矿井带式输送机电机频繁烧毁原因分析及解决办法

陈中玉

（淮南矿业集团，安徽 淮南 236216）

1 概述

随着煤矿高产高效工作面的发展，大运量、长运程、高带速带式输送机越来越多地被设计、制造并投入运行。大型机种的使用，使带式输送机存在的冲击载荷大、成本高、寿命短、驱动电机出力不均匀而导致烧毁电机等问题更加尖锐地暴露出来。某煤矿井下东翼1.4 m带式输送机长1400 m，2008年3月投入生产运输，运行几周后，其中1台拖动电动机的电缆被击穿，于是该矿将电缆更换成高压电缆，耐压等级10000 V，3芯，并有屏蔽层，此后电缆不再被击穿。但到9月份却又烧毁1台电动机。分析电机频繁被烧的原因可能是电流超标（电机超载），引起电机超载极有可能是负载工作机故障，也有可能是原动机与工作机的皮带轮配搭不对，将烧毁的电动机送至电机厂，请其用优质的线圈重新缠绕并加强绝缘，但到2009年6月电动机又被烧毁。截至2009年年底，共烧毁电动机3台。采区输送机用的电动机烧毁的占井下电机烧毁总数的80%左右，从所烧的电动机绕组来看，有的是匝间；有的是两相；有的是三相；有的是由接地引起的相间烧毁。

2 问题分析

2.1 基本情况

带式输送机运量与带宽、带速的对应关系:带式输送机运量应不小于其服务的工作面最大生产能力，即不小于工作面刮板机或顺槽带式输送机运量。根据工作面年产量分1.0 Mt/a、3.0 Mt/a、5.0 Mt/a三个等级，与带式输送机服务工作面数目将带式输送机运量分五种。

小时运量t/h带宽mm带速m/s 120010003.55180012003.55250014003.55350016003.55500018004.5

驱动装置:大功率带式输送机宜采用多驱动单元，驱动单元宜采用相同的配置，配置部件应采用同型号部件。电机功率＞200 kW，宜采用高压隔爆电机（6 kV或10 kV）；电机功率＜200 kW，宜采用低压隔爆电机（660/1140 V）。

软启动方式的选择:

电机功率（kW）560～1250 CST可控驱动装置1250以上CST可控驱动装置由小至大≤200限矩型液力偶合器带后辅腔液力偶合器液粘软启动200～355带后辅腔液力偶合器液粘软启动355～560变频软启动CST可控驱动装置

带式输送机由2台660 V/1140V 355 kW变频电动机拖动，每台电动机各由一台电压源型的ACS800系列变频器控制，变频器直流母线通过制动斩波器与制动电阻相连。2台变频器以主从方式进行控制，转矩跟随。带式输送机最大设计输送能力2500 t/h，每天运行16 h（两班）。此时，电动机工作于发电状态。

2.2 运行状态分析

该矿带式输送机运行方向与水平成一定角度，根据力学原理，刮板机和转载机转到皮带上的物料将产生一个沿皮带运行方向且与皮带阻力f方向相反的下滑力F，若皮带上物料量增加，则下滑力F增大，当下滑力大于皮带阻力f时，电动机牵引力F′为负值，其方向与皮带阻力相同，即下滑力克服皮带阻力拖动皮带及电动机运行，此时电动机必须提供制动力。否则，皮带将越转越快，造成飞车。因此选择变频器对电动机进行控制，当刮板机和转载机给煤量一定时，皮带上的总煤量与皮带速度成反比，皮带速度越快，皮带上的煤总量越小，皮带越不容易飞车，因此皮带启动后，变频器一般设定为50 Hz。

由于输送距离较长，不易启动，因此利用变频器的CST软启动功能启动带式输送机。启动后，随着刮板机和转载机的给料，皮带上的料量逐渐增大，随之产生的下滑力也逐渐增大，电动机电流逐渐减小。当下滑力等于皮带阻力时，电动机不输出力矩，电动机由电动状态开始进入再生发电状态。随着皮带上的料量继续增大，电动机完全进入发电状态，并提供制动力矩，电动机电流逐渐增大，当煤料到达下山时，电动机进入稳定的发电状态。此时，电动机产生的能量由变频器的逆变器传递到变频器的直流母线上，使直流母线电压升高，当升高到一定程度（这里设定为20%），斩波器开始工作，将这部分电能消耗在制动电阻上。综上所述，此处的变频器功能有两个，一是带式输送机的软启动；二是在正常生产中，通过斩波器将电动机产生的电能消耗在制动电阻上，提供制动力。

3 故障分析

电动机维修并重新投入生产后，在带载情况下请技术人员到现场用示波器进行检查，变频器输出端的波形正常，但电动机的定子接线端的波形失真特别严重，电压波峰与波谷最大差值可达2500V。几次电动机烧毁情况基本一样，整个电动机线圈并没有过电流发热的烧痕。除了烧毁处外，其他部分线圈绝缘都没问题，并且烧毁处为线圈曲率半径较小处，因此可断定，电动机烧毁是因为高电压击穿，破坏了线圈绝缘，造成匝间短路，从而烧毁了电动机。由于变频器采用的是交-直-交IGBT逆变技术，不可避免会产生尖峰脉冲电压，该电压会对电动机绝缘造成冲击，并且容易在线圈曲率半径较小处产生电荷积累，造成局部放电，破坏绝缘。

