（机械工程专业论文）矿用隔爆交流变频器的结构分析及设计.pdf

摘要 论文题目：矿用隔爆交流变频器的结构分析及设计 学科专业：机械工程 研究生：全振兴签名： 指导教师：肖继明副教授 签名： 摘要 随着煤矿生产的不断发展，安全、高产、高效、节能已经越来越引起人们的重视，各种 矿用设备对电力拖动系统的要求也越来越高。变频器以其优越的调速性能和节能效果而在各 种矿用设备的电力拖动系统中被广泛地推广和使用。煤矿井下存在瓦斯( 甲烷) 和粉煤尘爆 炸的危险，因此对煤矿井下使用的变频器提出了隔爆性能的要求。为了达到隔爆的目的，矿 用变频器使用时必须被置于具有隔爆性能的壳体内。置于隔爆壳体内的矿用隔爆变频器，由 于在密闭的环境下工作，变频器本身的散热问题又成为隔爆变频器研究、开发的主要矛盾。 本文对变频器的发热进行了分析和研究。通过对比水冷、风冷以及热管等各种不同的散 热方式，提出了强制水循环冷却+ 风冷的散热方式。通过对强制水循环+ 风冷的散热方式的散 热系统的理论计算和具体的结构设计，解决了隔爆变频器的散热问题。 针对强制水循环冷却+ 风冷的散热方式对矿用隔爆变频器的隔爆性能和具体的隔爆结构 型式进行了分析，并对结合面中的几个关键零件进行了有限元的分析，获得了较精确的结果， 满足矿用变频器对隔爆性能的要求。 通过具体的实例对矿用隔爆变频器的应用进行了验证，结果表明通过强制水循环冷却+ 风冷的散热方式而设计开发的矿用隔爆变频器，不仅满足了生产实际中的隔爆要求，且能够 平稳可靠地工作，具有较高的实用价值。 关键词：隔爆本质安全交流变频器结构设计 西安理工大学工程硕士学位论文 t i t l e ：s t r u c t u r a ld e s i g na n da n a l y s i s c o n v e r t e ro fe x p l o s i o ns u p p r e s s i o n m a j o r ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：z h e n x i n gq u a n s u p e r v i s o r ：p r a f j i m i n gx i a o o nt h em i n e - u s e da cf r e q u e n c y a b s t r a c t s i g n a t u r e ：三丝1 2 纳 s i g n a t u r e ： w i t ht h ey i e l dd e v e l o p m e n to fc o a lm i n e m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s a r ep a i dt o s a f e t y 、h i g hy i e l d 、h i g he f f i c i e n c ya n de n e r g ys a v i n g ，a n de l e c t r i c a ld r i v es y s t e m s a r ed e m a n d e db ym i n e u s e de q u i p m e n tm o r eh i g h l y f r e q u e n c yc o n v e r t e r sa r eu s e da n d e x t e n d e dw i d e l yi nt h ee l e c t r i c a ld r i v es y s t e mo fm i n e u s e df o ri t s p r e d o m i n a n t c a p a c i t yo fs p e e dr e g u l a t i o n c a p a c i t yo fe x p l o s i o ns u p p r e s s i o ni sn e e d e dw h e n f r e q u e n c yc o n v e r t e r sa r eu s e du n d e r g r o u n dt h ec o a lm i n e s ，f o re x p l o s i b l er i s ko f f i r e d a m pa n dc o a ld u s te x i s t su n d e r g r o u n dt h ec o a lm i n e s i no r d e rt or e a l i z et h e p u r p o s eo fe x p l o s i o ns u p p r e s s i o n ，t h eu s eo fm i n e u s e df r e q u e n c yc o n v e r t e r sm u s e b ep l a c e di nt h es h e l l sw h i c hh a v ec a p a c i t yo fe x p l o s i o ns u p p r e s s i o n h o w e v e r ，t h e p r o b l e mo fs e l f h e a td i f f u s i o n f o rf r e q u e n c yc o n v e r t e r s ，l a i di nt h es h e l lo f e x p l o s i o ns u p p r e s s i o n 。 