感應電動機在煤礦井下作業(yè)過程中的相關(guān)問題研究

董彥龍

（陽煤集團平舒煤業(yè)有限責任公司， 山西 壽陽 045400）

引言

近年來，采礦業(yè)是電動機應用最重要的領(lǐng)域之一，尤其是在大型采礦應用中，很多項目采用的是感應電機，這主要考慮到感應電機設備具有良好的魯棒性和緊湊性。而在當代采礦業(yè)中感應電動機（交流電機）是最常用的電能與機械能轉(zhuǎn)化設備，可以在很多情況下與檢測設備進行有效的對接，探傷和檢測也較為方便，因此擬在分析感應電動機在礦山開采中的應用優(yōu)勢的同時，提出一些有效的檢測系統(tǒng)的搭建思路。

1 感應電動機結(jié)構(gòu)部件在礦山機械中的應用優(yōu)勢分析

感應電動機又稱“異步電動機”，由定子繞組形成的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組中感應電流的磁場相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的交流電動機。即轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場中，在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，獲得一個轉(zhuǎn)動力矩，因而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 感應電動機的外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

感應電機由于其良好的魯棒性、可靠性和低維修成本在工業(yè)中廣泛使用，特別是在采礦業(yè)中。在礦山開采作業(yè)現(xiàn)場，地下環(huán)境條件極差，有大量灰塵、空氣潮濕且通道狹窄致使維護非常困難。而感應電動機可以有效提高系統(tǒng)可靠性和動態(tài)性，從而降低維護成本。

由于高性能扭矩控制可以使感應電機獲得更好的動態(tài)和穩(wěn)定性能，這對于改善生產(chǎn)有著重要的作用。所以，配有變速驅(qū)動器的電機已經(jīng)成為礦山機械設備的一項基本標準。隨著電力電子技術(shù)的進步，隨之而來的是中壓驅(qū)動器的飛速發(fā)展，例如，使用三級逆變器，一些高利潤、高性能、低功耗特點的驅(qū)動器已經(jīng)被延伸到很多工業(yè)領(lǐng)域，包括在采礦業(yè)中使用的電動機。這種變速驅(qū)動器在過去數(shù)十年來被越來越多的礦山設備采納，主要因其諧波含量較低、電壓浮動較小。但是，由其變頻器產(chǎn)生的波形標準不是純粹的正弦波形，致使其有突然的脈沖變化和諧波分量。感應機器以正弦電壓供電[1]?？傊?，這種變速驅(qū)動器會導致一些問題，如：機器絕緣系統(tǒng)無法承受高電壓變化；由諧波電流產(chǎn)生的滯后和渦流增加散熱難度和能源消耗；電流的靜電感應改變潤滑油化學組成，致使機器壽命縮短；瞬態(tài)反射波在電機端子上產(chǎn)生電壓尖峰超過額定電壓的3倍；定子和轉(zhuǎn)子之間的電容耦合增加，當在正弦電壓下工作時可以觀察到，這個耦合結(jié)合繞組高頻率的電氣特性，可以導致電機電壓相量達到潛力的20倍以上；較為敏感設備會受到電磁干擾。

為了減少上述問題，很多學者建議在轉(zhuǎn)換器和感應電機的端子之間加入大功率被動濾波器。使用過濾器減少了電流和諧波含量，將電壓有效地施加到機器上，減少損失，增加機器壽命，使得長電纜成為可能，輸出波形幾乎變成正弦曲線。然而，實現(xiàn)一個惡略條件下的高性能濾波器性能控制仍然是一項非常巨大的挑戰(zhàn)。過濾器實現(xiàn)高性能的困難來自于傳送到機器的電流和所提供的電流由變頻器的存在有所不同。除此之外，在當前過濾器循環(huán)中插入更多的極點和零點控制器在設計上也是十分困難的。

我們以在礦山機械中最常見礦井提升機為例進行分析。自19世紀以來，電動機取代蒸汽機，用于礦井提升機。從此，采礦業(yè)就有了不斷的進步和創(chuàng)新可靠的礦井提升機驅(qū)動系統(tǒng)。起升機構(gòu)的基本要求是：速度平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速范圍低（最大不超過45 r/min），空間要求較小，初始成本低，響應速度且平滑的加減速特性可以實現(xiàn)間歇工作，起動和拉出力矩大，簡易的開關(guān)操作，快速動態(tài)響應，良好魯棒性和可靠性。19世紀90年代的蒸汽機驅(qū)動系統(tǒng)無法產(chǎn)生均勻的扭矩，速度控制較難且涉及更多的資金投資成本和能源消耗。

