礦用大功率永磁同步直驅(qū)變頻一體機(jī)的研究綜述

宋承林，張鴻波

（青島中加特電氣股份有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

隨著煤礦自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦中廣泛使用，現(xiàn)階段礦井帶式輸送機(jī)原煤運(yùn)輸系統(tǒng)、綜采工作面膠帶輸送系統(tǒng)大多采用變頻調(diào)速、異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置需要設(shè)減速機(jī)、高低速聯(lián)軸器等，降低了系統(tǒng)總體的效率，增加了設(shè)備的維護(hù)成本，占用了設(shè)備的安裝空間，而且變頻裝置和電機(jī)分離布置的方式存在長(zhǎng)距離供電電纜分布電感和分布電容，變頻器輸出高頻信號(hào)時(shí)，對(duì)感抗高的電機(jī)絕緣壽命有影響，電動(dòng)機(jī)端頭電壓大幅升高，需要有加強(qiáng)的絕緣結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)非正弦波的電壓，同時(shí)必須縮短供電電纜長(zhǎng)度，以降低對(duì)電機(jī)絕緣的危害。除此以外，變頻調(diào)速產(chǎn)生的電動(dòng)機(jī)軸電流直接危害電動(dòng)機(jī)的軸承，軸承電流會(huì)使軸承表面產(chǎn)生點(diǎn)蝕，最終導(dǎo)致軸承早期損害，影響設(shè)備正常運(yùn)行，因而需要對(duì)軸承絕緣采取技術(shù)措施保證電機(jī)長(zhǎng)期正常運(yùn)行。另外還存在電動(dòng)機(jī)質(zhì)量良莠不齊，變頻驅(qū)動(dòng)容易燒毀電機(jī)等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，需要將變頻器和電動(dòng)機(jī)兩者進(jìn)行更好的結(jié)合，簡(jiǎn)化或減掉原減速機(jī)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)直驅(qū)，由此大功率大扭矩的永磁直驅(qū)變頻一體機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

文中設(shè)計(jì)了一款1 140 V/500 kW/75 rpm的大功率永磁直驅(qū)變頻一體機(jī)，主要對(duì)一體機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電磁設(shè)計(jì)、主控單元設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題和技術(shù)進(jìn)行了分析，并使用ANSYS有限元進(jìn)行了分析優(yōu)化，驗(yàn)證其優(yōu)越性。

1 永磁同步一體機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用變頻器與永磁同步電機(jī)一體化的設(shè)計(jì)思路，打破了常規(guī)意義上的電機(jī)與變頻器獨(dú)立設(shè)計(jì)、后期集成的弊端。同時(shí)由于體積較小，空間有限，對(duì)于一體機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新的要求。主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括：殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電機(jī)絕緣軸承設(shè)計(jì)、防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.1 殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主要問(wèn)題：永磁同步直驅(qū)變頻一體機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題在于，在滿足電磁兼容的基礎(chǔ)上如何在狹小安裝空間內(nèi)合理安排器件，需要盡可能縮小結(jié)構(gòu)體積。把三維建模技術(shù)引入到電氣設(shè)備設(shè)計(jì)中來(lái)，對(duì)關(guān)鍵電子器件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，從零件圖到裝配圖進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中充分考慮強(qiáng)弱電系統(tǒng)間的電磁干擾問(wèn)題及電磁屏蔽手段，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。應(yīng)用層疊母線技術(shù)，用寬平正負(fù)母線極板把功率模塊與濾波電容直接連接起來(lái)，使寄生電感更小，有效切斷功率母線對(duì)控制電路的干擾。

采用的結(jié)構(gòu)形式：經(jīng)過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和膠帶輸送設(shè)備的使用和安裝條件，確定采用如圖1的外形結(jié)構(gòu)。為保證通用性和互換性，電機(jī)部分產(chǎn)品外形和相關(guān)尺寸基本與同類產(chǎn)品一致。右邊為變頻和控制單元，左邊為電動(dòng)機(jī)。

1.2 電機(jī)絕緣軸承設(shè)計(jì)

