煤礦變頻供電電機故障機理及仿真建模研究

張 杰

(河南能源化工集團 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

煤礦電動機廣泛用于煤礦的生產、破碎、傳輸、掘進、通風等領域，是電能和機械能相互轉化的橋梁。其中，異步電動機具有制作成本低、安全可靠、構造簡單等特點，是煤礦使用最多的電動機。由于煤礦井下環境的復雜性，電動機的絕緣程度降低、引起電動機的斷相故障或短路，不及時解決該問題，會影響煤礦的正產安全生產甚至造成嚴重危害。據不完全統計，井下60%的機電事故是由電動機故障造成的。因此，對煤礦變頻供電電機故障機理及仿真建模是確保煤炭高效運轉的必要條件。采用變頻電源供電時，其啟動電流小于工頻電源的啟動電流，減小了電動機的熱應力和機械應力，從而降低了轉子斷條的可能性，其故障率相對較低，但是變頻電源會產生高頻脈沖，致使定子繞組內部產生諧波過電壓，增加了絕緣故障率。變頻器主要由逆變電路、濾波電路和整流電路組成，具有很多半導體開關器件，使得故障特征分量很難識別[1-3]。基于此，本文研究了煤礦變頻供電電機故障機理及仿真建模，研究對煤礦井下電機狀態監測和故障診斷具有重要的意義。

1 變頻器構成及原理

礦用變頻器主要由逆變環節、濾波環節、整流環節等構成，逆變環節是把直流電源轉化為頻率與幅值可變的三相交流電源；濾波環節是實現直流電源電流或電壓的平穩輸出；整流環節是將三相交流電轉化為直流電源。根據儲能元件或電源性質，將礦用變頻器分為電流源型和電壓源型，現在井下一般采用電壓源型變頻器[4-6]。電機變頻驅動如圖1所示。

圖1 電機變頻驅動示意Fig.1 Motor variable frequency drive schematic

2 煤礦變頻供電電機故障機理

2.1 氣隙偏心故障機理分析

氣隙偏心可分為混合偏心、動態偏心和靜態偏心。當電機中轉子、定子縫隙較小時，在轉子、定子相互摩擦或氣隙偏心振幅過大時，易引起故障的發生。①混合偏心。此時同時存在靜態偏心和動態偏心，其旋轉中心既不在轉子對稱中心(R點)，也不在定子對稱中心(S點)，而是在混合偏移矢量作用下的旋轉中心(O點)。②動態偏心。旋轉中心是定子對稱中心(S點)，偏心位置和轉子位置有關，主要產生的原因有臨界轉速時機械共振、軸承彎曲、軸承磨損。③靜態偏心。旋轉中心是轉子對稱中心(R點)，轉子在旋轉過程中，其最小、最大氣隙和轉子位置無關[7-11]。氣隙偏心模型如圖2所示。

圖2 氣隙偏心模型Fig.2 Air gap eccentric model

氣隙偏心特征分量的頻率表達式：

(1)

式中，ftz為氣隙偏心特征分量的頻率；nc為電源諧波次數(奇整數)；s為轉差率；p為極對數；nb為任意整數(nb=1，2，3，…，時，用于動態偏心；nb=0時，用于靜態偏心)；Z1為轉子槽數；na為任意整數；f為電源頻率。

混合偏心時，定子電流會有附加的頻率分量，其公式：

fme=f±kfr

(2)

式中，fme為定子電流附加的頻率分量；fr為轉子旋轉頻率，fr=(1-s)×f/p。

當對定子電流進行頻譜分析時，如果發現與ftz相應的頻率分量時，表明電機存在氣隙偏心。

2.2 定子故障機理分析

電機的絕緣部分是發生故障概率較高的部位，占故障種類的35%左右，由于絕緣系統易受磨損、老化、過潮、過熱的影響，易造成定子的相間短路和匝間短路[12-15]。當電動機正常運轉時，變頻器輸出電壓諧波，電機定子電流的特征頻率表達式為：

fs=(6k±1)f

(3)

式中，fs為電機定子電流的特征頻率；f為電網頻率。

定子部分故障會產生電磁振動，造成氣隙磁場的畸變，引起定子電流信號中出現特定頻率的諧波分量。當定子故障引起匝間短路時，會引起定子三相繞組結構的不對稱，導致定子電流信號中出現諧波分量。因此，對相應頻率的諧波分量進行檢測，是判斷定子是否出現匝間故障的重要方法。

匝間短路故障定子電流特征頻率表達式：

(4)

