结构安全型永磁调速驱动器防爆安全评定.pdf

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1、 电气防爆 2 0 1 2，2 结构安全型永磁调速驱动器防爆安全评定 结构安全型永磁调速驱动器防爆安全评定 张海鸥(南阳防爆 电气研究所，河南 南阳 4 7 3 0 0 8)关键词 防爆电机；永磁调速驱动器；点燃危险评定 摘要 根据永磁调速技术的特点，按照非电气 防爆设备 国家标准 的要求，提 出了结构 安全型永磁调速驱动器的防点燃危 险评定要点。中图分类号 T M 0 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 9 l 1 8(2 0 1 2)0 2 0 0 2 5 0 5 As s e s s me n t o n S a f e t y Fe a t u r e f o r P M S

2、 p e e d Re g u l a t i n g Dr i v e r Us e d i n a n Co ns t r uc t i o na l S a f e t y”C”ZHANG Ha iO U (N a n y a n g E x p l o s o n P r o t e c e d E l e c t r i c a l A p p a r a t u s R e s e a r c h I n s t i t u t e，H e n a n N a n y a n g 4 7 3 0 0 8)Ke y wo r ds：e x p l o i o np r o o f m

3、o t o r；PM s p e e d r e g u l a t i i n g d riv e r；ris k a s s e s s me n t o n i g n i t i n g Abs t r a c t：Ba s e d o n t h e t e c h ni c a l f e a t u r e s o f P M s pe e d r e g u l a t i o n，i t p u t f o r wa r d t h e s p e c i fic a t i o n s o f PM s p e e d r e g u l a t i n g d riv e

4、 r wi t h p r o t e c t i o n b y c o n s t r u c t i o n a l s a f e t y”C”a c c o r d i ng t o n a t i o n a l s t a nd a r d s f o r n o ne l e c t r i c a l e x p l o s i o n p r o t e c t i o n c o n s p o nd l y W i t h e v a l u a t i o n o n i g n i t i o n ris k s，t h e a s s e s s me n t p

5、 r o c e du r e a nd g i s t h a v e be e n pr o v i d e d o n t h e s afe t y t o PM s p e e d r e g u l a t i n g d riv e r e q u i p p e d i n a n e x p l o s i o np r o o f mo t o r U 引 吾 近年来出现的电机永磁调速技术是可 以替代 变频器的新技术，能够大量使用于石化、煤矿等爆 炸性危险场所，其节能、环保、方便等特点，给企业 带来了良好的效益。但是，由于其使用时为旋转 部件，内部机理又是电磁能量转换等因素

6、，应用于 爆炸性危险场所时须经过点燃危险评定，从而采 取措施保证其防爆安全。本文从现行有效 的非 电 气防爆设备 国家标 准着手，阐述 了 G b、D b级 或 Mb级 电机永磁调速防爆技术要点和点燃危险评 定方法，供有关人员参考。1 永磁耦合技术简介 当磁力线通 过铜导体，静止 时不会有作 用。当两者有相对运动，磁力线在导体 中移动产生感 应涡 电流，在铜导体 上产生感应磁场，而产生扭 距。越靠近时磁力线密度越密集，产生效应越强，扭距越大；相对运动越快，效应越强，产生扭距越 大(转差越大，扭距越大)；相对运动越大，两者感 应同极磁场越强，产生互相排斥 的力量(磁悬 浮 效应)。永磁耦合测试：

7、每个永磁体经过扭矩测试、不 同转差的测试、不 同气隙的测试。永磁耦合技术是一种无机械连接的创新扭矩 传动技术，永磁耦合调速驱动器是最简单、可靠的 调速节能装置。永磁调速驱动器的概念是：通过调整采用永 磁耦合技术的铜盘和磁盘的间隙和转差率，从 而 使 得电动机转速适应负载需要，从而实现无级调 收稿 日期 2 0 1 20 4 2 6 作者简介 张海鸥，男，毕业 于华 中理工大学机 电系，主要从事防爆电气 产品资料 审查、检验及 国际认证工作。2 6 结构安全型永磁调速驱动器防爆安全评定 电气防爆 2 0 1 2，2 速和节能效果。永磁调速驱动器按其冷却方式一 般分为：空冷型和水冷型。永磁调速驱动