b e c a m et h em a i nc o n t r a d i c t i o ni nt h er & df o rf r e q u e n c y c o n v e r t e r so fe x p l o s i o ns u p p r e s s i o nd u et ot h e i ra i r t i g h t w o r k i n gc o n d i t i o n t h ep a p e rc a r r i e so u ta n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nh e a ty i e l d i n go ff r e q u e n c y c o n v e r t e r s t h et y p eo fh e a t l o s sb yf o r c e dw a t e rc i r c u l a t i o nc o o l i n ga n da i r c o o l i n gi sa d v a n c e dt h o u g ht h ec o m p a r i s o no fh e a tl o s sm o d e so fw a t e rc o o l i n g 、 a i rc o o l i n ga n dh e a tp i p e t h ep r o b l e mo fh e a td i f f u s i o nf o rf r e q u e n c yc o n v e r t e r so fe x p l o s i o ns u p p r e s s i o nh a sb e e ns o l v e dt h o u g ht h e o r e t i cc o m p u t a t i o na n dc o n c r e t e s t r u c t u r a ld e s i g no fh e a tl o s ss y s t e mo ff o r c e dw a t e rc i r c u l a t i o np l u sa i rc o o li n g i na l l u s i o nt ot h es t y l eo ff o r c e dw a t e rc i r c u l a t i o nc o o l i n ga n da i rc o o l i n g t h ec o n c r e t es t r u c t u r a ls t y l eo fe x p l o s i o ns u p p r e s s i o na n dt h ec a p a c i t yo fe x p l o s i o n s u p p r e s s i o no fm i n e u s e df r e q u e n c yc o n v e r t e r sa r ea n a l y z e d ，s o m ec r u c i a le l e m e n t s i nt h ej o i n t p l a t e sa r ea n a l y z e dt h o u g ht h ef e a ，t h o u g hw h i c hw eo b t a i nt h e r e l a t i v e l ya c c u r a t er e s u l t st h a tc a nm e e tt h en e e do fc a p a c i t yo ff r e q u e n c y c o n v e r t e r sf o re x p l o s i o ns u p p r e s s i o n i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 本 已经在 糍：堆啪舢 学位论文使用授权声明 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的垒部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：导师签名：趣，7 年) 月7 ，日 珏籼熊 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 煤矿电力拖动系统直接启动的危害 煤矿井下带式输送机、刮板输送机、风机、水泵、绞车的电力拖动广泛使用隔爆型交流 鼠笼电动机。如果直接启动，由于启动电流为额定电流的5 7 倍，这样会对电网造成很大 的冲击。