感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在煤礦井下作業(yè)過(guò)程中的相關(guān)問(wèn)題研究

董彥龍

（陽(yáng)煤集團(tuán)平舒煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 壽陽(yáng) 045400）

引言

近年來(lái)，采礦業(yè)是電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最重要的領(lǐng)域之一，尤其是在大型采礦應(yīng)用中，很多項(xiàng)目采用的是感應(yīng)電機(jī)，這主要考慮到感應(yīng)電機(jī)設(shè)備具有良好的魯棒性和緊湊性。而在當(dāng)代采礦業(yè)中感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（交流電機(jī)）是最常用的電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)化設(shè)備，可以在很多情況下與檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行有效的對(duì)接，探傷和檢測(cè)也較為方便，因此擬在分析感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在礦山開(kāi)采中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，提出一些有效的檢測(cè)系統(tǒng)的搭建思路。

1 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)部件在礦山機(jī)械中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)“異步電動(dòng)機(jī)”，由定子繞組形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的交流電動(dòng)機(jī)。即轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，獲得一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，因而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

感應(yīng)電機(jī)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(kāi)采作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，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(hù)非常困難。而感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可以有效提高系統(tǒng)可靠性和動(dòng)態(tài)性，從而降低維護(hù)成本。

由于高性能扭矩控制可以使感應(yīng)電機(jī)獲得更好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定性能，這對(duì)于改善生產(chǎn)有著重要的作用。所以，配有變速驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)已經(jīng)成為礦山機(jī)械設(shè)備的一項(xiàng)基本標(biāo)準(zhǔn)。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，隨之而來(lái)的是中壓驅(qū)動(dòng)器的飛速發(fā)展，例如，使用三級(jí)逆變器，一些高利潤(rùn)、高性能、低功耗特點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)。這種變速驅(qū)動(dòng)器在過(guò)去數(shù)十年來(lái)被越來(lái)越多的礦山設(shè)備采納，主要因其諧波含量較低、電壓浮動(dòng)較小。但是，由其變頻器產(chǎn)生的波形標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)機(jī)器以正弦電壓供電[1]。總之，這種變速驅(qū)動(dòng)器會(huì)導(dǎo)致一些問(wèn)題，如：機(jī)器絕緣系統(tǒng)無(wú)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(yīng)改變潤(rùn)滑油化學(xué)組成，致使機(jī)器壽命縮短；瞬態(tài)反射波在電機(jī)端子上產(chǎn)生電壓尖峰超過(guò)額定電壓的3倍；定子和轉(zhuǎn)子之間的電容耦合增加，當(dāng)在正弦電壓下工作時(shí)可以觀察到，這個(gè)耦合結(jié)合繞組高頻率的電氣特性，可以導(dǎo)致電機(jī)電壓相量達(dá)到潛力的20倍以上；較為敏感設(shè)備會(huì)受到電磁干擾。

為了減少上述問(wèn)題，很多學(xué)者建議在轉(zhuǎn)換器和感應(yīng)電機(jī)的端子之間加入大功率被動(dòng)濾波器。使用過(guò)濾器減少了電流和諧波含量，將電壓有效地施加到機(jī)器上，減少損失，增加機(jī)器壽命，使得長(zhǎng)電纜成為可能，輸出波形幾乎變成正弦曲線(xiàn)。然而，實(shí)現(xiàn)一個(gè)惡略條件下的高性能濾波器性能控制仍然是一項(xiàng)非常巨大的挑戰(zhàn)。過(guò)濾器實(shí)現(xiàn)高性能的困難來(lái)自于傳送到機(jī)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(dāng)前過(guò)濾器循環(huán)中插入更多的極點(diǎn)和零點(diǎn)控制器在設(shè)計(jì)上也是十分困難的。

