呂朝帥，田儒彰，陳中洋，曹佳冉

(1中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400050；2瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400050)

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高壓隔爆型三相異步電動機(jī)開發(fā)*

呂朝帥，田儒彰，陳中洋，曹佳冉

(1中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400050；2瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400050)

針對煤礦主通風(fēng)機(jī)用高壓電機(jī)在工程應(yīng)用中頻繁出現(xiàn)的質(zhì)量問題進(jìn)行分析，提出了技術(shù)解決方案，開發(fā)了達(dá)到GB 30254—2013中2級能效要求的YBF2系列風(fēng)機(jī)用高壓隔爆型三相異步電動機(jī)，并結(jié)合產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)水平對比分析。

煤礦主通風(fēng)機(jī)；電動機(jī)；2級能效

0 引言

通風(fēng)機(jī)作為煤礦井下主要的通風(fēng)設(shè)備，其運(yùn)行可靠性是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障，其中對旋式軸流風(fēng)機(jī)由于具有安裝簡單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，約占煤礦主通風(fēng)機(jī)用量的2/3，且局部通風(fēng)機(jī)幾乎全部是對旋結(jié)構(gòu)[1、2]。然而由于對旋式軸流風(fēng)機(jī)的特殊負(fù)載特性，其配套電動機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)起動時(shí)間長、超載運(yùn)行、溫升高及軸承損壞等質(zhì)量問題，而且存在技術(shù)更新落后、體積龐大、重量沉、能效水平低等問題。通過走訪用戶并結(jié)合煤礦主通風(fēng)機(jī)的發(fā)展趨勢及配套電動機(jī)的工況特性，全新研制了新一代主通風(fēng)機(jī)用高壓隔爆型三相異步電動機(jī)YBF2系列。

1 煤礦主通風(fēng)機(jī)用電動機(jī)的工況特性

1.1 工作環(huán)境

風(fēng)機(jī)安裝示意圖見圖1，由于隔流腔和主風(fēng)道之間的正負(fù)壓問題，其一級風(fēng)機(jī)的Ⅰ級電動機(jī)隔流腔內(nèi)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.1%～0.3%，不存在安全隱患；而二級風(fēng)機(jī)的Ⅱ級電動機(jī)隔流腔內(nèi)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到2.2%～2.8%，存在著瓦斯?jié)舛瘸迒栴}[3]，另外風(fēng)機(jī)為了減小風(fēng)阻損耗提高效率，必須將電動機(jī)安裝在完全封閉的空腔內(nèi)，致使電機(jī)運(yùn)行的環(huán)境溫度增高了大約10℃，降低電機(jī)冷卻散熱效果，容易造成繞組燒毀，并且煤礦井下的空氣中含有大量的粉塵(濃度50～100mg/m3)，很可能隨著電機(jī)進(jìn)出風(fēng)不均勻的聚集在風(fēng)扇上，產(chǎn)生較大的不平衡，造成電機(jī)劇烈震動，損壞軸承[4、5]。

圖1 風(fēng)機(jī)安裝示意圖

1.2 負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量大

隨著我國煤礦井下高產(chǎn)高效綜采的快速發(fā)展，工作面走向越來越長，長距離大斷面掘進(jìn)巷道隨之誕生，井下用風(fēng)量逐漸增加，這就要求大風(fēng)量、高風(fēng)壓的通風(fēng)機(jī)來滿足其需求[6]。目前礦用通風(fēng)機(jī)葉輪外直徑為2～4m，重量約為500～2500kg，所以其配套電動機(jī)需滿足大轉(zhuǎn)動慣量負(fù)載的啟動要求，避免啟動電流過大、啟動時(shí)間過長燒毀電機(jī)。

1.3 軸承工況惡劣

由于風(fēng)機(jī)葉輪直接安裝在電機(jī)輸出軸上由電機(jī)直接傳動，所以電機(jī)軸承除了承受轉(zhuǎn)子自身的重量外，還需要承受葉輪的重量及其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的軸向力，同時(shí)會出現(xiàn)在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中氣動不平衡引起的動載荷及剎車時(shí)所產(chǎn)生的不平衡力。除此之外由于葉輪的外形尺寸和重量問題，很容易在裝配和運(yùn)輸過程中對電機(jī)軸承造成早期損傷。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)YBF系列高壓風(fēng)機(jī)用電動機(jī)的軸承故障約占風(fēng)機(jī)故障的80%以上[7]。

1.4 Ⅱ級電動機(jī)過載運(yùn)行

對旋式軸流通風(fēng)機(jī)之所以越來越被人們認(rèn)可，原因是其通過一級葉輪作為風(fēng)量的保證，二級葉輪進(jìn)一步做功以提高其通風(fēng)壓力，兩級風(fēng)機(jī)共同作用使其具有風(fēng)量大、全壓高的特點(diǎn)，能夠長距離通風(fēng)。但由于通風(fēng)距離與流量成反比，當(dāng)通風(fēng)距離稍微增加，流量減小，Ⅱ級電機(jī)負(fù)載就會增加很快，所以當(dāng)通風(fēng)距離增加到一定程度時(shí)，雖然兩級風(fēng)機(jī)的總功率尚未達(dá)到單級的兩倍，但是Ⅱ級電機(jī)的負(fù)載就已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了額定功率，從而導(dǎo)致電機(jī)燒毀[8]。