因此煤矿的许多设备都需要配备软启动装置。一是减少电动机启动时对电网的污染； 二是为了减少对设备的机械冲击；三、为了达到满载启动的目的；四是随着环保节能意识的 提高，为了合理地利用电能而减少能源的浪费。 1 1 2 各种软启动装置的性能分析 a ) 液力偶合器 液力偶合器是一种有近l o o 年历史的液力传动装置，主要利用液力偶合器泵轮和涡轮之 间的液体动压将来自输入轴的动力传递到输出轴。调速型液力偶合器可通过调节工作腔液体 的充满度来改变输出转速和转矩，具有一定软启动功能和调速能力。 目前，调速型液力偶合器是我国大中型机械设备普遍采用的一种软启动传动装置。长期 的理论研究和应用实践表明，调速型液力偶合器在软启动的功能和性能上远远无法满足要 求。 1 ) 从机械结构和工作原理的角度来看，液力偶合器的输出转速和输入转速之比通常不 能高于9 7 ，即无法实现输入和输出轴的同步运行，因而必然存在较大的功率损失， 发热十分严重，这将会显著降低传动系统的效率。对于长期运行的大功率传动来说， 这种功率损失会显著增加企业的生产成本、降低企业的经济效益。 2 ) 当采用调速型液力偶合器作为软启动装置时，电动机的启动电流仍然较大( 5 7 倍 的额定电流) ，因此电动机的启动次数要受到严格限制。由于原理结构的制约，调速 型液力偶合器的有效调速范围较小，与其它调速方式相比，其可控性也较差。 3 ) 调速型液力偶合器体积庞大、系统复杂，并且具有高速旋转的大直径部件，当它分 别与电动机和减速机联接之后，所占空间更大，往往难以满足对安装空间有一定限 制的应用场合的安装要求。 b ) 液粘软启动 液体粘性传动( h y d r o - v i s c o u sd r i v e ) 是7 0 年代中期发展起来的一种新型流体传动形式。f l j 在结构上，它与湿式多盘摩擦离合器相似，又称液体粘性离合器。所不同的是，液体粘性传 动利用存在于主、从动摩擦片之间油膜的粘性剪切作用力来传递动力，能够实现主、从动轴 i 西安理工大学工程硕士学位论文 之日j 的无级凋速和同步运行，并且也能对传动系统进行过载保护。单摩擦面的液体粘性转矩 公式一般可简化为： m _ 一焉f - n 。， 式中：坛液体粘性转矩； t l ：油液的动力粘度： 口：主副摩擦片的转速差； 日，6 ：摩擦片的有效外半径和内半径； h rf ，：摩擦片闻隙或油膜厚度，是时问t 的函数。 任意时刻运动摩擦片的转速可由下列运动微分方程确定： 箬+ 谢口一半一一， 2 ， 式中： m r ：作用在运动摩擦片上的负载转矩； ：运动摩擦片及与之相连的转动部件的转动惯量。 由式( 1 ) 可以看出，当液体粘性制动器的物理结构昌，b 和液体动力粘度n 确定以后，液 体粘性转矩m 将与摩擦片转速口成正比，与摩擦片间隙或油膜厚度h rf j 成反比。通过控制 和改变油膜厚度h ru ，就可以改变液体粘性转矩和摩擦片转速。这就是液体粘性传动的基 本工作原理。 液粘软启动是根据牛顿内磨察定律而设计的一种软启动装置。合理地控制油膜间隙是可 以达到恒扭矩输出的，进而控制启动时间就可以控制设备的启动加速度的大小的。液粘软启 动是继液力偶合器之后比较理想的软启动控制装置。但是，由于，液压系统的响应滞后于电 气系统的响应，使得精确的控制液粘软启动的油膜间隙是很难实现的。加之液压系统的故障 率频繁，维护的工作量大。使得设备的使用效率大大降低。 c ) 可控硅调压调速 可控硅交流降压调速技术得到了一些应用，但由于交流降压软起动自身起动特性较差， 对电网的冲击大，对移动变电站的容量要求也大，使其使用场合受到一定限制 1 1 3 交流变频器概况 三相交流异步电动机，由于转子侧的电流不从外部引入，而由电磁感应产生，故而具有 结构简单牢固、体积小、重量轻、价格低廉、便于维护等优点，备受人们青睐。与其他电动 机相比，它在工农业生产设备中占有绝对领先的地位。 随着工农业生产的不断发展和进步，人们对电动机的调速要求越来越高。长期以来，异 2 1 绪论 步电动机在调速方面一直处于性能不佳的状态。虽然改变定子侧的电流频率就可以调节电动 机的转速。然而变频调速技术的迅速普及却是在2 0 世纪8 0 年代。 从目前迅速普及的“交一直一交”变频器的基本结构来看，“交一直( 由交流变直流) 的整 流技术是很早就解决了的。而“直一交”( 由直流变交流) 的逆变过程实际上是不同组合的丌 关交替地接通和关断的过程，它必须依赖于满足一定条件的丌关器件。 这些条件是： a ) 、能承受足够大的电压和电流； b ) ，允许长时间频繁地接通和关断； c ) 接通和关断的控制必须十分方便。 直到2 0 世纪7 0 年代，电力晶体管( g t r ) 的开发成功，才比较满意地满足了上述条件， 从而为变频调速技术的开发、和普及奠定了基础。 2 0 世纪8 0 年代，又进一步开发成功了绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) ，其工作频率比g t r 提高了一个数量级，从而使变频调速技术又向前迈进了一步。 