軸電流的影響：軸電流問(wèn)題對(duì)于較大功率的由變頻供電的電機(jī)（如100 kW以上）較為突出。運(yùn)行一段時(shí)間后，有些電機(jī)軸承磨損嚴(yán)重，先是產(chǎn)生不正常噪聲，直至燒毀。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變頻器輸出高頻分量較大時(shí)，軸電流密度可達(dá)每平方毫米數(shù)十安培，軸承電流嚴(yán)重。由于軸承的滾道上有可能存在凸出點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)該處的軸承電流斷開，從而引起電弧，灼傷金屬表面，大量積累從而引起軸承的損壞。電機(jī)軸承如圖2所示。

圖1 永磁直驅(qū)同步變頻一體機(jī)外形圖

圖2 電機(jī)軸承

解決的途徑：克服軸電流最直接的途徑，就是在電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)時(shí)，將產(chǎn)生軸電流的影響因素進(jìn)行抑制，如定轉(zhuǎn)子沖片拼接方式、繞組串并聯(lián)路數(shù)等，將軸電流盡可能降低；在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將軸電流回路阻斷或?qū)⒁龑?dǎo)軸電流，避免軸電流通過(guò)軸承等方式，取得抑制軸電流的作用。

絕緣軸承：在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，選用絕緣軸承結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括外圈絕緣、內(nèi)圈絕緣或滾柱絕緣，其軸承絕緣通常采用覆膜絕緣層或陶瓷球，優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需特殊設(shè)計(jì)，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在永磁直驅(qū)同步電機(jī)的一端使用絕緣軸承，將形成軸電流的回路切斷。對(duì)于200 kW以上的電機(jī)采用軸承絕緣技術(shù)措施可以保證電機(jī)的可靠運(yùn)行。

1.3 防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防爆型式：防爆是為防止點(diǎn)燃周圍爆炸性混合物而對(duì)電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)所采取特定的安全措施。我國(guó)井下常用的型式以隔爆型、增安型、本質(zhì)安全型及混合型為主，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為隔爆兼本質(zhì)安全型。

防爆結(jié)構(gòu)：防爆系統(tǒng)除電氣部分外，主要結(jié)構(gòu)包括隔爆外殼及附在殼上的零部件，包括接線端子、電纜引入裝置、本安鍵盤盒。隔爆外殼應(yīng)具有耐爆和隔爆性能。為了實(shí)現(xiàn)隔爆外殼的耐爆和隔爆性能，對(duì)隔爆外殼的形狀、材質(zhì)、容積、結(jié)構(gòu)均有特殊要求。對(duì)于防爆殼體的計(jì)算，將外殼的外壁簡(jiǎn)化為在整個(gè)板面上作用均布載荷，四邊固定的等厚矩形板模型。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版）》第一卷，材料力學(xué)計(jì)算，最大應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生在矩形長(zhǎng)邊的中心位置，最大撓度位置發(fā)生在板面中心位置。

板面中心最大彎曲應(yīng)力：

式中：α、β—矩形的長(zhǎng)、寬比值系數(shù)；σmax—中心應(yīng)力（最大應(yīng)力）；q—載荷（試驗(yàn)壓力）；b—矩形板寬度；t—矩形板厚度；E—材料的彈性模量。

外殼壁厚度：在不加加強(qiáng)筋的情況下，矩形外殼壁厚度可根據(jù)下式得出：

1.4 水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使一體機(jī)內(nèi)部電力電子器件以及電機(jī)溫升在正常工作范圍內(nèi)，提高一體機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，文中在一般的水冷結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，并且針對(duì)電機(jī)和變頻器的損耗所造成的溫升問(wèn)題進(jìn)行了具體分析，證明了方案的可行性。

根據(jù)一體機(jī)各部分安裝器件不同，形狀不同，水道結(jié)構(gòu)有所不同。文中設(shè)計(jì)的一體機(jī)水冷主要包括依次相連的電抗器水道、后端蓋水道、水冷板水道、前端蓋水道、電機(jī)機(jī)殼水道。