8、器基本 调速原理如图 1 所示，基本结构如图 2所示。铜盘转子(连接于电 机测)g,-T-(连接 于负载侧)最小气隙时扭矩最大；改变气隙时改变扭矩；最大气踪时 扭矩最小 图 1 永磁调速驱动器基本原理示意图 侧 图 2永磁 调 透 驱 动 器 的 基 本 结构 示 意 图 2 电机调速 的基本概念 2 1 电机和离心设备的特性 曲线 电机的扭矩 一转速曲线如图3所示。2 2 电机是靠转差产生所需扭矩来带动负载 电机的负载所需扭矩决定电机 的转差，电机 的输出功率视负载需求来决定，所需扭矩越大输 出功率越大。如图 4所示。永磁耦合技术也是靠转差产生所需扭矩来带 动负载，负载所需扭矩决定永磁耦合器

9、的转差，改 变永磁耦合器的气隙，获得不同扭矩特性曲线，改变传递的扭矩并获得不同转差(控制输出转 速)。湖 善抛 交 辑 1 、方 案 D =兰 一，、1-_rr 八 l 一|_一 方案B 转速 图 3 电机的扭矩 一转速 曲线 转运 图 4电机和离心设备扭矩 一转速 曲线 3 永磁调速驱动器的优点和应用场所 3 1 永磁调速驱动器的优点 永磁调速驱动器有以下优点：调速范围宽(可无级 0 9 8 调整转速)简单(构造简单，本身无需电源)可靠(容易安装，不怕恶劣环境，寿命长达 3 0年)软启动(电机完全在空载下启动，大幅降 低启动时间)不怕堵转，不怕脉冲型负载(保护电机，机 械密封等)容忍安装的同

10、心度误差，隔离并减低振动 延长设备寿命，增长 M T B F(故障周期)无谐波(不伤害电机，不影响电网功因)无 E MI(电磁波干扰)降低拥有者总成本 3 2 永磁调速驱动器应用场所 永磁调速驱动器应用于以下场所：大功率(2 0 0 2 5 0 0 k W)中、高电压 的电机(3 3 0 0 V以上)环境对谐波或电磁波要求高 可靠度要求高 调速，控制需求 电气防爆 2 0 1 2，2 结构安全型永磁调速驱动器防爆安全评定 2 7 环境恶劣 难以排除之震动 周期性的负载堵转 脉冲型负载 热胀冷缩，对 中不易 4 防爆技术 要求 4 1 非电气 防爆的基本概念 根据永磁调速驱动器的基本原理，按照现

11、行 结构 安全 型非 电气 防爆 设 备 国家 标 准，G B 2 5 2 8 6 1 _2 0 1 0和 G B 2 5 2 8 6 5 _2 0 l 0，其设备保护 级别可分为：I类：Mb级设备；I I 类：G b级设备；类：D b级设备。结构安全型“C”的概念是：采用结构性措施 进行保护，防止活动部件造成的热表面、火花和绝 热压缩可能引起点燃 的防点燃保护类 型。永磁调速驱动器 的防爆标 志为：类 G b级 防爆保护相关的标志示例：E x cT 4 G b；I 类 M b级防爆保护相关 的标志示例：E x C I Mb；类 D b级防爆保护相关示例：E x C I I I T 1 3 0

12、 o C D b。4 2防爆结构要求 4 2 1 结构牢固可靠 永磁调速驱动器采用结构安全型“C”规定 的 方法保护设 备或设 备组件(包括相 互连接 的部 件)之前，应先进行点燃危 险评定，应确定通过增 强或增加某些薄弱部件的安全性能确保不会产生 点燃源。永磁调速驱动器 的所有部件及 内部连接部件 在其整个预期使用寿命期间，应能按照生产商规 定的工作参数正常工作，在承受预期的机械和热 应力时保持足够的坚 固性和耐用性。4 2 2 防护等级 永磁调速驱动器外部应设置保护罩，防止外 物和调速器旋转部件磕碰造成危 险，防护等级应 达到能够防止外物或水进入设备。外物或水进入 设备可能导 致：1)防点