由于电动机绕组中的反电动势的大小是和频率成j 下比，因此在改变频率的同时还必须改 变电压，所以变频器常简写成v w f ( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) 【2 j 。w v f 的 实现虽然不如逆变电路那样对于开关器件具有强烈的依赖性，但简化到足以推广普及的阶 段，确是在2 0 世纪7 0 年代提出了正弦波脉宽调制技术( s p w m ) 并不断完善的。 另外，在不采取任何措施的情况下，异步电动机在变频( 同时也变压) 后的机械特性远 逊色于直流电动机变压后的机械特性。这必将大大影响变频调速技术的应用范围。2 0 世纪 7 0 年代术，矢量技术的提出和实现，使异步电动机变频后的机械特性达到了可以和直流电 动机变压后的机械特性相媲美的程度。 与此同时，计算机技术和大规模集成电路的飞速发展，极大地简化了实现s p 咖及矢量 控制等复杂技术的方法，增强和扩展了变频器的功能，使变频调速技术迅猛地发展了起来。 1 1 4 课题研究的意义 变频器与其他软启动装置相比，除了具有他们的软启动功能外，还可以根据载荷情况动 态地调整设备的运行转速，达到了很好的节能效果。 a ) 、变频器的调速范围 变频器的调速范围广。卜6 0 h z 连续可调，启动时间1 2 0 s 一6 0 0 0 s 连续可调，从而可实现 启动加速度在一定范围内连续可调。 b ) 、调速的平滑性 调速的平滑性好。在频率给定信号为模拟量时，其输出频率的分辨率大多为0 0 5 h z ，如 3 西安理工大学工程硕士学位论文 频率给定信号为数字量时其输出频率分辨率可达0 0 0 2 h z 。 c ) 、软起性能 由于采用了转矩补偿和矢量控制而使得变频器的机械性能和直流调速系统不相上下的 程度。即可以在启动过程中保持恒扭距输出，实现设备的软启动要求。而且可以在运行过程 中根据负荷的变动，动念地调整转速，从丽达到节能的效果。并且在额定输出电流连续工作 时，允许施加非周期性过载。过载能力为1 2 0 额定电流历时3 0 s 。每次过载的日j 隔时问应 大于2 0m i n 。 d ) 、经济性分析 经济性方面，变频器的价格明显高于其他几种软启动装置。但在故障率方面，变频调速 系统具有较大的优势。因为电气系统，一旦运转平稳后。就很少需要进行维护工作，从而降 低了设备的维护费用。从长远投资来看，选用变频器是最经济、实用的。 e ) 、节能分析 对于煤矿所使用的输送系统来说，使用隔爆变频器并不是最经济实惠的。因为一台输送 系统很少因为负载的变化而非要进行必要的调速。从节能上看，输送系统选择隔爆变频器的 效果不是很明显的。因此有些煤矿的输送系统虽然使用了变频器。实际上只是利用了其软启 动的效果。 但是，如果在煤矿的风机、水泵系统推广使用隔爆变频器。那么变频器的节能效果是显 著的。因为风机、水泵系统的输出扭矩是和速度成正比的，从而使其输出功率和速度成二次 方的关系。 1 1 5 课题的提出 煤矿井下存在瓦斯( 甲烷) 和粉煤尘爆炸的危险，因此要求使用的变频器必须具有隔爆 及本质安全性能。这就使得变频调速器的开发、设计变得尤其复杂。主要是因为变频器必须 安装在具有隔爆性能的壳体内。这样就造成变频器通风条件的下降( 甚至没有任何通风) ， 从而使其功率模块因发热而损坏，影响正常的工作。 针对煤矿对变频器的特殊要求。本课题对煤矿用变频器提出了两个方面的问题及其解决 方法。 a ) 散热问题 b ) 隔爆问题 1 。2 矿用隔爆变频器的发展现状 通用变频器不论是国产的( 包括国内组装) ，还是进口的，一般电压等级为2 2 0 v 、3 8 0 v ， 4 1 绪论 有些厂家如西门子公司生产的变频器可用于6 6 0 v 。目l i i 我国煤矿普遍使用的电压等级为 6 6 0 v 、1 1 4 0 v ，随着煤矿生产能力的不断提高，生产设备单机助率的不断增大，防爆变频器 不仅需要大功率，其1 1 4 0 v 工作电压尤为需要。 国内变频器的引进是在 ：个世纪七十年代。而变频器的迅速发展只是近十年的时日j 。由 于煤矿工作条件的特殊性，使得矿用隔爆变频器在煤矿的使用也只有三、五年的时| 日j 。虽然 时间不长，但是国内有很多厂家已经相继推出了自己的矿用隔爆变频器。这些变频器的散热 问题解决方法大多是采用热管的方式，也有热管+ 风冷方式，也有水冷方式的散热方法。 1 3 论文的内容及结构 本文在分析矿用隔爆变频器散热问题的基础上，设计了一种隔爆变频器的新结构。采用 水冷+ 风冷的散热方式。进行了详细的部件结构设计并对所设计的结构进行实例验证。根据 上述研究内容，论文共分血章，各章主要内容如下： 第一章绪论 主要介绍了国内外矿用隔爆变频器技术的发展及现状，并且对煤矿用隔爆变频器散热问 题和隔爆问题的解决可能性进行了详细地分析，介绍了本课题研究的内容。 第2 章：矿用隔爆变频器散热问题解决方法 研究了变频器的发热机理及耗散功率的确定方法，通过对比分析几种不同散热形式的效 果，确定采用强制水循环+ 风冷的形式，通过具体实例分析、计算解决了隔爆变频器的散热 问题，并确定了矿用隔爆变频器具体散热结构。 