電礦井提升系統(tǒng)使用直流或三相感應電機作為驅(qū)動器。直流或交流電機的應用取決于礦井提升要求、電力供應和成本。傳統(tǒng)上，礦井提升機由于速度—轉(zhuǎn)矩特性的多樣性，直流電機更為可接受獨立加載。三相感應電機由于其簡單、堅固也使可以接受的施工成本低，魯棒性好，自啟動力矩大，可靠性高等特點。繞線機驅(qū)動器受到間歇工作循環(huán)的影響，工作時間短，不能使電機達到穩(wěn)定狀態(tài)溫度。感應電機驅(qū)動系統(tǒng)可以反轉(zhuǎn)方向并提供驅(qū)動和制動轉(zhuǎn)矩方向，理想情況下應該有一些快速響應控制特性。現(xiàn)代礦井提升機驅(qū)動系統(tǒng)由于效率更高而使用電力電子控制器，體積小巧，動態(tài)響應速度快。1500 kW的起重機通常使用變速箱與感應電機，而較大的電機直接驅(qū)動懸臂同步電機。該驅(qū)動器的選擇也取決于電源安裝的操作范圍。除此之外，現(xiàn)代礦井提升機是兩種類型的摩擦鼓。摩擦式直接驅(qū)動的力量提升系統(tǒng)在5～10 MW范圍內(nèi)?，F(xiàn)代機器現(xiàn)在全部自動化控制和保護是固態(tài)與反并聯(lián)連接的晶閘管[2]。

2 感應電動機在礦業(yè)開采中的安全檢測探討

電動機作為一種可以將電能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置，在工業(yè)生產(chǎn)中有著舉足輕重的地位，特別是異步電動機作為工業(yè)生產(chǎn)中最主要的原動力和驅(qū)動裝置，其重要性毋庸置疑。在煤礦、能源、化工等工業(yè)領(lǐng)域中，大型異步電機更是其核心設備，一旦異步電機出現(xiàn)故障，整個工業(yè)運行系統(tǒng)可能會面臨全面癱瘓的風險，從而造成不可預料的經(jīng)濟損失，甚至危及現(xiàn)場工作人員的生命安全。Pytel＆Jaracz和Gumula等人（2004）的研究表明，礦山機械行業(yè)中最主要的代表性設備是煤炭開采和采礦用加工設備，采礦挖掘機械和礦物原料輸送設備、這些典型設備開發(fā)和制造經(jīng)驗對國家和地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展起著相當重要的作用。長壁系統(tǒng)、采煤機、掘進機、鏟運機和皮帶輸送機、動力屋頂支架、地下運輸和運輸設備、電器以及液壓元件必須能夠適應最惡劣的工作環(huán)境和運行條件。因此異步電動機的故障檢測及故障診斷具有重要的研究意義。

轉(zhuǎn)子是可轉(zhuǎn)動的導體，通常多呈鼠籠狀。定子是電動機中不轉(zhuǎn)動的部分，主要任務是產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場是以交流電通至數(shù)對電磁鐵中，使其磁極性質(zhì)循環(huán)改變，相當于一個旋轉(zhuǎn)的磁場。這種電動機并不像直流電動機有電刷或集電環(huán)，依據(jù)所用交流電的種類有單相電動機和三相電動機，三相電動機則作為工廠的動力設備。相關(guān)數(shù)據(jù)表明：電動機總銷售額的近90%是三相電動機?；谝陨戏治?，如圖2所示，我們可以搭建一套能夠適應與礦山開采的感應電動機的在線檢測系統(tǒng)。專家系統(tǒng)中包括知識庫、推理機、數(shù)據(jù)庫、故障獲取模塊、解釋模塊、人機交互界面六部分。知識庫存儲的是電機的故障特征，包括電機經(jīng)常出現(xiàn)的故障、每個故障所引起的原因、發(fā)生該故障的故障特征值范圍、故障的可能性大小等。數(shù)據(jù)庫用于存儲機組設備信息、診斷征兆信息、故障信息、故障歷史記錄等數(shù)據(jù)。推理機根據(jù)系統(tǒng)自動提取的故障特征，并與知識庫中的規(guī)則進行匹配，得出故障結(jié)論。解釋器可以調(diào)用顯示該結(jié)果[3]。

圖2 一種能夠適應與礦山開采的感應電動機的在線檢測系統(tǒng)

3 結(jié)語

近年來，不斷的優(yōu)化設計研究使得電機和驅(qū)動器容錯率更高。但是，因為感應機器在極為惡劣的采礦環(huán)境中運行，很容易出現(xiàn)各種各樣電氣和機械故障，造成生產(chǎn)中斷。此外，約85%的采礦工業(yè)電動機是感應電動機。根據(jù)不同的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，轉(zhuǎn)子故障占電機故障總數(shù)的10%，而其他90%在電機不同的部件中出現(xiàn)。因此需要在早期盡可能搭建一套感應電動機的檢測系統(tǒng)，以免在作業(yè)工作過程中出現(xiàn)重大的安全事故。

[1]葛磊.礦山機械設備再制造技術(shù)探析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（23）：54.

[2]康貴.煤礦機械軸承失效分析方法及預防措施[J].機械管理開發(fā)，2017，32（11）：45-46.

[3]郭敬飛.煤礦機械設備故障診斷技術(shù)探討[J].機械管理開發(fā)，2017，32（11）：57-58.