礦用電機溫度變化率控制技術裝置的應用

李漢

（晉能控股煤業集團有限公司 山西大同037003）

0 引言

礦用電機介于其使用環境的惡劣及頻繁的啟動，電機自身溫度變化過大，從而引起內部絕緣的相應變壞。礦用電機都是由不均質體組成，從電機的構成材料來看，組成材料有多種，各種材料的溫度特性、膨脹系數也都不相同，這樣，電機溫度的驟升或驟降對電機影響很大，突出表現在各種材料間膨脹系數不同而出現相對移動、繞組將會產生振動。這種情況的發生將造成定子或轉子嚴重變形、燒熔，甚至報廢，所以對礦用電機溫度變化率控制技術進行研究具有重要的意義，目前受到煤礦企業的重視1]。

礦用電機溫度變化率控制技術裝置采用嵌入式微型計算機為核心控制模塊與PWM調制控制裝置相結合，實現大功率電機的溫度精細控制，以先進的模糊控制理論為基礎，融合多模塊智能監控系統，實現煤礦井下大功率電機定子的絕緣保護與在線檢測，為井下大功率電機的正常安全運行提供了技術性保障。充分利用預埋在電機定子內部的測溫元件和電加熱器，為電機提供穩定、精準、可靠的溫度保護，對電機實施自動精細管理和精心的呵護養護，對有效延長電機的使用壽命，延長電機的大修周期有積極且重大的意義。

1 礦用電機溫度變化率控制技術的研究原理

電機溫度保護裝置，所提到的溫度保護不同于傳統意義上的溫度保護，傳統意義上的溫度保護是指繼電保護范疇的溫度保護，它雖然也是通過測量預埋在電機定子中的溫度傳感器的溫度信號，但它保護的實質是電機定子發熱與散熱達不到平衡狀態，發熱在某一段時間內大于散熱，導致電機溫度過高，而影響電機絕緣壽命的保護措施。它保護的時間范圍是電機運行期間，采取的措施是根據預設的溫度極限發出報警信號或停機信號。措施的實施是被動的、消極的，一般與電機的其他保護，如電流速斷、過電壓、低電壓、過負荷、差動等一起實施，這是電機繼電保護或微保（微機保護或稱綜保—綜合保護）的范圍[2]。

礦用電機溫度變化率控制技術的研究，是為防止電機的溫度驟變（驟升或驟降）而引起電機的組成材料間因各種材料膨脹系數的不同而出現空隙應力的保護措施，實施保護的時間是在電機停機后到下一次開機前的時間段。采取的方法是通過測量預埋在電機定子內部的傳感器傳出的溫度信號，以環境溫度為參照，對電機在停機后、開機前期間的溫度變化及變化率趨勢，自動啟動預埋在電機定子里的電加熱器，使電機在此期間的溫度變化趨緩，以最大限度地使各種材料因溫度緩慢變化而消除膨脹系數不同帶來的應力。具體控制原理圖如圖1：

圖1 溫度控制原理圖

其中溫度給定是一個專家系統，是經嚴格測算和根據國家標準得出的溫度隨時間變化的曲線。

當電機停機時，首先由電機定子溫度傳感器測出電機定子溫度，另有環境溫度傳感器測出環境溫度，傳輸給計算機作為輸入信號，計算機會自動計算電機溫度下降速率。若在某一時刻，電機溫度不和給定溫度曲線相符，當溫度下降速率快于溫度給定下降曲線速率時，系統會自動啟動電加熱器，使電機溫度回到正常下降速率上來，系統采用溫度閉環控制系統，以實現準確控制，精細管理。當溫度下降速率慢于溫度給定下降曲線速率時，系統會自動停止電加熱器，使電機按照自然冷卻比溫度給定曲線更適宜的環境溫度降溫，以達到對電機實施溫度保護的目的。

當電機準備開機時，只要人工將計劃開機時間設定好，系統會自動按照設定時間去嚴格按升溫曲線逐漸升溫，以防止電機在啟動前從一個很低的溫度啟動，然后很快達到一個很高的溫度的現象發生，這種情況也會導致溫度變化過快，系統會根據環境溫度和開機的時間，自動將電機溫度升高到一個合理的水平，以防止啟動后短時間內升溫過快[3]。