第3 章：矿用隔爆变频器隔爆结构设计 分析了矿用隔爆变频器的隔爆结构的设计方法，设计计算了隔爆变频器的隔爆结构，在 此基础上，对主要零件进行了有限元分析。 第4 章：矿用隔爆变频器工作原理与电气图 分析矿用隔爆变频器的整体结构特征及工作原理，设计了矿用隔爆变频器整体结构和电 气控制电路。 第5 章：矿用隔爆变频器的应用实例 介绍了矿用隔爆变频器具体应用，具体分析矿用隔爆变频器在煤矿输送机系统上的应用实 例。 第6 章：总结与展望 对本论文完成的工作进行简要的总结，并指出进一步研究的方向。 5 2 矿用隔爆变频器散热问题解决方法 2 矿用隔爆变频器散热问题解决方法 2 1 变频器散热问题的重要性 温度过高对任何设备都具有破坏作用，但就多数而占，其破坏作用常常是比较缓慢的， 受破坏时的温度通常是不很准确的，而惟独在s p w m 逆变电路中，温度一超过某一极限值， 会立即导致逆变管的损坏，并且该温度极限值往往很准确。 产生上述现象的原因，是因为在s p w m 逆变桥中，每一桥臂的上下两管v 1 与v 2 ( 见图 2 - ) a ) 总是处于不断地交替导通状态，或由v 1 导通、v 2 截止转换为v l 截止、v 2 导通；或 反之，以得到图2 一l b 所示的输出波形。在交替过程中，一旦出现一管尚未完全截止，而另 一管已经丌始导通的状况，将立即引起直流高压经v 1 和v 2 的“直通”，相当于短路，于是 v 1 和v 2 必将立即被损坏。 为了避免上述现象的出现，在交替的控制电路中，必须留出一个“等待时间”t 。如图 2 1 c 所示。“的长短，一方面必须足够长，以保证工作的可靠性；另一方面，又必须尽量地 短，否则将引起调制过程的非线性，从而影响逆变后输出电压的波形和数值，所以，其宽裕 量是很小的。 温度升高时，由于半导体对温度的敏感性，v l 和v 2 的开通时间和关断时间，以及由延 迟电路产生的等待时间，都将发生变化，并且具有比较准确的变化规律。当温度一旦超过了 某一极限值时，将引起“的不足，使逆变电路的输出波形出现“毛刺”，并最终导致逆变模 管因直通而损坏。 因此，变频器的散热问题，是至关重要的。 2 2 变频器的发热 和任何其他设备一样，发热总是由内部的功率损耗产生的。由于变频器各部分的发热很 难精确地进行定量的计算，不同厂家的变频器的耗散功率是不同的。但变频器中，各部分损 耗的比例大致如下： 1 逆变电路：约占5 0 。 2 整流及直流电路：约占4 0 。 3 控制及保护电路：越占5 一1 5 。 一般说，每1 k v a 的变频器容量，其损耗功率越为4 0 俨】。 7 西安理工大学工程硕士学位论文 f i t w ( c ) ( b ) a ) 桥臂电路b ) 桥臂的输出波c ) 交替的控制波 图2 - 1 逆变电路的桥臂及波形 ac i r c u i to fb r i d g ea r m bo u t p u tw a v eo fb r i d g ea r m ca l t e r n a t ec o n t r o lw a v e f i g2 1b r i d g ea r ma n dw a v eo fi n v e r t e rc i r c u i t 2 3 散热形式比较 如i ； 所述由于煤矿用产品的特殊性，因此对矿用隔爆变频器的开发提出了新的课题。而 变频器的功率模块的散热问题就成了首先要解决的问题。 2 3 1 风冷散热 通用的变频器，由于通风条件良好，对于容量在2 0 0 k w a 以下的变频器采用风冷形式就 l l _ 2 矿用隔爆变颊器散热问题解决方法 已经足够了。而矿用隔爆变频器由于在密闭的隔爆壳体内，通风条件几乎没有，因此采用风 冷是不可能的。 2 3 2 热管冷却散热 热管是一种传热性极好的人工构件，它利用“相变”传热的原理，与金属铜、铝等实体 材料和天然传热方式完全不同。其有效导热性是铜、铝等有色金属的成百、上千倍。热管散 热器就是利用热管技术对散热器进行改进而制作出来的新品，对于双面散热的分立电力电子 器件，风冷的全铜或全铝散热器的热阻只能达到0 0 4 w ，而热管散热器的热阻可达0 0 1 w 。在自然对流冷却条件下，热管散热器比实体散热器的性能可提高1 0 倍以上。热管散 热器可以采用自冷的方式，无需_ i ) c l 扇，没有噪音，免维修，安全可靠。图2 2 所示为采用水 铜热管散热器( 以水为介质，铜为管壳材料) ，其蒸发段以压装方式装入铜材制成的基座， 基座平面固定功率器件，冷凝段压装铝质散热片，形成热管散热器可有效地将功率器件在防 爆腔体积聚地热量传导到壳体外并通过散热片快速散发，从而就解决了较大功率防爆变频器 的散热问题。虽然这种热管的效率很高，但是由于其结构形式受工艺等原因的限制，使得热 管与基座的接触面积不够大，没有发挥出其应有的效率。 2 3 3 强制水循环冷却+ 风冷散热 提到冷却散热最容易让人想到的方法就是水冷。而单纯的水冷对于煤矿用的隔爆变频器 同样存在很多不适合的地方。一是，有很多煤矿是缺水的煤矿。二是，简单的水冷却会造成 很多水资源的浪费并且给设备的维护和使用造成很大的不方便。 