13、 燃水平 降低至一个 较低 值，如使点燃温度低于爆炸性环境温度的可燃粉 尘，在发热 的内部元件或设备部件上形成覆盖层；和 或 2)接触活动部件，形成潜在点燃源、危险故 障或明火。最低防护等级(I P)：若用于气体 蒸 气环境，当外物进入时可能导致点燃，但粉尘进入 不会带来危害时，应防止坠落物体进人；若用于气 体 蒸气环境，当外物或液体进入可能造成故障并 导致形成点燃源 时，外壳 防护等级至少为 I P 5 4；若用于可燃性粉尘环境，当粉尘进入会形成点燃 源或明火时，外壳防护等级至少为 I P 6 X，若用于 可燃性粉尘环境，当粉尘和外物进入不可能造成 点燃时，无需使用外壳。永磁调速驱动器外壳达

14、到 I P 2 X，即可以防止 壳体部件与旋转部件接触。4 2 3 外壳材料要求 永磁调速驱动器外壳不应使用轻金属。但若 使用轻金属，则应符合：I 类设备：制造 I 类设备外部部件的材料，对 于 Mb级，按质量百分 比，铝、钛、镁和锆的总含量 不允许大于 1 5，并且钛、镁 和锆的总含量不允 许大于 7 5。当点燃危险评定显示，易燃摩擦、冲击或磨损火花不会 引起燃烧危险时不用参照以 上限制。类和 类设备：制造 类或 类设备外部 部件的材料按质量百分 比，对于 G b、D b级：镁含 量不允许 大于 7 5 ；对 于 G c、D c级：无 特别要 求。当点燃危险评定显示，易燃摩擦、冲击或磨损 火

15、花不会引起燃烧危险时，不用参照以上限制。4 2 4 活动部件 的间距要求 应采取机械措施保证旋转活动部件之间、活 动部件 和 固定 部 件 之 间 的 间 距，均 不 得 小 于 5 mm，旋转活动部件之 间应采用 配对材料，如铜 盘和磁盘(主要成分 为：四氧化三铁)，为 了保证 不产生碰撞或摩擦火花，应进行 摩擦 火花试验。应避免活动部件非意外振动导致产生潜在易燃热 表面或机械火花。非意外振动可能由设备自 身造 成，或 由于其安装 的地点造成。应避免这种原因 造成的潜在易燃热表面或机械火花。制造商应提 供必需 的安装、操作和维护说明书。说 明书应特 别规定设备正确运行 的速度范围。4 2 5

16、 轴承要求 4 2 5 1 轴承点燃评定的一般要求 永磁调速驱 动器采用滚 动轴承，应 符合 G B 2 5 2 8 6 5 _2 0 1 0第 6 1条要求。4 2 5 2 轴承润滑密封要求 一般情况下，需要补充润滑剂 防止设备部件 的接触面产生热表面 的密封设计，应确保有充分 的润滑剂，或提供温度监测装置，在温度升高时发 出警报；水冷 型永 磁调速驱动器应 能够通过 G B 2 5 2 8 6 5 _2 0 1 0附录 B所述 的“干运行”试验，而 不会超过设备 的最高表面温度和 或 出现会降低 其防点燃保护性能的损坏。制造商说明书应包括 2 8 结构安全型永磁调速驱动器防爆安全评定 电气

17、防爆 2 0 1 2，2 此类密封正确润滑、监测和维护的详细说明。轴承使用的润滑剂为防止潜在易燃热表面或 机械火花，其点燃温度应 比使用液体的设备 的最 高表面温度高 5 0 K。任何 能够 释放 的液体都不 应造成点燃(例如，由于高温或静电释放)。依靠润滑介质防止温升超过最高表面温度或 造成易燃机械火花的轴承，结构应确保润滑介质 始终存在。这可以通过终身密封轴承、甩油润滑 器、自动润滑系统或监测油位的手控系统，以及定 期维修的适当说 明和推荐的检查频率来实现。当 这些方法不可能实现时，应采用其它控制点燃危 险的方法(如温度传感器在达到潜在易燃温度之 前发出警报，或采用温度传感器控制潜在点燃

18、源)。表 1 永磁调速驱动器点燃危险评定文件 潜在点燃源 防止点燃源变为有效点燃源采取的控制措施 采取的防燃措施 正常工作 预期故障 设备使用于 I 类、类、m类场所的有关信息 G B 2 5 2 8 61 2 O 1 O 第 5 1 和所有使用条件(如，粗暴搬运、潮湿影响、条、GB 2 5 2 8 6 1 2 O l O 第 通用要求 环境温度和压力变化、化学试剂影响、腐蚀、1 5 章 振动)应 由制造厂在使用说明书中详细规定。配用 2极标称最大功率电机，在正常工作条件 下试验(水冷型永磁调速驱动器应能通过 G B G B 2 5 2 8 6 1 2 O 1 O第 6 1 暴露的热表面 2