本設(shè)計(jì)將電機(jī)和變頻器冷卻結(jié)構(gòu)的水道連通，節(jié)省了設(shè)備整體的體積，電抗器和水冷板設(shè)計(jì)為S形水道，冷卻覆蓋面積大，并且冷卻水先從電抗器水道進(jìn)入，滿足了高發(fā)熱量器件的散熱，電機(jī)機(jī)殼水道為折返式水道，水道內(nèi)的水阻小，保證了冷卻水的流暢性。整體水道設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 一體機(jī)水道結(jié)構(gòu)圖

2 變頻一體機(jī)主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)是永磁同步一體機(jī)的核心部分，包含變頻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)的精確控制。

2.1 變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變頻系統(tǒng)主要由主回路、控制面板、冷卻系統(tǒng)及外圍電路等幾大部分組成。主回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 永磁同步變頻一體機(jī)主電路拓?fù)湓韴D

主回路采用交-直-交的結(jié)構(gòu)，包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器這3個(gè)環(huán)節(jié)。充電回路采用交流電源側(cè)充電，充電電阻在變頻器充電時(shí)限制直流回路的電流。當(dāng)直流電壓達(dá)到80%額定值時(shí)，主接觸器吸合，充電電阻被旁路掉。為了降低控制難度，一體機(jī)整流部分采用了三相橋式不可控電路。在電源側(cè)加裝輸入電抗器，提高電源的功率因數(shù)，減少因電流非正弦引起的諧波電流，從而降低電網(wǎng)電壓的畸變程度。本系統(tǒng)采用電壓源形結(jié)構(gòu)，母線支撐電容實(shí)現(xiàn)中間環(huán)節(jié)的濾波，使其得到較為平滑的直流電壓，并為輸出提供能量支撐。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要包括控制單元、外圍設(shè)備、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、電源模塊、故障檢測(cè)模塊等部分，系統(tǒng)的整體框架如圖5所示，主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：實(shí)現(xiàn)變頻電機(jī)的軟啟動(dòng)和無(wú)極調(diào)速功能；對(duì)電動(dòng)機(jī)特性的控制，包括V/F控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制；變頻器的加、減速，變頻調(diào)速的啟動(dòng)、停機(jī)、變頻器的直流制動(dòng)以及頻率的調(diào)節(jié)，啟動(dòng)時(shí)無(wú)沖擊電流來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速電機(jī)重載時(shí)的順利啟動(dòng)；頻率的給定與相關(guān)功能，包括頻率給定的方式與選擇，模擬量給定的調(diào)整，載波頻率的選擇等；變頻一體機(jī)的通信功能，本系統(tǒng)采用CAN總線、工業(yè)以太網(wǎng)等接口通訊方式，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)進(jìn)行通訊和多臺(tái)設(shè)備集中控制運(yùn)行，還可將運(yùn)行數(shù)據(jù)傳送至地面調(diào)度室進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

控制系統(tǒng)通過(guò)微處理器控制技術(shù)監(jiān)控電機(jī)的電磁狀態(tài)，配合矢量控制策略完成較好的無(wú)傳感器電機(jī)控制，外加脈沖編碼器反饋后，可以應(yīng)用于精確的速度控制，或長(zhǎng)期運(yùn)行于接近零速區(qū)域的應(yīng)用場(chǎng)合?？刂颇Ｐ涂驁D如圖6所示。

圖5 永磁變頻一體機(jī)變頻與控制系統(tǒng)框圖

圖6 控制模型框圖

測(cè)量的電機(jī)電流和直流電壓作為自適應(yīng)電機(jī)模型的輸入，該模型每30μs產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通的實(shí)際值。電機(jī)轉(zhuǎn)矩比較器將轉(zhuǎn)矩實(shí)際值與轉(zhuǎn)矩給定調(diào)節(jié)器的給定值作比較，磁通比較器將磁通實(shí)際值與磁通給定調(diào)節(jié)器的給定值作比較。依靠來(lái)自這兩個(gè)比較器輸出的值，優(yōu)化脈沖選擇器決定逆變器的最佳開關(guān)狀態(tài)。逆變器的每一次開關(guān)狀態(tài)都是單獨(dú)確定的。這意味著傳動(dòng)可以產(chǎn)生最佳的開關(guān)組合，并對(duì)負(fù)載擾動(dòng)和瞬時(shí)掉電等動(dòng)態(tài)變化做出快速響應(yīng)。