针对以上分析。认为采用强制水循环冷却+ 风冷应该是比较合适的解决方法。强制水循 环冷却+ 风冷散热优点： 1 通过计算功率模块的发热量，合理的选择强制水循环冷却+ 风冷的水的流量和散热面积 可以解决功率模块因热量散发不掉而造成模块烧掉的故障。 2 由于采用循环水系统，可以解决因缺水问题而不能采用水冷却的煤矿使用变频器。 9 西安理工大学工程硕士学位论文 l 一功率器件2 一基板3 一隔爆壳体4 一散热片5 热管 图2 - 2 热管冷却结构 f i g2 - 2c o o l i n gs t r u c t u r eo fh e a tp i p e 3 可以大大减少水资源的浪费 4 减少变频器的维护费用。 2 4 技术特征 论文的实例具体技术特征及参数如下： 1 ) 额定电压：1 1 4 0 6 6 0 v 2 ) 额定功率：4 0 0 k v a 3 ) 输入电源频率：5 0 h z 4 ) 输出频率范围：卜6 0 h z 5 ) 控制型式：转矩控制、矢量控制。 2 5 强制水冷却+ 风冷散热方法参数计算 1 ) 功率模块的总体发热功率：h ( w ) 串p n = 4 0 0 0 0 0 x 4 0 = 1 6 0 0 0 w 式中： 口：每1 k v a 变频器耗散功率，取q = 4 0 w 1 0 ( 2 1 ) 2 矿用隔爆变频器散热问题解决方法 肚总耗散功率( w ) 尸设备总装机容量( k w a ) 2 ) 散热面积：彳( 一) 昭l 0 k n 0 2 ，2 、 = 1 6 0 0 0 ( 1 6 4 0 ) = 2 5 m z 式中： 爿：所需要散热面积( 们 肥散热系数：与通风条件有关的系数( 通风条件很差时k = 8 9 ，良好时k = 1 5 1 7 5 ) 本案例由 于采用水冷+ 风冷，故选者k = 1 6 ) 4 乃温升( ) 煤矿井下温度为2 0 ( 2 左右，变频器正常工作功率模块不超过6 5 c 。因此选 者4 乒4 0 3 ) 冷却水流量计算：p ( l m i n ) q = 6 0 ( 4 2 p y 4d ( 2 3 ) = 6 0 1 6 0 0 0 ( 4 2 1 0 0 0 1 0 0 0 4 0 ) ：o 0 0 5 7m m i n = 5 7 l m i n 式中： 肛( 同上) p ：水的密度( k g m 3 ) y ：水的比热( j k g ) 4 ) 由于本实例中强制水循环系统中压力损失不大。故选者循环泵的流量q ：( 5 - - 6 ) q = 3 0 l m i n ， 扬程h = 4 m 。 5 ) 按照带走1 k v a 热量需要0 1m s 风量可选者风扇的直径为2 巾3 8 0 ，风扇电机的功率为 1 8 0 w 。 根据以上分析，为解决隔爆变频器功率模块的散热问题而采用的强制水冷却+ 风冷方法 具体设计出的冷却系统结构简单、实用、效果显著、投资少、维护费用低。尤其适合在通风 条件差的煤矿井下使用。 2 6 具体的实施方法： 图2 - 3 所示为强制水循环系统图。为了更好地达到散热的目的，水路循环系统的水 路流向应该是由循环泵的出口( 图示泵垂直出口) 流向安装功率模块的散热水箱然后由 西安理工大学工程硕士学位论文 1 2 水箱的上出口流至外置散热器的上进口。最后由外散热器的下出口流回循环泵的进水 口。( 图示箭头方向为水流方向) l 一功率模块2 一水箱3 一水管4 一外散热器5 一风扇 图2 - 3强制水循环系统图 f i g2 - 3s y s t e mc h a r mo ff o r c e dw a t e rc i r c u l a t i o n 2 矿用隔爆变频器散热问题解决方法 为了能够更好地提高教热效果，在具体的强制水循环系统中采取了一些积极有效的办法： 1 如图2 - 4 所示，将水箱内部用隔板分割成许多的流道。分割时使这些流道的横截面均 为相等，这样就可以使得流道中的水流速度处处相等，从而达到均匀地将各功率模块 产生的热量带走的目的。( 图示箭头方向为水流方向) 圈2 - 4 冷却水箱结构图 f i g2 - 4s t r u c t u r a lc h a r to f 2 如图2 - 5 所示安装各功率模块的安装基板的材料采用导热系数比较高的纯铜或纯铝材 料。并且在安装基板上镶嵌多片纯铜质或纯铝质的散热支片，以充分增加散热面积， 从而达到较好的冷却效果。 3 如图2 - 6 所示外散热器部分采用了八进八出的盘管加散热支片的结构方式。散热支片 的总的散热面积达到了2 8 一。 西安理工大学工程硕士学位论文 2 7 检测结果 、 一 j | j 嘲f l 一安装基板2 一散热支片 幽2 5 功率器纠：安装板 f i g2 - 5m o u n t e dp l a t eo fp o w d e rd e v i c e c 1 一散热支片2 一盘管 图2 - 6 盘管冷却 f i g2 - 6c o i lc o o l i n g 通过以上的分析对矿用隔爆变频器的散热问题得到了很好的解决，测试结果令人满意。 