2 礦用電機溫度變化率控制裝置工作原理

2.1 溫度控制原理

電機繞組內信號來自于電機定子繞組內的熱電阻，變送出-20℃～100℃對應于4 mA～20 mA或1 V～5 V的信號[3]。系統以環境溫度為第二采集信號，兩個溫度信號經A/D轉換后，由微機對此信號進行專家系統邏輯判斷，判斷結果由微機輸出控制雙向可控硅接通預埋在電機定子內的電加熱器，對電機實施可控的溫度的變化作為反饋信號，原理圖如圖2所示。

圖2 溫度工作原理框圖

當電機停機時首先是漏電閉鎖部分進行工作，對負載側進行漏電檢測，若漏電閉鎖，否則允許系統啟動，繼電器的常閉點連接在可控硅的控制回路。通過PWM調制控制部分去調節電流控制部分，隨時調節電機加熱元件的溫度，使電機溫升按照預定的溫度曲線降至環境溫度。

2.2 絕緣檢測原理

絕緣結構是電機的重要組成部分，電機的絕緣結構是匝間絕緣、層間絕緣、對地絕緣、外包絕緣、鐵芯絕緣、填充絕緣、襯墊絕緣及換向器絕緣。

電機通電后，絕緣結構上就承受了工作電壓，絕緣結構性能優劣直接影響到電機的安全性、可靠性和使用壽命。在電機運行過程中，定子繞組要受到電、熱、機械、化學等多種因素的聯合作用，絕緣性能要逐步劣化。在絕緣老化嚴重的情況下，會引起電機的絕緣故障。這就決定了對電機進行絕緣狀況診斷，是評估電機特別是大型電機絕緣系統非常重要的手段。

利用C8051F單片機組成的系統采用“V-A”法進行測量，其原理結構圖如圖3、圖4所示。

圖3 絕緣檢測原理框圖

圖4 高、低壓切換原理圖

2.3 技術參數

礦用電機溫度變化率控制應用技術裝置應用示意圖如圖5。

圖5 礦用電機溫度變化率控制裝置應用示意圖

（1）工作電源

設備電源：主路電源根據加熱器所需電源外配；

控制電源：127 V、220 V、660 V均可；

（2）功耗

控制功耗：小于30 W，工作方式采用一控一；

（3）監測溫度范圍：-5℃～130℃；

（4）控制電機參數：電壓等級6 kV，功率大于1 800 kW；

（5）控制電機電加熱器參數：

電壓127 V、220 V、380 V，功率1 kW，控制方式一控一；

（6）外形尺寸：595×412×872 mm。

2.4 溫度控制裝置的使用說明和顯示

系統接通電源，會首先出現如圖6畫面，

圖6 開機畫面

接著進入循環顯示狀態，如圖7“R01”代表該設備A項絕緣阻值，圖8顯示該設備B、C項的絕緣阻值，循環顯示絕緣阻值和相關定子溫度值。

圖7 電機狀態檢測

圖8 電機狀態檢測

隨后進入循環顯示界面，循環顯示控制電機相關參數，如圖9。

圖9 電機顯示界面

3 應用效果

3.1 工業性試驗

晉能控股煤業集團有限公司同忻礦水泵房擔負著整個礦井的排水任務，是整個煤礦的核心管理地方，對動力部分電動機的使用狀況進行實時檢測意義重大。尤其是對其在待機狀態進行檢測和保護，使其能隨時處于完好待工作狀態，是系統的關鍵所在。

本裝置首次現場試驗于2019年08月08日至2019年11月15日在該礦水泵房進行工業性試驗。

經過90多天的現場試驗，該裝置各項功能工作正常，詳細測試結果如下：

（1）實時顯示功能：試驗期間，液晶屏實時顯示各種相關數據，末出現故障現象；

（2）數據傳送方式：485口通訊正常；

（3）絕緣測試功能：數據測試結果準確；

（4）數據采集方式：利用電機內部預埋的熱電阻測量電機內部溫度，采集數據準確；

（5）電機停機時能實現自動投入，使加熱器在PWM脈沖作用下，控制電機溫度變化。

礦用電機溫度變化率控制技術裝置系統性能穩定、可靠，安裝、使用方便，推廣應用后，獲得了顯著的經濟和社會效益。

3.2 經濟效益

該裝置的應用給水泵房設備維護班組節約下了三名定崗人員，免除了每二月的檢修和二年一次的大修，每年節約直接成本近10萬元，間接節約成本上千萬元。

4 結束語

礦用電機溫度變化率控制技術裝置的應用，實現了礦用大型電機的自動絕緣檢測，建立了基于模糊控制理論的礦用大型電機降溫控制模型，開發了溫度補償監測控制系統，通過PWM調制技術，實現了礦用大型電機定子的溫度變化率的合理控制。