1.5 變頻技術(shù)應(yīng)用

煤礦主通風(fēng)機(jī)在煤礦安全生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，由于其功率大且必須保持連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因而耗電很大，其耗電量占煤礦總用電量的15%～30%。并且在生產(chǎn)過程中，風(fēng)機(jī)所提供的風(fēng)量及風(fēng)壓是隨著煤礦生產(chǎn)能力和其他條件的變化而不斷變化的。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)以其可靠性高、調(diào)節(jié)方便靈活、節(jié)能效果顯著等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為礦井通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的首選[9]。所以煤礦主通風(fēng)機(jī)用高壓電機(jī)既要符合常規(guī)電源供電的使用要求，也要滿足變頻器供電的情況。

1.6 反風(fēng)要求

礦井反風(fēng)是在礦井發(fā)生火災(zāi)時(shí)一項(xiàng)非常重要而有效的風(fēng)流調(diào)度的救災(zāi)措施。特別是在礦井入風(fēng)井筒、入風(fēng)大巷等進(jìn)風(fēng)井巷道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，采取反風(fēng)措施使高溫?zé)熈骱陀泻怏w由進(jìn)風(fēng)井筒排除，從而保證井下作業(yè)人員的安全撤離和縮小災(zāi)害范圍[10]。因此礦井主要通風(fēng)機(jī)必須裝有反風(fēng)設(shè)施，并能在10min內(nèi)改變巷道中的風(fēng)流方向[11]。

2 電機(jī)研制的技術(shù)解決方案

針對煤礦主通風(fēng)機(jī)用電機(jī)的工況特點(diǎn)，對YBF2系列風(fēng)機(jī)用高壓隔爆型三相異步電動機(jī)提出以下技術(shù)解決方案。

2.1 全系列采用IC411管夾片冷卻結(jié)構(gòu)

YBF系列電機(jī)采用IC511的冷卻方式，電機(jī)體積大，部分風(fēng)機(jī)筒要做成異性結(jié)構(gòu)才能滿足其安裝要求。YBF2系列電機(jī)全系列采用經(jīng)優(yōu)化的管夾片式IC411冷卻結(jié)構(gòu)，增加功率密度，縮小電機(jī)體積，不僅滿足了電機(jī)的安裝要求，并且在風(fēng)機(jī)筒直徑不變的前提下通過電機(jī)本體優(yōu)化達(dá)到增加風(fēng)機(jī)過風(fēng)面積、提高風(fēng)量的效果，符合目前國內(nèi)煤礦主通風(fēng)機(jī)的發(fā)展趨勢。YBF2系列電機(jī)與YBF系列電機(jī)體積及重量對比見表1，相同功率下可降低2～3個機(jī)座號，重量減輕340～7600kg。

表1 YBF2系列與YBF系列電機(jī)體積及重量對比

2.2 提高電機(jī)起動性能

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，提高電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、降低起動電流倍數(shù)可以縮短電機(jī)起動時(shí)間、降低電機(jī)起動時(shí)的發(fā)熱量、減小電流沖擊對繞組絕緣和轉(zhuǎn)子的損傷，提高電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)可以提高其過載能力。YBF2系列風(fēng)機(jī)用電機(jī)與YBF系列及通用電機(jī)起動性能比較見表2。

表2 YBF2系列風(fēng)機(jī)用電機(jī)與YBF系列及通用電機(jī)起動性能比較

2.3 提高軸承使用壽命

由于風(fēng)機(jī)用電機(jī)的工況特性，其軸承受力情況與普通電機(jī)相比發(fā)生了很大的變化。普通電機(jī)的軸承受力示意圖如圖2所示。風(fēng)機(jī)用電機(jī)的軸承受力示意圖如圖3所示。

圖2 普通電機(jī)軸承受力示意圖

圖3 風(fēng)機(jī)用電機(jī)軸承受力示意圖

圖2、圖3中，G—電機(jī)轉(zhuǎn)子重量；T—單邊磁拉力；FrA—電機(jī)非軸伸端軸承所受的徑向力；FrB—電機(jī)軸伸端軸承所受的徑向力；Fr—風(fēng)機(jī)葉輪作用在電機(jī)軸上的徑向力；Fa—電機(jī)所受的風(fēng)機(jī)葉輪引起的軸向力。

普通電機(jī)所受徑向力

風(fēng)機(jī)用電機(jī)所受徑向力

合理的進(jìn)行軸承選型，正確使用和維護(hù)電機(jī)軸承，可有效降低軸承故障率，確保礦用主通風(fēng)機(jī)的安全可靠性運(yùn)行。YBF2系列樣機(jī)軸承壽命見表3，后端軸承壽命較長，一方面是由于后端采用不承受軸向力的單一柱軸承結(jié)構(gòu)，且承受徑向力比較小，但符合最小徑向載荷要求；另一方面是由于風(fēng)機(jī)廠對副軸伸的特殊要求導(dǎo)致后端軸承選型受限。