以下是深圳英威腾电气股份有限公司对本次分析设计所进行的测试结果：( 见本章附页) 2 8 本章小结 温度过高将会导致变频器逆变器件的损坏而使变频器无法正常工作。而变频器的主要发 热元件就是逆变器件和整流器件。因此解决好变频器的功率模块的散热问题是决定变频器能 否正常工作的关键所在。 “ 比较不同厂家生产的煤矿用隔爆变频器的各种型式的散热结构的效果来看，采用传统的强制 水冷却+ 风冷形式的散热效果显著。但是采用这种形式的散热方案存在一个很大的问题就是 水冷系统的密封问题。值得庆幸的是随着新材料、新技术的不断被推广和引进。水冷系统的 密封已经不再是让人头疼的事情了。本论文中所讨论的煤矿用隔爆变频器的强制水循环 冷却系统中的所有水路接口部分的密封均使用了进口的耐高温密封胶，效果令人满意。 1 4 2 矿用隔爆变频器i t 热问题解决方法 附页一 i l d d ：津删巾南山区i l l 新中区中鞠大厦d 暮5 启 i mvt漂$tl(堋p+ffllll英(,聪in瞳+it电c气lec股tr份i(有(0限,公司宝：翟篇磊盏嚣：t黜：n帅。，il t o + i i l ：- 5 m 0 箍i c i w l 0 0 - 3 1 5 g - 1 2 ( 水冷机箱) 温升测试报告 试对i 翻v l o d - 3 1 8 d 1 2 试工具lc h v l 0 0 - 3 1 肛, - - 1 2 羹机、井敝蔓量、缸外涮鼍仪，兰相交蠢输出电抗量k 盘曩电盛 试日期l2 0 0 7 年1 月l b 日 试人员l 詹恚蟹、眺小兵 试条件t 在室譬条件下，受援鲁在默认曩攒值提下带负辘舅曩茜拧l 小时，试i g b t 敌热鬻、 囊桥毂热帕丹 试方法t 1 水雠汗侈基l - 也l 竹：铯塑好的f ；挺f 琏接好诈鬣散热器：i l i 受湔输j f ：电抗器和篼玻电缚； 2 舀+ 内讫敞热器f 【l 外托敞媳内滞满水n 曲h l ij l ，水襞确认水l 二纾 。1 可敬热黎l q 渡曲 2 将电流加l 量嘎锎器徽记l 也滋的l i k l t f 2l 1 1 4 ) ，输入i l , l j l 、琦i ：0 0 v 载波额二簪为2 k 输l l l 频率 为t 硼z 谐域逛 j 汕分 十氍粥i ( ；h i 数热器梭派所敞热嚣的溺丹奠体数据地燕t 表1 蔓额器带l 伽嘲t 时的升 一试位置一试的度一试位置舅试的温丹 序号 一 卅一 宣温 鲁琏 整流柝1 6 盯输出电抗嚣篁流坼 i g b t输出电抗嚣 j1 4 ：0 0 242 2 42 4ooo茈移j r 船 】4 ：1 03 3 d1 3 63 3 2 4 9 。4 1 9 6 9 31 4 ：2 03 6 。4 4 6 3 52 4 1 2 42 2 j j 4j 4 ：3 0： 7 11 6 ?3 9 52 4l3 12 2 71 5 5 1 4 ：4 03 7 4- 1 6 9一l l2 41 3 4 盟9 l 了 6h ：5 03 7 5 74 1 5 3 4j3 52 3j 7 5 71 5 ：0 03 7 5 7 34 22 413 52 3 3j 8 81 5 ：j 03 7 6 1 7 24 2 52 t13 6 2 3 2 1 8 ，5 91 5 ：2 03 了。81 7 34 3 2 41 3 8 孙3 1 9 1 01 5 ：3 0 3 8 1 7 。51 32 1 42 3 51 9 襄2 变氟拳教嘉毒i g e i 誓度 序号时吨上1 6 耵下i 衄t童迅鲁注 ll l ：【j o2 l242 4斌嘞i i 始 l ：1 03 54 l 2 4 ：l l ：3 0硒j，1 32 l lj l ：3 03 7 五 52 t l j ：| o 3 7 5 ：1 再 24 61 4 ：3 8 54 52 1 ， l j ： 玎j3 8 1 52 81 5 ：l o：臻54 5 52 4 9l 五：7 0：i - 5l 五52 l “jj 再： f )：1 8 毒5 8 2 4 1 5 西安理工大学工程硕士学位论文 1 6 附页| 二 翻：潭覃i 唯两山毯毫新巾世中m 厝_ 5 并 t o , i ：舡7 5 5 舶8 酬炷 i v t 潭s i i e 堋n 巾z i i 英i l n 髓i n 鹈v i 电c 气l ( c 崆t r 份i 竟c o 限+ 2 司酬篇篇慧。镒，m 一。il t o , 品i i ，1 “ii | i 输：l ：i 也扎耩帕西1 酞垃 t 【土孰i f - 别 h f 王州h 络鬻： 2 ，佟馐l j ；1 ( ；l l l 的；h 瞧u 蹙撷器奉疑所测沮度取堙i ：蚪列洱仅的沮成耳t 艘尺扪： x 谢h 所测d | j 堑f 越 试结论l 鬃据生瓢軎整羹舅试蔓柬 中关予薯丹试的蔓求，完垒符合要求，在蔓求中奠定所静务 升不啦超过柚 3 矿用隔爆变频器隔爆结构设计 3 矿用隔爆变频器隔爆结构设计 3 1 概述 煤矿井下是存在瓦斯( 甲烷) 和粉煤尘爆炸危险的爆炸性气体环境。爆炸性气体环境 是指在大气条件下，气体、蒸汽或雾状的可燃物质与空气构成的混合物，在混合物中点燃后， 燃烧将传遍整个未燃混合物的环境。