机与变频器很好地匹配,在较宽的调速范围内有良好性能;需要计算在不同工作频率下的性能,包括基频运行性能计算和基频以上及基频以下运行电磁校核。

2.1.1电磁负荷的选择

变频器供电时谐波影响很大,一方面使电流有效值增大;另一方面使气隙最大磁密增大,磁路饱和,功率因数明显下降,损耗增加。

因此,电磁负荷应选得较低,主磁路设计成不饱和状态,并采用高导磁、低损耗冷轧硅钢片,以降低铁耗。

2.1.2　气隙的选择

气隙主要影响励磁电路,对谐波电流影响不大,为提高功率因数,尽量选择较小气隙。

但考虑变频运行时转矩冲击与脉振较大,为避免铁心撞碰和抑制谐波磁场,应适当增大气隙以增加气隙磁阻,减少电磁激振力。

综合以上考虑,气隙应略大于普通电机常规气隙。

2.1.2三圆以及槽配合的选择

三圆的选用应考虑低速产品在生产过程中定子铁心变形、铸铝转子轴孔变形松动等现象。

为此,应考虑将定转子冲片轭部尺寸加大,防止由于冲片轭部强度不够造成定子铁心变形、铸铝转子变形现象。

槽配合主要考虑谐波转矩对启动的影响,应优选槽配合使槽漏抗最低,最大转矩最大,启动到运行过程中电磁噪声较小。

2.1.3绕组型式及定转子槽型的选择

定子绕组可采用正弦绕组和低谐波绕组,削弱谐波含量。

定子槽形需设计的“深而窄”,并采用磁性槽楔,增加串联匝数等方法,以增加定子电抗,抑制高次谐波。

转子槽形应根据电动机的性能指标和使用工况来选择。

绞车用电机一般需要较大的堵转转矩,频繁启动一般需要较低的启动电流,降低启动发热;变频电机要求槽面积尽量大,槽形宜浅不宜深,以获得良好运行性能,并降低高次谐波集肤效应。

这时,需要综合考虑这两个相互关联的矛盾现象,优选集肤效应小,堵转性

能好的槽形。

2.1.4转子是否斜槽

对普通异步电机来说,斜槽可以改善启动性能,削弱附加转矩,降低噪声。

在变频电动机中,斜槽反而会造成漏抗增加,磁场扭转损耗增大,因此转子需采用直槽。

2.2结构设计

2.2.1整体结构设计

电动机总体结构设计方面既要考虑整机结构的紧凑性,又要保证绕组与结构件之间的电气间隙,同时还要尽可能提高结构件的刚性和散热性能;在风路设计方面,既要保证足够的风量和风压,还要控制电机的通风噪声;在轴承选用和轴承结构设计方面,要保证轴承具有高的运行寿命、低摩擦损耗及低噪声,同时应采取有效措施避免轴电流点蚀。

（1）风路设计。

电动机采用机座表面散热片散热冷却,同时设计有内、外两个独立冷却风路。

内部风路通过机座上的4个冷却风道及转子焊筋轴上轴向通风道形成冷却回路;外风路为安装在电机端罩上的轴流风机抽动周围环境介质的冷却气流过机座表面散热片,外部气流沿着散热筋从非传动端流到传动端,电动机各项损耗产生的热量通过内部风路及定子铁心传导到电机机座与外风路形成的冷却气流进行热交换带走热量。

机座和散热筋合理设计,优化气流方向,加快散热速度,散热均匀。

考虑低频时电动机的冷却风扇所产生的冷却风量减小,电动机采用工频冷却风机对电动机进行强迫通风冷却,电动机的冷却不受主电机频率变化的影响,保证电动机有良好的通风散热条件,有利于降低温升。