表3 YBF2系列風(fēng)機(jī)用高壓隔爆型三相異步電動機(jī)樣機(jī)軸承壽命

2.4 提高電機(jī)使用系數(shù)

提高電機(jī)使用系數(shù)，一方面通過電機(jī)本體優(yōu)化來改善二級風(fēng)機(jī)配套電動機(jī)過載的問題，避免電機(jī)燒毀；另一方面由于風(fēng)機(jī)用電機(jī)安裝在封閉的空腔內(nèi)，致使其運(yùn)行的環(huán)境溫度過高，大大降低了其散熱能力，電機(jī)需要預(yù)留溫升余量。

我國標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)均沒有對高壓電機(jī)使用系數(shù)的明確規(guī)定[13]，但是為了避免風(fēng)機(jī)系統(tǒng)整體效率過低，這就需要電機(jī)廠與風(fēng)機(jī)廠做好前期選型設(shè)計(jì)溝通，可以考慮提高電機(jī)使用系數(shù)，但裕量不可過大，一般為1.15～1.2倍比較合理[14]，也可以考慮選擇不同功率電機(jī)。

2.5 采用變頻電機(jī)設(shè)計(jì)措施

由于變頻技術(shù)在煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，要求其配套電機(jī)既能滿足常規(guī)電源供電也能滿足變頻電源供電，設(shè)計(jì)措施如下

(1)采用變頻電磁線，滿足變頻器脈沖電源的使用要求。

(2)由于風(fēng)機(jī)用電動機(jī)是多極數(shù)電機(jī)，通過選擇合適的槽配合、采用斜槽、控制氣隙磁密等電磁設(shè)計(jì)方案降低電磁噪聲。

2.6 雙向風(fēng)路，控制損耗

為了滿足礦井反風(fēng)要求，YBF2系列電機(jī)內(nèi)外風(fēng)扇均采用雙向風(fēng)路結(jié)構(gòu)，考慮其安裝環(huán)境不利于電機(jī)的散熱，所以適當(dāng)加大內(nèi)外風(fēng)扇外徑提高電機(jī)的冷卻能力，但是隨之而來的機(jī)械損耗的增加導(dǎo)致電機(jī)效率下降。YBF2系列是以滿足GB 30254—2013中2級能效要求為開發(fā)目的的風(fēng)機(jī)用電機(jī)，這就需要在風(fēng)扇選擇上考慮機(jī)械損耗的影響來保證效率，通過控制外風(fēng)路風(fēng)速來保證溫升，具體取值見表4。

表4 YBF2系列風(fēng)機(jī)用高壓隔爆型三相異步電動機(jī)機(jī)械損耗與外風(fēng)路風(fēng)速控制

3 樣機(jī)性能分析

根據(jù)以上技術(shù)方案，進(jìn)行了YBF2系列風(fēng)機(jī)用高壓隔爆型三相異步電動機(jī)的開發(fā)，并試制生產(chǎn)了涵蓋6kV、10kV機(jī)座號H355～H560共5臺性能樣機(jī)，完成了型式試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、防爆試驗(yàn)等試驗(yàn)項(xiàng)目，試驗(yàn)全部合格。關(guān)鍵試驗(yàn)結(jié)果見表5、表6、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，樣機(jī)的防爆性能、啟動性能、過載能力、能效等級都符合國家標(biāo)準(zhǔn)及本文提出的考核指標(biāo)。

表5 濕熱試驗(yàn)

表6 防爆試驗(yàn)

注：樣機(jī)中所有腔體內(nèi)部點(diǎn)燃不傳爆試驗(yàn)均未傳爆。

圖4 樣機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)

圖6 樣機(jī)最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)

圖7 樣機(jī)溫升

圖8 樣機(jī)效率

4 結(jié)語

YBF2系列電機(jī)的開發(fā)填補(bǔ)了國內(nèi)沒有2級能效礦用風(fēng)機(jī)用高壓隔爆型三相異步電動機(jī)的空白，全系列采用IC411結(jié)構(gòu)推動礦用主通風(fēng)機(jī)用電機(jī)向緊湊型發(fā)展，解決了國內(nèi)礦用風(fēng)機(jī)用高壓電機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩小、啟動時(shí)間長的問題。

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Development of Flame-Proof High-Voltage Three-Phase Induction Motor

LyuChaoshuai,TianRuzhang,ChenZhongyang,andCaoJiaran

(1.CCTEG Chongqing Research Institute Co.,Ltd., Chongqing 400050, China；2.National Key Laboratory of Gas Hazard Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400050, China)

This paper analyzes the quality problems occurred in engineering application of high-voltage motor for colliery main fan and provides technical solutions. YBF2 series high-voltage flame-proof three-phase induction motor which meet the requirements of 2-grade energy efficiency in GB 30254-2013 were developed. The comparative analysis of technical level were carried out based on experimental data of product.

Colliery main fan；electric motor；2-grade energy efficiency

中國煤炭科工集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：2015ZD003)

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.06.10

TM357

B

1008-7281(2016)06-0030-005

呂朝帥 男 1986年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事高壓電機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)工作.

2016-06-07