陳中玉

（淮南礦業(yè)集團(tuán)，安徽 淮南 236216）

1 概述

隨著煤礦高產(chǎn)高效工作面的發(fā)展，大運(yùn)量、長(zhǎng)運(yùn)程、高帶速帶式輸送機(jī)越來(lái)越多地被設(shè)計(jì)、制造并投入運(yùn)行。大型機(jī)種的使用，使帶式輸送機(jī)存在的沖擊載荷大、成本高、壽命短、驅(qū)動(dòng)電機(jī)出力不均勻而導(dǎo)致燒毀電機(jī)等問(wèn)題更加尖銳地暴露出來(lái)。某煤礦井下東翼1.4 m帶式輸送機(jī)長(zhǎng)1400 m，2008年3月投入生產(chǎn)運(yùn)輸，運(yùn)行幾周后，其中1臺(tái)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電纜被擊穿，于是該礦將電纜更換成高壓電纜，耐壓等級(jí)10000 V，3芯，并有屏蔽層，此后電纜不再被擊穿。但到9月份卻又燒毀1臺(tái)電動(dòng)機(jī)。分析電機(jī)頻繁被燒的原因可能是電流超標(biāo)（電機(jī)超載），引起電機(jī)超載極有可能是負(fù)載工作機(jī)故障，也有可能是原動(dòng)機(jī)與工作機(jī)的皮帶輪配搭不對(duì)，將燒毀的電動(dòng)機(jī)送至電機(jī)廠，請(qǐng)其用優(yōu)質(zhì)的線圈重新纏繞并加強(qiáng)絕緣，但到2009年6月電動(dòng)機(jī)又被燒毀。截至2009年年底，共燒毀電動(dòng)機(jī)3臺(tái)。采區(qū)輸送機(jī)用的電動(dòng)機(jī)燒毀的占井下電機(jī)燒毀總數(shù)的80%左右，從所燒的電動(dòng)機(jī)繞組來(lái)看，有的是匝間；有的是兩相；有的是三相；有的是由接地引起的相間燒毀。

2 問(wèn)題分析

2.1 基本情況

帶式輸送機(jī)運(yùn)量與帶寬、帶速的對(duì)應(yīng)關(guān)系:帶式輸送機(jī)運(yùn)量應(yīng)不小于其服務(wù)的工作面最大生產(chǎn)能力，即不小于工作面刮板機(jī)或順槽帶式輸送機(jī)運(yùn)量。根據(jù)工作面年產(chǎn)量分1.0 Mt/a、3.0 Mt/a、5.0 Mt/a三個(gè)等級(jí)，與帶式輸送機(jī)服務(wù)工作面數(shù)目將帶式輸送機(jī)運(yùn)量分五種。

小時(shí)運(yùn)量t/h帶寬mm帶速m/s 120010003.55180012003.55250014003.55350016003.55500018004.5

驅(qū)動(dòng)裝置:大功率帶式輸送機(jī)宜采用多驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)單元宜采用相同的配置，配置部件應(yīng)采用同型號(hào)部件。電機(jī)功率＞200 kW，宜采用高壓隔爆電機(jī)（6 kV或10 kV）；電機(jī)功率＜200 kW，宜采用低壓隔爆電機(jī)（660/1140 V）。

軟啟動(dòng)方式的選擇:

電機(jī)功率（kW）560～1250 CST可控驅(qū)動(dòng)裝置1250以上CST可控驅(qū)動(dòng)裝置由小至大≤200限矩型液力偶合器帶后輔腔液力偶合器液粘軟啟動(dòng)200～355帶后輔腔液力偶合器液粘軟啟動(dòng)355～560變頻軟啟動(dòng)CST可控驅(qū)動(dòng)裝置

帶式輸送機(jī)由2臺(tái)660 V/1140V 355 kW變頻電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)各由一臺(tái)電壓源型的ACS800系列變頻器控制，變頻器直流母線通過(guò)制動(dòng)斬波器與制動(dòng)電阻相連。2臺(tái)變頻器以主從方式進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)矩跟隨。帶式輸送機(jī)最大設(shè)計(jì)輸送能力2500 t/h，每天運(yùn)行16 h（兩班）。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)。

2.2 運(yùn)行狀態(tài)分析

該礦帶式輸送機(jī)運(yùn)行方向與水平成一定角度，根據(jù)力學(xué)原理，刮板機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)轉(zhuǎn)到皮帶上的物料將產(chǎn)生一個(gè)沿皮帶運(yùn)行方向且與皮帶阻力f方向相反的下滑力F，若皮帶上物料量增加，則下滑力F增大，當(dāng)下滑力大于皮帶阻力f時(shí)，電動(dòng)機(jī)牽引力F′為負(fù)值，其方向與皮帶阻力相同，即下滑力克服皮帶阻力拖動(dòng)皮帶及電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，此時(shí)電動(dòng)機(jī)必須提供制動(dòng)力。否則，皮帶將越轉(zhuǎn)越快，造成飛車。因此選擇變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，當(dāng)刮板機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)給煤量一定時(shí)，皮帶上的總煤量與皮帶速度成反比，皮帶速度越快，皮帶上的煤總量越小，皮帶越不容易飛車，因此皮帶啟動(dòng)后，變頻器一般設(shè)定為50 Hz。