我們以在礦山機(jī)械中最常見(jiàn)礦井提升機(jī)為例進(jìn)行分析。自19世紀(jì)以來(lái)，電動(dòng)機(jī)取代蒸汽機(jī)，用于礦井提升機(jī)。從此，采礦業(yè)就有了不斷的進(jìn)步和創(chuàng)新可靠的礦井提升機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。起升機(jī)構(gòu)的基本要求是：速度平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速范圍低（最大不超過(guò)45 r/min），空間要求較小，初始成本低，響應(yīng)速度且平滑的加減速特性可以實(shí)現(xiàn)間歇工作，起動(dòng)和拉出力矩大，簡(jiǎn)易的開(kāi)關(guān)操作，快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，良好魯棒性和可靠性。19世紀(jì)90年代的蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無(wú)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(yīng)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。直流或交流電機(jī)的應(yīng)用取決于礦井提升要求、電力供應(yīng)和成本。傳統(tǒng)上，礦井提升機(jī)由于速度—轉(zhuǎn)矩特性的多樣性，直流電機(jī)更為可接受獨(dú)立加載。三相感應(yīng)電機(jī)由于其簡(jiǎn)單、堅(jiān)固也使可以接受的施工成本低，魯棒性好，自啟動(dòng)力矩大，可靠性高等特點(diǎn)。繞線(xiàn)機(jī)驅(qū)動(dòng)器受到間歇工作循環(huán)的影響，工作時(shí)間短，不能使電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)溫度。感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以反轉(zhuǎn)方向并提供驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩方向，理想情況下應(yīng)該有一些快速響應(yīng)控制特性。現(xiàn)代礦井提升機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于效率更高而使用電力電子控制器，體積小巧，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。1500 kW的起重機(jī)通常使用變速箱與感應(yīng)電機(jī)，而較大的電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)懸臂同步電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)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(jī)是兩種類(lèi)型的摩擦鼓。摩擦式直接驅(qū)動(dòng)的力量提升系統(tǒng)在5～10 MW范圍內(nèi)。現(xiàn)代機(jī)器現(xiàn)在全部自動(dòng)化控制和保護(hù)是固態(tài)與反并聯(lián)連接的晶閘管[2]。

2 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在礦業(yè)開(kāi)采中的安全檢測(cè)探討

電動(dòng)機(jī)作為一種可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)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(dòng)機(jī)作為工業(yè)生產(chǎn)中最主要的原動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)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(jī)更是其核心設(shè)備，一旦異步電機(jī)出現(xiàn)故障，整個(gè)工業(yè)運(yùn)行系統(tǒng)可能會(huì)面臨全面癱瘓的風(fēng)險(xiǎn)，從而造成不可預(yù)料的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及現(xiàn)場(chǎng)工作人員的生命安全。Pytel＆Jaracz和Gumula等人（2004）的研究表明，礦山機(jī)械行業(yè)中最主要的代表性設(shè)備是煤炭開(kāi)采和采礦用加工設(shè)備，采礦挖掘機(jī)械和礦物原料輸送設(shè)備、這些典型設(shè)備開(kāi)發(fā)和制造經(jīng)驗(yàn)對(duì)國(guó)家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著相當(dāng)重要的作用。長(zhǎng)壁系統(tǒng)、采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、鏟運(yùn)機(jī)和皮帶輸送機(jī)、動(dòng)力屋頂支架、地下運(yùn)輸和運(yùn)輸設(shè)備、電器以及液壓元件必須能夠適應(yīng)最?lèi)毫拥墓ぷ鳝h(huán)境和運(yùn)行條件。因此異步電動(dòng)機(jī)的故障檢測(cè)及故障診斷具有重要的研究意義。

轉(zhuǎn)子是可轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)體，通常多呈鼠籠狀。定子是電動(dòng)機(jī)中不轉(zhuǎn)動(dòng)的部分，主要任務(wù)是產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是以交流電通至數(shù)對(duì)電磁鐵中，使其磁極性質(zhì)循環(huán)改變，相當(dāng)于一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。這種電動(dòng)機(jī)并不像直流電動(dòng)機(jī)有電刷或集電環(huán)，依據(jù)所用交流電的種類(lèi)有單相電動(dòng)機(jī)和三相電動(dòng)機(jī)，三相電動(dòng)機(jī)則作為工廠的動(dòng)力設(shè)備。相關(guān)數(shù)據(jù)表明：電動(dòng)機(jī)總銷(xiāo)售額的近90%是三相電動(dòng)機(jī)。基于以上分析，如圖2所示，我們可以搭建一套能夠適應(yīng)與礦山開(kāi)采的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)。專(zhuān)家系統(tǒng)中包括知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)、故障獲取模塊、解釋模塊、人機(jī)交互界面六部分。知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)的是電機(jī)的故障特征，包括電機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)的故障、每個(gè)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(kù)用于存儲(chǔ)機(jī)組設(shè)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(jī)根據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)提取的故障特征，并與知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則進(jìn)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(yīng)與礦山開(kāi)采的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，不斷的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究使得電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器容錯(cuò)率更高。但是，因?yàn)楦袘?yīng)機(jī)器在極為惡劣的采礦環(huán)境中運(yùn)行，很容易出現(xiàn)各種各樣電氣和機(jī)械故障，造成生產(chǎn)中斷。此外，約85%的采礦工業(yè)電動(dòng)機(jī)是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。根據(jù)不同的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，轉(zhuǎn)子故障占電機(jī)故障總數(shù)的10%，而其他90%在電機(jī)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(yīng)電動(dòng)機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)，以免在作業(yè)工作過(guò)程中出現(xiàn)重大的安全事故。

[1]葛磊.礦山機(jī)械設(shè)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(jī)械軸承失效分析方法及預(yù)防措施[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2017，32（11）：45-46.

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