4 变频传动对电动机绝缘的要求

对于供电电压为660 V/1140 V的电动机，处于电动状态时，端子上的最大尖峰电压可以估算为1140×1.35×2=3078 V（式中，1.35为三相桥整流系数，2是由于电动机与电缆的特性阻抗不同，引起的波反射和叠加的倍数）。当制动斩波器工作时，其直流电压已高于额定值的20%（ACS800变频器直流母线电压高于20%时，斩波器开始工作），所以当传动单元在大部分运行时间内都处于制动模式时，其中间回路的直流电压将会升高，效果相当于电源电压上升了20%。在决定电动机绝缘要求的时候，应该要考虑这种电压的升高。也就是说对于1140 V等级的变频器，对应电动机的经常性耐受电压必须达到3078 V×1.2=3693.6 V。该矿选择下山皮带电动机的绝缘时并没达到上述要求。

5 解决办法

根据以上的分析，应从两个方面考虑加以解决，一是提高整个系统对尖峰电压冲击的耐受能力；二是降低冲击电压，改善设备工作环境。下面提供的几种解决办法，可综合考虑。

（1）在更换或检修电动机时，检查电动机绝缘，确认其能承受最大电压。

（2）加装用来抑制高次谐波脉冲的输出电抗器，其原理是将高次的波头用斩波器直接斩掉，使其不进入电动机线圈。

（3）加正弦波滤波器。滤波后的尖峰相电压大约为1.5倍的电源电压，非常接近于正弦波。因此正弦波滤波器能对电动机绝缘系统起保护作用。

（4）由于传动单元处于制动模式时，电动机端子上的电压高，所以在满足生产需求的情况下，尽可能使电动机平稳工作于电动状态，这样可以降低电动机内的感应电动势，减少负荷冲击，降低感应电压突然升高的可能性。调节刮板机变频器的转速，控制其给煤量，使带式输送机不超速。

（5）将变频器更换为能够反馈发电的ACS800-17系列产品，该系列变频器可四象限运行，并且反馈发电时的电压也是可调的。这不仅对电动机的绝缘有好处，而且通过反馈发电会节约大量电能，产生可观的经济效益。四象限运行变频器与普通变频器的区别在于:普通变频器的整流部分采用的是整流二极管，而四象限运行变频器的整流部分采用了IGBT模块，与逆变器对称，这种变频器能够支持电动机四象限运行，即正转电动状态、回馈制动状态、反转电动状态和反接制动状态。能量可以从电网侧流传到负载侧，也可以从负载侧流传到电网侧。但由于该方案需要将变频器完全更换掉，要追加投资，且更换下来的变频器暂时没有用途。

该矿采用了第4种方案，即调节刮板机变频器的转速，从而控制刮板机的给料量，使电动机工作于电动状态。根据实测，刮板机变频器超过14 Hz时，下山长带式输送机电动机将进入发电状态；工作于14 Hz时，带式输送机电动机恰好工作于电动状态。从2009年年底开始，将刮板机变频器设定为14 Hz，输送机电动机工作于电动状态，运行后，没有出现烧电动机的情况。

6 结语

采用变频控制的下山输送带式输送机电动机处于发电状态时，解决方案有2个:一个是采用制动斩波器，将电动机发出的电能消耗在制动电阻上。该方案不仅没能利用生产过程中产生的电能，而且存在设备故障隐患。另一个是采用四象限运行的变频器，不仅能消除设备隐患，提高设备的可靠性和稳定性，而且可以自动并网发电。其缺点是一次性投资较大，但投资成本很快由于并网发电产生的效益而被收回。因此，笔者从安全生产和节能增效的角度建议:对于新建矿井运输项目，其下运带式输送机的电动机控制，尽量采用可四象限运行的变频器；对于已采用制动斩波器进行控制的下运输送机，应尽早抓紧改造，采用可四象限运行的变频器。

总之，为了保证井下安全生产、电动机的正常运转，针对上述电动机烧毁的原因分析，除p击电压外，我们必须搞好安全质量标准化，加强电动机的适当p维护，强化机电设备管理，实行强制检修包机制，提高职工素质，做好专职司机和检修人员的安全技术培训工作；提高他们的技术水平，并严格执行各项规程制度，以减少井下设备损坏；减少影响生产的时间；确保煤矿的安全生产、经济运行；同时又是节支降耗的好办法。

［1］李予鲁.带式输送机综合保护装置的工作原理与使用［M］.北京:煤炭工业出版社，2004.

［2］张宗桐.变频器应用与配套技术［M］.北京:中国电力出版社，2008.

［3］《机械工程标准手册》编委会.《机械工程标准手册》［M］.北京:中国标准出版社，2003.

［4］韩安荣.通用变频器及其应用第2版［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［5］李雍.电力系统电气设备安装调试、运行维护、故障检修与常数据及标准规范实务全书［M］.北京:当代中国音像出版社，2005.