19、5 2 8 6 5 2 O 1 0标准附录 B 规定的干运行试 条、G B 2 5 2 8 6 5 2 O l O第 验)，查找并记录其最高表面温度。但试验状 4 4 条 态应考虑电机满负载运行时的最高表面温度。外壳轻金属材 外壳含有铝合金材料部分应符合有关轻金属 含量要求。提供材质报告，并在使用说明书中 G B 2 5 2 8 6 1 2 O 1 O 第 8章、料 G B 2 5 2 8 6 1 2 O 1 O 第 l 5 章 详细说明。外壳非金属材 外壳含有非金属材料部分应通过耐热耐寒试 G B 2 5 2 8 6 1 2 O 1 0 第 1 3 3 4 料 验，I 类 Mb级设备应能通过

20、耐化学试剂试验。条 电机轴伸及负载侧连接处应采用可靠金属 连接，将其 和电机接地 相连，以便涡流 产生的 GB 2 5 2 8 61 _2 0 1 O第 5 2 1 轴电压不致引起火花；若配用 电机轴承轴瓦 涡流效应 条、G B 2 5 2 8 6 1 2 O 1 0第 处采用绝缘处理时，则连接处也应绝缘处理，避免涡流引起轴电压；有关内容应在使用说明 1 5童 书中详细说明。非金属材料应符合 G B 2 5 2 8 6 1 2 0 1 0第 7 4 G B 2 5 2 8 6 1 2 0 1 0第 5 2 1 静电电荷 条，满足表面电阻等要求，符合 I 类、类、条、G B 2 5 2 8 6

21、1 2 O l 0第 类场所特殊要求。7 4条 检查所有紧固件，应连接可靠、装配牢固，有 防松措施。可拆卸零件应确保不会因疏忽而被 G B 2 5 2 8 6 1 _2 O l 0第 9 章、机械强度 移除，且采用的紧固件只能由工具或钥匙才能 G B2 5 2 8 6 5 2 0 l 0第4 2 条 帮助拆卸。产品外部设置保护罩，防止外物和调速器旋转 防护等级 部件磕碰造成危险，防护等级至少达到 I P 2 X，G B 2 5 2 8 6 5 2 0 l O第4 3 条 即可以防止壳体部件与旋转部件接触。负载侧装配的滚动轴承作为点燃危险评定部 G B 2 5 2 8 65 2 O l O 第

22、6章、轴承要求 分应考虑 G B 2 5 2 8 65 2 O 1 0 第 6 章要求。有关 内容应在使用说明书中详细说明。G B 2 5 2 8 6 1 _2 O l O 第 l 5章 铜盘 和 磁盘 之 铜盘和磁盘 的配对材料经过 G B T 1 3 8 1 3 G B 2 5 2 8 65 2 O l O 第 5 1 条 间的碰撞 2 0 0 8 摩擦火花测试合格。振动的影响 用户说明书应详述安装、检查和维护的正确要 G B 2 5 2 8 6 5 2 O 1 O第 5 2 求，以避免此危险。条、G B 2 5 2 8 6 1 2 O 1 O第 1 5章 铜 盘和 磁盘 之 产品的铜盘和

23、磁盘设计有限位措施，间隙不小 G B 2 5 2 8 6 5 2 O l 0第 5 3 间的间隙 于 5 i n to，不会发生碰撞。条、G B 2 5 2 8 6 1-2 O 1 O第 1 5童 电气防爆 2 0 1 2，2 结构安全型永磁调速驱动器防爆安全评定 2 9 4 2 5 3 轴承材料的化学兼容性 轴承的制造材料对预期使用接触的液体或蒸 气应有耐腐性。同样，轴承结构所用材料包括轴 承罩应对其能够接触 的液体或溶剂有耐腐性。应 特别注意非金属部件可能膨胀。当液体或蒸气能 溶解到轴承的润滑剂 中时，即使在这 种情况下润 滑剂仍应保持“发挥作用”。4 2 6 联轴器的技术要求 永磁调速驱