式中，fz為匝間短路故障定子電流特征頻率；s為轉差率；p為電機極對數；f為電網頻率。

2.3 轉子故障機理分析

當轉子出現斷條故障時，電機定子電流會出現頻率為±2sf的變頻，其電流分量可作為轉子斷條故障的特征分量。

當電機正常運轉時，電機定子繞組產生磁動勢，其表達式：

m1=K1N1I1sin(ωt-pθ)

(5)

式中，f為電源的頻率；p為電機的極對數；m1為磁動勢；K1為常數，其值與定子繞組系數和極對數有關；N1為定子繞組匝數；I1為定子電流有效值；ω為電源角頻率，ω=2πf；θ為機械角度。

轉子繞組相位角φ的表達式：

φ=θ-ωrt

(6)

式中，φ為轉子繞組相位角；ωr為轉子旋轉角速度。

轉子斷條在基頻附近產生的頻率為：

fb=(1±2ks)f

(7)

式中，s為轉差率；k為電源頻率。

根據轉子斷條的故障特征頻率，可以用于判斷電機轉子斷條故障，并且轉子斷條的故障特征頻率隨著電機斷條嚴重程度發生變化。

3 煤礦變頻供電電機故障仿真建模

3.1 模型建立

本文以YB3-160M-4型隔爆型鼠籠異步電機為模型進行建模，其主要參數：每槽線數為28，鐵芯長155 mm，轉子鐵芯槽數為26，轉子內徑60 mm，轉子外徑169 mm；定子鐵芯槽數為36，定子內徑170 mm，定子外徑260 mm，電源相數為3，電機級數為4，轉差率為0.026 7，額定轉速為1 460 r/min，頻率為50 Hz，額定功率為11 kW。

依據B3-160M-4型隔爆型鼠籠異步電機主要參數，在Ansoft Maxwell的RMxprt和Maxwell 2D模塊中對電機的故障進行仿真。利用修改外電路和電機參數，模擬了電機的動態偏心、靜態偏心和轉子斷條等故障，其模型如圖3所示。

圖3 電機的動態偏心、靜態偏心和轉子斷條故障模型Fig.3 Fault model of dynamic eccentricity，static eccentricity and broken rotor bars of motor

3.2 仿真結果分析

本文分別對電機正常運轉、動態偏心故障、靜態偏心故障和轉子斷條故障進行了有限元建模仿真，得到在變頻電源供電下電流的波形，如圖4所示。

由圖4可知，電機在發生故障時，三相定子電流的幅值發生了變化，本文引用波形畸變率(THD)對各個故障的波形失真程度進行判斷。

圖4 不同狀況下電流的波形Fig.4 Waveform of current under different conditions

不同狀況下定子電流的畸變率見表1。

表1 不同狀況下定子電流的畸變率Tab.1 Distortion rate of stator current under different conditions

3.2.1 動態偏心故障

當電機發生動態偏心故障時，轉差率為0.026，電機轉速為1 460 r/min，依據式(1)，計算得出偏心故障特征頻率534、634、734 Hz。變頻供電的動態偏心定子電流頻譜如圖5所示。

由圖5可知，故障特征分量幅值變化較為明顯，識別出3個故障特征分量，可以對部分故障特征分量進行識別。

3.2.2 靜態偏心故障

當電機發生靜態偏心故障時，轉差率為0.03，電機轉速為1 455 r/min，依據式(1)，計算得出偏心故障特征頻率581、781 Hz。變頻供電的靜態偏心定子電流頻譜如圖6所示。

圖6 變頻供電的靜態偏心定子電流頻譜Fig.6 Current spectrum of static eccentric stator with variable frequency power supply

3.2.3 轉子斷條故障

當電機發生靜態偏心故障時，轉差率為0.037，電機轉速為1 445 r/min，依據式(6)，計算得出偏心故障低頻部分特征頻率46、53 Hz；高頻部分特征頻率3 246，3 254，3 355，3 542，3 645 Hz。變頻供電的轉子斷條故障定子電流頻譜如圖7所示。

圖7 變頻供電的轉子斷條故障定子電流頻譜Fig.7 Stator current spectrum of variable frequency power supply with broken rotor bar fault

由圖7可知，在低頻部分，可以找到故障特征頻率，誤差在0.1 Hz內，在高頻段fc±3fb±f位置有故障特征頻率的存在，但是誤差較大，故障特征分量微小。

4 結論

本文分析了礦用變頻器構成，研究了煤礦變頻供電電機故障機理，得到了氣隙偏心故障、定子故障、匝間短路故障、轉子故障的故障特征頻率計算表達式，采用Ansoft Maxwell軟件對電機正常運轉、動態偏心故障、靜態偏心故障和轉子斷條故障進行了有限元建模仿真，分析了仿真結果。研究對煤礦實現安全供電具有重要意義。