由于輸送距離較長(zhǎng)，不易啟動(dòng)，因此利用變頻器的CST軟啟動(dòng)功能啟動(dòng)帶式輸送機(jī)。啟動(dòng)后，隨著刮板機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)的給料，皮帶上的料量逐漸增大，隨之產(chǎn)生的下滑力也逐漸增大，電動(dòng)機(jī)電流逐漸減小。當(dāng)下滑力等于皮帶阻力時(shí)，電動(dòng)機(jī)不輸出力矩，電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)狀態(tài)開(kāi)始進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)。隨著皮帶上的料量繼續(xù)增大，電動(dòng)機(jī)完全進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，并提供制動(dòng)力矩，電動(dòng)機(jī)電流逐漸增大，當(dāng)煤料到達(dá)下山時(shí)，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定的發(fā)電狀態(tài)。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量由變頻器的逆變器傳遞到變頻器的直流母線上，使直流母線電壓升高，當(dāng)升高到一定程度（這里設(shè)定為20%），斬波器開(kāi)始工作，將這部分電能消耗在制動(dòng)電阻上。綜上所述，此處的變頻器功能有兩個(gè)，一是帶式輸送機(jī)的軟啟動(dòng)；二是在正常生產(chǎn)中，通過(guò)斬波器將電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電能消耗在制動(dòng)電阻上，提供制動(dòng)力。

3 故障分析

電動(dòng)機(jī)維修并重新投入生產(chǎn)后，在帶載情況下請(qǐng)技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)用示波器進(jìn)行檢查，變頻器輸出端的波形正常，但電動(dòng)機(jī)的定子接線端的波形失真特別嚴(yán)重，電壓波峰與波谷最大差值可達(dá)2500V。幾次電動(dòng)機(jī)燒毀情況基本一樣，整個(gè)電動(dòng)機(jī)線圈并沒(méi)有過(guò)電流發(fā)熱的燒痕。除了燒毀處外，其他部分線圈絕緣都沒(méi)問(wèn)題，并且燒毀處為線圈曲率半徑較小處，因此可斷定，電動(dòng)機(jī)燒毀是因?yàn)楦唠妷簱舸?，破壞了線圈絕緣，造成匝間短路，從而燒毀了電動(dòng)機(jī)。由于變頻器采用的是交-直-交IGBT逆變技術(shù)，不可避免會(huì)產(chǎn)生尖峰脈沖電壓，該電壓會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣造成沖擊，并且容易在線圈曲率半徑較小處產(chǎn)生電荷積累，造成局部放電，破壞絕緣。

4 變頻傳動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣的要求

對(duì)于供電電壓為660 V/1140 V的電動(dòng)機(jī)，處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，端子上的最大尖峰電壓可以估算為1140×1.35×2=3078 V（式中，1.35為三相橋整流系數(shù)，2是由于電動(dòng)機(jī)與電纜的特性阻抗不同，引起的波反射和疊加的倍數(shù)）。當(dāng)制動(dòng)斬波器工作時(shí)，其直流電壓已高于額定值的20%（ACS800變頻器直流母線電壓高于20%時(shí)，斬波器開(kāi)始工作），所以當(dāng)傳動(dòng)單元在大部分運(yùn)行時(shí)間內(nèi)都處于制動(dòng)模式時(shí)，其中間回路的直流電壓將會(huì)升高，效果相當(dāng)于電源電壓上升了20%。在決定電動(dòng)機(jī)絕緣要求的時(shí)候，應(yīng)該要考慮這種電壓的升高。也就是說(shuō)對(duì)于1140 V等級(jí)的變頻器，對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)的經(jīng)常性耐受電壓必須達(dá)到3078 V×1.2=3693.6 V。該礦選擇下山皮帶電動(dòng)機(jī)的絕緣時(shí)并沒(méi)達(dá)到上述要求。

5 解決辦法

根據(jù)以上的分析，應(yīng)從兩個(gè)方面考慮加以解決，一是提高整個(gè)系統(tǒng)對(duì)尖峰電壓沖擊的耐受能力；二是降低沖擊電壓，改善設(shè)備工作環(huán)境。下面提供的幾種解決辦法，可綜合考慮。