外风扇设计时,采用高效、低噪、大风量的轴流风机。

内风扇采用牛角式结构以降低风扇产生的噪声和损耗。

（2）轴承结构设计。

采用一球一柱两轴承结构,轴承选用大游隙轴承,轴伸端为柱轴承,非轴伸端为球轴承。

优化设计不停机注、排油装置,保证注排油通畅,并有轴承室可储存废油。

并通过采用绝缘轴承,在轴承和端盖间加装绝缘衬套,其余所有装在其上的管道、仪表等金属附件都对地绝缘,不使轴承绝缘被旁路。

另外,选用专用润滑脂等方法,以应对轴电流产生的危害。

（3）绝缘结构设计。

变频电动机输入电流中含有较多的高次谐波,产生电机局部放电和空间电荷,增大介质损耗发热和电磁振动力,所以要提高电机的绝缘等级,增强绝缘热老化寿命,一般要F级以上。

变频电动机的电磁线处于大量谐波与高频脉冲电压作用下,使电磁线早期损坏。

因此,选用合适的电磁线十分重要,可选择“耐电晕厚漆膜漆包圆铜线”（型号为QP-3200）,其抗高频脉冲电压的能力在规定条件下寿命必须大于50h。

同时,选取合适的线规直径及槽满率,便于车间

下、接线,降低工艺制造难度,防止损伤导体和绝缘,放长绕组端部直线部分,便于包扎尖子及端部整形。

采取加强绝缘措施,加强槽绝缘和相间绝缘。

现有槽绝缘不能耐电晕,可加入含云母新型槽绝缘。

浸渍漆应优先采用活性溶剂低挥发的F或H级浸渍树脂。

（4）机座与端盖结构设计。

机座采用钢板焊接,具有较高的抗冲击、抗碰撞能力,提高了结构安全性,满足煤矿井下环境使用要求。

钢板的厚度加厚,并增加加强筋,提高机座强度和刚度,防止金加工时机座变形。

端盖采用高强度灰铸铁件,并经时效处理,端盖内、外表面分布散热片,提高结构强度。

整机结构强度和刚度的提高,也有

利于减振、降噪。

（5）定、转子结构设计。

首先,应加强定转子刚性,防止谐振。

另外,由于低压大容量电机定子相电流很大,如果按照常规电机出6根引接线,引接线截面积不超过95mm2,那么每根引接线的载荷将很大,不符合GB14711—2006的规定,因此,须采取绕组引出12根引接线的特殊结构。

铸铝转子具有导条与端环永久性连接,导条牢固,铸铝笼与铁心配合紧密,导条与铁心之间没有松动,整体性好,可靠性高。

铸铝笼与铁心之间具有良好的热耦合性等优点,同时铸铝转子具有较好的转矩特性,允许启动次数和堵转次数高、允许负载有较大的转动惯量等特点,因此转子采用铸铝转子。

（6）接线盒及轴承、绕组测温接线盒。

接线盒是防爆电机的重要防爆部位,首先要保证裸露导体与金属外壳之间的电气间隙、爬电距离等符合GB3836.3—2000的规定,同时进入接线盒的电缆直径要与密封圈的孔径相符,当压紧接线盒斗后,密封圈与电缆间以及密封圈与接线盒座间应无间隙。

还要保证结构设计安全可靠,使用维修方便,同时还应具有较高的防护等级,满足煤矿井下潮湿环境的使用要求。

2.2.2　防爆安全性设计

该种电动机按照GB3836.1—2000《爆炸性气体环境用电气设备第1部分:

通用要求》和GB3836.2—2000《爆炸性气体环境用电气设备第2部分:

隔爆型“d”》的规定制成隔爆型,防爆标志为“ExdI”。

防爆原理为:

采用“隔爆外壳”把可能产生的火花、电弧和危险温度的电气和机械部分,与周围的爆炸性气体混合物隔离。

它允许爆炸性气体混合物在外壳内部发生爆炸,但是不允许爆炸生成物从电机内部通过隔爆接合面窜到外壳外部,点燃周围的爆炸性气体混合物。

因此,在防

安全性设计方面应考虑:

（1）外壳强度。

组成电动机隔爆外壳的结构件:

机座、端盖、轴承内盖、接线盒座、接线盒盖等,这些零件的强度需以通过相应内部爆炸压力为基准的静压试验为合格。

（2）隔爆接合面。

组成隔爆外壳的每一零部件间的隔爆接合面宽度、间隙或直径差、粗糙度符合GB3836.1—2000的规定,电机轴贯通部分设置圆筒式隔爆轴承盖,并通过对轴贯通部分的m、k值进行优化计算,确定合适的隔爆间隙,增加运行可靠

（3）限制外壳表面出现最高温度。

电动机在规定的工作条件下额定运行时电动机允许表面温度符合GB3836.1—2000的规定,其外壳表面温度不应超过150℃（温度计法）,电缆引入口温度不得高于电缆的允许温度70℃,以保证电缆运行可靠。

（4）其他隔爆结构要素。

接线盒内部裸露导体之间,裸露导体与金属外壳之间的电气间隙、爬电距离等符合GB3836.3—2000的规定。

紧固隔爆外壳的紧固件符合GB3836.2—2000的规定,连接用的螺栓装有防松垫圈,以防螺栓自行松脱,螺栓和不透螺孔紧固后,留有大于2倍防松垫圈厚度的螺纹余量,外壳上不透螺孔的周围及底部的厚度不小于3mm。

电动机可靠接地防止漏电火花。

（5）材料。

机座材料选用钢板Q235A;端盖、轴承内外盖用灰铸铁HT250;外风扇材料选用钢板避免安全火花试验;接线盒进线口密封圈,其材料要求邵尔氏硬度为45～55,符合GB3836.1—2000附录D3.3规定的老化试验要求;接线盒内的接线板或端子套的绝缘部分采用耐泄痕性分级为Ⅱ级绝缘材料制成,材料符合GB3836.1—2000规定的扭转试验要求。

三、问题的处理

3.1电动机的制造

和设计一样,电动机的制造主要是保证电动机的电气性能、削弱变频器供电对电动机的影响和电动机的防爆安全性,其关键工艺包括以下几个方面:

（1）结构件的焊接、铸造工艺和金加工精度。

为保证隔爆外壳能承受规定的内部爆炸压力,其结构件在精加工后必须通过规定的水压试验而没有结构损坏或影响隔爆性能的永久变形,所以必须保证结构件的焊接或铸造质量。

结构件的加工精度,包括尺寸公差、形位公差、粗糙度等也是保证隔爆外壳功能的重要因素。

另外,合理的工艺方法,防止加工后变形,满足隔爆间隙要求也十分重要。

（2）绝缘处理工艺。

绕组是电机的心脏,需考虑采取特殊措施提高电机的可靠性。

定子线圈首末匝进行加强处理,加强绕组端部及端部引线的绑扎固定,电机定子绕组端部每槽都用绑扎带绑扎,提高绕组的机械强度。

浸漆工艺对电机的温升、噪声均有一定的影响,绕组铁心采用VPI整浸及旋转烘焙工艺,使浸渍漆充分渗透到绕组间的空隙,提高挂漆量和整体性,防止高频振动。

同时,合理的绕线、嵌线工艺以及下接线中加强工艺管理,减少人为因素对绝缘的损伤,也是确保绝缘可靠性的有效措施。

（3）定转子铁心的冲压和转子铸铝。

对定子冲片采用去毛刺处理,避免因冲片毛刺造成的表面连通;选取合理的叠压压力;采取氧化或涂漆工艺使冲片间彼此绝缘。

铸铝转子采用离心铸铝减少附加损耗获得较好的电气性能,同时注意控制端环缩孔、细条等缺陷。

通过以上措施,减少铁耗、铝耗、降低电机的温升。

（4）转子外圆加工和表面处理。

提高转子铁心的加工精度,选择合适的进刀量和加工次数,减少车加工后铸铝转子外圆槽口处细小的连线或毛刺,同时采用转子酸洗等工艺措施,降低杂耗、温升。

3.2电动机的试验

对于隔爆型变频电动机的试验,目前国内和国际标准中均没有详细的规定,也没有成型的试验方法。

对于隔爆型变频电动机的试验来说,电机最高表面温度是考核的重点,一般应进行两个试验过程:

（1）工频电网供电下的试验。

包括额定电压下试验和最严酷工作状态,即0.9倍额定电压下试验。

（2）带变频器进行试验。

根据频率-转矩设计曲线选择试验点进行测试,一般可选择频率点5Hz、20Hz、30Hz、45Hz、50Hz、60Hz,测取各频率点的最高表面温度。

鉴于变频电源的特殊性,电动机制造厂一般只做基准电压、基准频率情况下的型式试验,其它频率条件下的试验可以在用户现场完成。

3.3电动机的监控系统设置完善

可设置定子测温PTC用于监测定子温升和跳闸保护;定子、轴承测温PT100用于在线监测定子、轴承温度;防冷凝加热带用于在停机时对绕组加热,排掉电机内部潮气及冷凝水,防止电机受潮,使电机绝缘电阻降低、绕组损坏;可设置旋转编码器与变频器构成精确的速度闭环控制系统,以满足用户不同的运行要求。

3.4电动机的绝缘体系可靠

采用各种措施,加强绝缘,提高绕组对抗变频电源的能力,有效地提高变频电机的可靠性,延长使用寿命。

3.5电动机应用防止轴电流技术

非驱动端采用绝缘轴承或在非驱动端端盖设置有绝缘处理,驱动端设置接地电刷,有效防止了轴电流的产生。

3.5电动机的振动小、噪声低

电动机在设计时,对定、转子槽配合进行了优选,并采用了低谐波绕组及先进工艺措施,有效地降低了电动机的振动和噪声。

四应用前景

煤炭行业存在爆炸性危险气体的环境中,需要实现自动控制或者通过变频能够实现节能的场所对低压低速大容量隔爆型变频调速三相异步电动机的需求量也很大,具有广阔的市场前景。

结论

通过采取针对性措施进行优化设计的低压低速大容量绞车用隔爆型变频调速三相异步电动机,具有宽调速范围、高效节能、低噪音、长寿命和高可靠性等特点,它与低压大功率防爆变频器配合构成精确完美的交流变频调速系统,是煤矿绞车广泛使用的理想产品。

同时,电动机采用低速设计,减少了主机减速机的投入,具有较高的社会

效益。

[1]GB3836.1—2000,爆炸性气体环境用电气设备第1部分:

通用要求[S].

[2]GB3836.1—2000,爆炸性气体环境用电气设备第2部分:

隔爆型“s”[S].

[3]陈世坤.电机设计[M].北京:

机械工业出版社,1997.

[4]汤蕴　,史乃.电机学[M].北京:

机械工业出版社,2001.

[5]陈伯时,陈敏逊.交流调速系统[M].北京:

机械工业出版社,1998.

[6]张显力.防爆电气概论[M].北京:

机械工业出版社,2008.

作者简介

职业：

学生

研究方向：

机械设计制造及其自动化