24、动器和电机轴伸及负载侧连接应 采用可靠金属连接或者绝缘处理，以便涡流产生 的轴电压不致引起火花。采用可靠的金属连接 目 的是将其和电机接地相连，采用绝缘处理是为 了 避免涡流引起轴电压。4 3防爆通用技术要求 4 3 1 最高表面温度的确定 I 类、类、类产 品的最高表面温度应符合 G B 2 5 2 8 6 1 _2 0 1 0标准第 6章要求。最高表 面 温度是按照设备 的级别，在制造商规定 的最不利 负载时的最严酷条件下测定 的。测定最高表面温 度应考虑 G c级或 D c级设备 的正 常运行，G b级 或 D b 级设备的预期故障。I 类 M b 级设备类似，测定最高表面温度时，由于设

25、 备设计在 出现爆炸 性环境时停机而形成的不可忽略的那些故障，应 考虑在内。应测量每个位置上的温度并考虑最高 温度。当仅在某个位置测得温度时，试验报告中 应加 以注明，而且设备上也应加上“x”或加标牌。对测量工具(温度计，热 电偶 等)和连接 电缆应进 行选择，且连接方法不应对设备热表面造成显著 影响。测量工具的精确度应至少为测得值的 2 (o C)或 2 K，二者之 中取精度较高者。当温升 速度不超过 2 K h或构成设备一部分的限温装置 作用后所测得的温度为最终温度。如果没有限温装置，最后温度值应修 正到设 备额定最高环境 温度，用额定环境温度与试验 时 的环境温度之差加到测得 的温度值上

26、进行修正。测得 的最 高表面温度应 不超过：对 于 I类设备，G B 2 5 2 8 6 1 _2 0 1 0标 准第 6 1 1条 中给 出的数 值；对于类 G a 级设备：标示温度的 8 0 或标示 温度组别 下限 的 8 0；对 于其 它 类或 类设 备：每个制造的样品进行过常规温度试验时，设备 上所标注的温度；对于进行过型式试验的设备，标 注的温度或温度组别，对于温度组别 T 6、T 5、T 4、低 5 K，、T 1低 l 0 K。4 3 2 非金属材料的型式试验 永磁调速驱动器的非金属材料，如绝缘 材料 等，应按照 G B 2 5 2 8 6 1 2 0 1 0标准进行耐热耐寒 试验

27、，若用 于 I 类场所，还应按 照 G B 2 5 2 8 6 1 2 0 1 0标准进行耐化学试剂试验。5 点燃危 险评定要点 永磁调速驱动器的组成零部包括：相对旋转 的部件铜盘和磁盘，以及和电机轴伸侧、负载侧相 连接的联轴器件，负载端轴承组件等。结合 防爆 电机的应用场所，制造厂一般考虑将其设备保护 级别设计成 类 G b等级、I 类 M b等级 或 类 D b等级，以考虑和电机匹配。因此需要形成点燃 危险评定文件，列入技术文件中。根据对 G b、Mb 或 D b设 备的要求，评定时需 考虑永磁调速驱动 器的正常运行时可能出现 的所有点燃源，以及那 些在使用过程中由于出现预期故障而变成的有

28、效 点燃源。对于 G b级或 D b级设备来说，由于不需 要符合 G a、Ma、D a级设备 的要求，因此 由罕见故 障引起的潜在点燃源可以忽略，其评定文件示例 见表 l。6 结束语 防爆 电机配用的结构安全型永磁调速驱动器 的防爆安全性能评定是一个较复杂 的系统，应该 依靠现行 国家标准，结合工业运行实践经验，完善 点燃危险评定文件，制造厂应在获得大量经验参 数的基础上，按照标准规定 的检验程序提供有关 资料送 国家授权 的检验机构技术 审查，并提供样 品进行防爆检验，取得防爆合格证后才能生产销 售，确保非 电气产品的防爆安全。参考文献 1 G B 3 8 3 6 1 _ _ 2 0 1 0，爆炸性 环境 第 1 部 分：设备 通用 要求 S 2 G B 2 5 2 8 6 1 2 0 1 0，爆炸性环境用非电气设备 第 1 部 分：基本方法和要求 S 3 G B 2 5 2 8 6 5 2 0 l O，爆炸性环境用非电气设备 第 5部 分：结构安全型“c”S