（1）在更換或檢修電動(dòng)機(jī)時(shí)，檢查電動(dòng)機(jī)絕緣，確認(rèn)其能承受最大電壓。

（2）加裝用來(lái)抑制高次諧波脈沖的輸出電抗器，其原理是將高次的波頭用斬波器直接斬掉，使其不進(jìn)入電動(dòng)機(jī)線圈。

（3）加正弦波濾波器。濾波后的尖峰相電壓大約為1.5倍的電源電壓，非常接近于正弦波。因此正弦波濾波器能對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)起保護(hù)作用。

（4）由于傳動(dòng)單元處于制動(dòng)模式時(shí)，電動(dòng)機(jī)端子上的電壓高，所以在滿足生產(chǎn)需求的情況下，盡可能使電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)工作于電動(dòng)狀態(tài)，這樣可以降低電動(dòng)機(jī)內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，減少負(fù)荷沖擊，降低感應(yīng)電壓突然升高的可能性。調(diào)節(jié)刮板機(jī)變頻器的轉(zhuǎn)速，控制其給煤量，使帶式輸送機(jī)不超速。

（5）將變頻器更換為能夠反饋發(fā)電的ACS800-17系列產(chǎn)品，該系列變頻器可四象限運(yùn)行，并且反饋發(fā)電時(shí)的電壓也是可調(diào)的。這不僅對(duì)電動(dòng)機(jī)的絕緣有好處，而且通過(guò)反饋發(fā)電會(huì)節(jié)約大量電能，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。四象限運(yùn)行變頻器與普通變頻器的區(qū)別在于:普通變頻器的整流部分采用的是整流二極管，而四象限運(yùn)行變頻器的整流部分采用了IGBT模塊，與逆變器對(duì)稱，這種變頻器能夠支持電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行，即正轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)、回饋制動(dòng)狀態(tài)、反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)和反接制動(dòng)狀態(tài)。能量可以從電網(wǎng)側(cè)流傳到負(fù)載側(cè)，也可以從負(fù)載側(cè)流傳到電網(wǎng)側(cè)。但由于該方案需要將變頻器完全更換掉，要追加投資，且更換下來(lái)的變頻器暫時(shí)沒(méi)有用途。

該礦采用了第4種方案，即調(diào)節(jié)刮板機(jī)變頻器的轉(zhuǎn)速，從而控制刮板機(jī)的給料量，使電動(dòng)機(jī)工作于電動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)實(shí)測(cè)，刮板機(jī)變頻器超過(guò)14 Hz時(shí)，下山長(zhǎng)帶式輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)將進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)；工作于14 Hz時(shí)，帶式輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)恰好工作于電動(dòng)狀態(tài)。從2009年年底開(kāi)始，將刮板機(jī)變頻器設(shè)定為14 Hz，輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)工作于電動(dòng)狀態(tài)，運(yùn)行后，沒(méi)有出現(xiàn)燒電動(dòng)機(jī)的情況。

6 結(jié)語(yǔ)

采用變頻控制的下山輸送帶式輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，解決方案有2個(gè):一個(gè)是采用制動(dòng)斬波器，將電動(dòng)機(jī)發(fā)出的電能消耗在制動(dòng)電阻上。該方案不僅沒(méi)能利用生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的電能，而且存在設(shè)備故障隱患。另一個(gè)是采用四象限運(yùn)行的變頻器，不僅能消除設(shè)備隱患，提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，而且可以自動(dòng)并網(wǎng)發(fā)電。其缺點(diǎn)是一次性投資較大，但投資成本很快由于并網(wǎng)發(fā)電產(chǎn)生的效益而被收回。因此，筆者從安全生產(chǎn)和節(jié)能增效的角度建議:對(duì)于新建礦井運(yùn)輸項(xiàng)目，其下運(yùn)帶式輸送機(jī)的電動(dòng)機(jī)控制，盡量采用可四象限運(yùn)行的變頻器；對(duì)于已采用制動(dòng)斬波器進(jìn)行控制的下運(yùn)輸送機(jī)，應(yīng)盡早抓緊改造，采用可四象限運(yùn)行的變頻器。

總之，為了保證井下安全生產(chǎn)、電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，針對(duì)上述電動(dòng)機(jī)燒毀的原因分析，除p擊電壓外，我們必須搞好安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化，加強(qiáng)電動(dòng)機(jī)的適當(dāng)p維護(hù)，強(qiáng)化機(jī)電設(shè)備管理，實(shí)行強(qiáng)制檢修包機(jī)制，提高職工素質(zhì)，做好專職司機(jī)和檢修人員的安全技術(shù)培訓(xùn)工作；提高他們的技術(shù)水平，并嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)規(guī)程制度，以減少井下設(shè)備損壞；減少影響生產(chǎn)的時(shí)間；確保煤礦的安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；同時(shí)又是節(jié)支降耗的好辦法。

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［3］《機(jī)械工程標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》編委會(huì).《機(jī)械工程標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》［M］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

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