感應電動機在煤礦井下作業過程中的相關問題研究

董彥龍

（陽煤集團平舒煤業有限責任公司， 山西 壽陽 045400）

引言

近年來，采礦業是電動機應用最重要的領域之一，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。而在當代采礦業中感應電動機（交流電機）是最常用的電能與機械能轉化設備，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勢的同時，提出一些有效的檢測系統的搭建思路。

1 感應電動機結構部件在礦山機械中的應用優勢分析

感應電動機又稱“異步電動機”，由定子繞組形成的旋轉磁場與轉子繞組中感應電流的磁場相互作用而產生電磁轉矩驅動轉子旋轉的交流電動機。即轉子置于旋轉磁場中，在旋轉磁場的作用下，獲得一個轉動力矩，因而轉子轉動，結構如圖1所示。

圖1 感應電動機的外觀及內部結構

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中廣泛使用，特別是在采礦業中。在礦山開采作業現場，地下環境條件極差，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可靠性和動態性，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和穩定性能，這對于改善生產有著重要的作用。所以，配有變速驅動器的電機已經成為礦山機械設備的一項基本標準。隨著電力電子技術的進步，隨之而來的是中壓驅動器的飛速發展，例如，使用三級逆變器，一些高利潤、高性能、低功耗特點的驅動器已經被延伸到很多工業領域，包括在采礦業中使用的電動機。這種變速驅動器在過去數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]。總之，這種變速驅動器會導致一些問題，如：機器絕緣系統無法承受高電壓變化；由諧波電流產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；瞬態反射波在電機端子上產生電壓尖峰超過額定電壓的3倍；定子和轉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。過濾器實現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，采礦業就有了不斷的進步和創新可靠的礦井提升機驅動系統。起升機構的基本要求是：速度平穩，轉速范圍低（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間歇工作，起動和拉出力矩大，簡易的開關操作，快速動態響應，良好魯棒性和可靠性。19世紀90年代的蒸汽機驅動系統無法產生均勻的扭矩，速度控制較難且涉及更多的資金投資成本和能源消耗。

電礦井提升系統使用直流或三相感應電機作為驅動器。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。傳統上，礦井提升機由于速度—轉矩特性的多樣性，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。繞線機驅動器受到間歇工作循環的影響，工作時間短，不能使電機達到穩定狀態溫度。感應電機驅動系統可以反轉方向并提供驅動和制動轉矩方向，理想情況下應該有一些快速響應控制特性。現代礦井提升機驅動系統由于效率更高而使用電力電子控制器，體積小巧，動態響應速度快。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動懸臂同步電機。該驅動器的選擇也取決于電源安裝的操作范圍。除此之外，現代礦井提升機是兩種類型的摩擦鼓。摩擦式直接驅動的力量提升系統在5～10 MW范圍內。現代機器現在全部自動化控制和保護是固態與反并聯連接的晶閘管[2]。

2 感應電動機在礦業開采中的安全檢測探討

電動機作為一種可以將電能轉化為機械能的裝置，在工業生產中有著舉足輕重的地位，特別是異步電動機作為工業生產中最主要的原動力和驅動裝置，其重要性毋庸置疑。在煤礦、能源、化工等工業領域中，大型異步電機更是其核心設備，一旦異步電機出現故障，整個工業運行系統可能會面臨全面癱瘓的風險，從而造成不可預料的經濟損失，甚至危及現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、這些典型設備開發和制造經驗對國家和地區經濟發展起著相當重要的作用。長壁系統、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。

轉子是可轉動的導體，通常多呈鼠籠狀。定子是電動機中不轉動的部分，主要任務是產生一個旋轉磁場。旋轉磁場是以交流電通至數對電磁鐵中，使其磁極性質循環改變，相當于一個旋轉的磁場。這種電動機并不像直流電動機有電刷或集電環，依據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。相關數據表明：電動機總銷售額的近90%是三相電動機。基于以上分析，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。專家系統中包括知識庫、推理機、數據庫、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，包括電機經常出現的故障、每個故障所引起的原因、發生該故障的故障特征值范圍、故障的可能性大小等。數據庫用于存儲機組設備信息、診斷征兆信息、故障信息、故障歷史記錄等數據。推理機根據系統自動提取的故障特征，并與知識庫中的規則進行匹配，得出故障結論。解釋器可以調用顯示該結果[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

3 結語

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

[1]葛磊.礦山機械設備再制造技術探析[J].山東工業技術，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，2017，32（11）：45-46.

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