3 電磁設(shè)計(jì)與仿真

利用ANSYS建立了仿真模型，采用時(shí)步有限元法對(duì)電機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行性能進(jìn)行仿真，并利用不考慮永磁體作用時(shí)的異步電機(jī)仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)電機(jī)的合理性。研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)電機(jī)不同極靴表面開槽個(gè)數(shù)、不同氣隙長(zhǎng)度、不同定子槽口寬度，控制對(duì)動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響。

永磁同步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)分為定子磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)上區(qū)別于異步電機(jī)之處主要在于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，所以永磁電機(jī)設(shè)計(jì)一般主要集中于轉(zhuǎn)子的。本電機(jī)采用內(nèi)置徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。永磁變頻電機(jī)采用變頻啟動(dòng)，轉(zhuǎn)子鐵心中無(wú)啟動(dòng)籠條，永磁體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為內(nèi)置“一”型永磁體，并對(duì)永磁體進(jìn)行分段，把永磁體分成兩段，增加隔磁橋，以更好地改善弱磁性能、減小紋波轉(zhuǎn)矩。永磁體安裝在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，其q軸電感大于d軸電感，采用這種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式有助于提高電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力和功率密度，而且易于“弱磁”擴(kuò)速，提高調(diào)速運(yùn)行范圍寬度。

在分析了多極少槽型電機(jī)繞組排列特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用槽電勢(shì)星形圖法，在電磁設(shè)計(jì)上選用了9∶8的槽、極配合，集中式繞組分?jǐn)?shù)槽布局+內(nèi)嵌式磁鋼排列模式。利用時(shí)步有限元法，研究了不同極靴表面開槽個(gè)數(shù)、不同氣隙長(zhǎng)度、不同定子槽口寬度對(duì)動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響，得出了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩影響的一般規(guī)律。并得出如下結(jié)論：極靴表面開小槽可以抑制穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)；增大氣隙對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)量具有削弱作用；穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)量并非隨定子槽口寬度的減小而減小。

根據(jù)電磁分析與計(jì)算，確定永磁同步電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：①額定功率：500 kW；②額定相電壓：1 140 V；③額定頻率：37.5 Hz；④額定轉(zhuǎn)速：75 r/min；⑤額定轉(zhuǎn)矩：63 667 N·m；⑥定子外徑：1 600 mm，定子內(nèi)徑：1 300 mm，鐵芯長(zhǎng)：800 mm；⑦氣隙長(zhǎng)度：2.5 mm；⑧轉(zhuǎn)子外徑：1 295 mm，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑：900 mm，轉(zhuǎn)子鐵芯長(zhǎng)度：800 mm。為保證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，用目前通用的ANSYS電磁軟件Maxwell進(jìn)行原始設(shè)計(jì)仿真，磁場(chǎng)強(qiáng)度仿真分布如圖7所示。對(duì)電機(jī)參數(shù)的仿真如圖8所示。

仿真結(jié)果表明該設(shè)計(jì)具有較好的變頻啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性，穩(wěn)定性能好，能夠適用于煤礦井下啟動(dòng)時(shí)大轉(zhuǎn)矩情況，達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖7 磁場(chǎng)密度分布云圖

圖8 變頻調(diào)速啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

礦用永磁同步直驅(qū)變頻一體機(jī)具有體積小、效率高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)重載情況下軟啟動(dòng)，全自動(dòng)恒功率調(diào)節(jié)，適用于礦井帶式輸送機(jī)等設(shè)備。大功率永磁同步直驅(qū)變頻一體機(jī)是世界采礦設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)，符合國(guó)家節(jié)能減排、符合“中國(guó)制造2025”創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的基本方針，具有極高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和廣闊推廣應(yīng)用前景。