i 3 ) 即当瓦斯( 甲烷) 或粉煤尘的浓度超过临界浓度后， 在有明火的情况下就会迅速燃烧而引起爆炸事故的发生。因此各国都对煤矿用设备尤其是电 气设备的设计和使用做了严格的规范。 隔爆壳体是电气设备的一种防爆型式，其外壳能够承受通过外壳任何接合面或结构间隙 渗透到外壳内部的可燃性混合物在内部爆炸而不损坏，并且不会引起外部由一种、多种气体 或蒸汽形成的爆炸性环境的点燃【2 】。本论文所研究的变频器为了达到在煤矿井下正常、安全 运行的目的，采用的型式为将所有的电器元件置于隔爆壳体内的防爆型式( 整体结构见图 3 1 ) 。 l 一左侧rj2 一按扭控制装置3 一止门4 一壳体5 一电机法兰卜电缆引入装置7 一接线腔端盖 图3 - 1 隔爆壳体整体结构图 f i g3 - 1t h ew h o l es t r u c t u r a lc h a r to fe x p l o s i o ns u p p r e s s i o ns h e l l 影响产品隔爆性能的主要因素有两点：一是隔爆接合面的间隙；二是火焰通路的长度。 隔爆接合面是指隔爆外壳不同部件相对应的表面配合在一起( 或外壳连接处) 且火焰或 燃烧生成物可能会由此从外壳内部传到外壳外部的部件。州而隔爆接合面间隙是指隔爆接合 1 7 西安理工大学工程硕士学位论文 面相对应表面之日j 的日j 隙p i 。 火焰通路的长度( 接合面长度) 是指从隔爆外壳内部通过接合面到隔爆外壳外部的最短 通路的长度。f 卅 针对以上问题本隔爆变频器分别对e 要隔爆接合面进行了结构设计和有限元分析计算。 3 2 隔爆结构设计 本次开发设计的4 0 0 k r a 煤矿用隔爆变频器主要对以下几个隔爆接合面进行了具体的分 析设计： 1 左侧门( 图3 一l 序号1 与壳体( 图3 - l 序号4 ) 间的平面接合形式的隔爆设计 2 正门( 图3 1 序号3 ) 与壳体间的平面结合形式的隔爆设计 3 按钮开关部分( 图3 - 1 序号2 ) 的操纵杆( 轴) 形式的隔爆设计 4 电缆引入装置( 图3 - 1 序号6 ) 的隔爆设计 5 风扇电机轴的操纵杆( 轴) 形式的隔爆设计 3 2 1 左侧门与壳体间的平面接合形式的隔爆设计 图3 一l 所示序号l 为左侧门，左侧门与壳体之间是通过螺栓联接，在其结合部分就产生 了隔爆接合面。根据g b 3 8 3 6 2 - 2 0 0 0 中的规定，左侧门联接法兰与隔爆壳体联接法兰的结合 宽度选者l = 4 5 m m 。此时两接合面之间的间隙应当控制在0 4 m 范围以内。由于此结合面之 间是采用螺栓连接，因此这样的间隙是完全可以通过合理布置螺栓间距及对螺栓的预紧来实 现。其具体结构如图3 2 所示。 l 一隔爆壳体2 一左侧j 图3 2左侧门隔爆控制结构 f i g3 - 2t h ec o n t r o lli n gs t r u c t u r eo fl e f ts i d ed o o ro fe x p l o s i o ns u p p r e s s i o n 3 矿用隔爆变频器隔爆结构设计 3 2 2 正门与壳体间的平面结合隔爆形式的设计 图3 - 1 所示序号3 为正门，采用快丌门机构。正门与壳体之间是通过连接在正门上的门 齿条与连接在壳体上的壳体齿条相互啮合而连接起来( 见图3 3 ) 。这样就在币门的法兰与 壳体法兰之间也产生了隔爆结合面。根据g b 3 8 3 6 2 - 2 0 0 0 的规定，正门连接法兰与隔爆壳体 连接法兰的结合宽度选者l = 4 5 m m 。此时两接合面之间的间隙应当控制在0 4 m 范围以内( 见 表3 一1 ) 。由于此接合面之问是采用齿条相互啮合而连接。因此适当修正两齿条中的任何一 个齿条的厚度，即可调整间隙，从而满足标准对接合日j 隙的要求。 l 一隔爆壳体2 箱齿条3 一上e 门4 一门齿条 图3 正f j 隔爆控制结构 f i g3 - 3t h ec o n t r o l l i n gs l c m r eo f e x p l o s i o ns u p p r e s s i o ni nt h ef i o n td o o r 3 2 3 按钮开关部分的操纵杆( 轴) 形式的隔爆设计 操纵杆( 轴) 是指用于传递旋转、直线或二者合成运动的圆形截面零件。嘲如图3 4 所 示为按扭开关的具体结构。为了提高按扭操作机构的耐磨性，在按扭和隔爆壳体之间采用在 隔爆壳体上镶嵌铜套的方式，而此时的铜套与隔爆壳体是过盈配合。这样就在按扭和铜套之 日j 形成了型式为操纵杆( 轴) 类的隔爆接合面。根据g b 3 8 3 6 2 - 2 0 0 0 规定，按扭与铜套接合 长度选者l = 2 6 m 。此时两接合面之间的间隙应当控制在0 4 m 范围以内( 见表3 1 ) 。为了 达到此要求，铜套的加工分两个阶段进行。第一阶段是除铜套内孔的实际加工尺寸小于公称 尺寸外，其余尺寸均加工到位。第二阶段是，待铜套与隔爆壳体过盈配合后在与按扭机构装 配时现场铰制以达到控制按扭与铜套的配合间隙满足标准规定的要求。 1 9 西安理工大学工程硕士学位论文 l