煤矿变频供电电机故障机理及仿真建模研究

张 杰

(河南能源化工集团 永煤公司车集煤矿，河南 永城 476600)

煤矿电动机广泛用于煤矿的生产、破碎、传输、掘进、通风等领域，是电能和机械能相互转化的桥梁。其中，异步电动机具有制作成本低、安全可靠、构造简单等特点，是煤矿使用最多的电动机。由于煤矿井下环境的复杂性，电动机的绝缘程度降低、引起电动机的断相故障或短路，不及时解决该问题，会影响煤矿的正产安全生产甚至造成严重危害。据不完全统计，井下60%的机电事故是由电动机故障造成的。因此，对煤矿变频供电电机故障机理及仿真建模是确保煤炭高效运转的必要条件。采用变频电源供电时，其启动电流小于工频电源的启动电流，减小了电动机的热应力和机械应力，从而降低了转子断条的可能性，其故障率相对较低，但是变频电源会产生高频脉冲，致使定子绕组内部产生谐波过电压，增加了绝缘故障率。变频器主要由逆变电路、滤波电路和整流电路组成，具有很多半导体开关器件，使得故障特征分量很难识别[1-3]。基于此，本文研究了煤矿变频供电电机故障机理及仿真建模，研究对煤矿井下电机状态监测和故障诊断具有重要的意义。

1 变频器构成及原理

矿用变频器主要由逆变环节、滤波环节、整流环节等构成，逆变环节是把直流电源转化为频率与幅值可变的三相交流电源；滤波环节是实现直流电源电流或电压的平稳输出；整流环节是将三相交流电转化为直流电源。根据储能元件或电源性质，将矿用变频器分为电流源型和电压源型，现在井下一般采用电压源型变频器[4-6]。电机变频驱动如图1所示。

图1 电机变频驱动示意Fig.1 Motor variable frequency drive schematic

2 煤矿变频供电电机故障机理

2.1 气隙偏心故障机理分析

气隙偏心可分为混合偏心、动态偏心和静态偏心。当电机中转子、定子缝隙较小时，在转子、定子相互摩擦或气隙偏心振幅过大时，易引起故障的发生。①混合偏心。此时同时存在静态偏心和动态偏心，其旋转中心既不在转子对称中心(R点)，也不在定子对称中心(S点)，而是在混合偏移矢量作用下的旋转中心(O点)。②动态偏心。旋转中心是定子对称中心(S点)，偏心位置和转子位置有关，主要产生的原因有临界转速时机械共振、轴承弯曲、轴承磨损。③静态偏心。旋转中心是转子对称中心(R点)，转子在旋转过程中，其最小、最大气隙和转子位置无关[7-11]。气隙偏心模型如图2所示。

图2 气隙偏心模型Fig.2 Air gap eccentric model

气隙偏心特征分量的频率表达式：

(1)

式中，ftz为气隙偏心特征分量的频率；nc为电源谐波次数(奇整数)；s为转差率；p为极对数；nb为任意整数(nb=1，2，3，…，时，用于动态偏心；nb=0时，用于静态偏心)；Z1为转子槽数；na为任意整数；f为电源频率。

混合偏心时，定子电流会有附加的频率分量，其公式：

fme=f±kfr

(2)

式中，fme为定子电流附加的频率分量；fr为转子旋转频率，fr=(1-s)×f/p。

当对定子电流进行频谱分析时，如果发现与ftz相应的频率分量时，表明电机存在气隙偏心。

2.2 定子故障机理分析

电机的绝缘部分是发生故障概率较高的部位，占故障种类的35%左右，由于绝缘系统易受磨损、老化、过潮、过热的影响，易造成定子的相间短路和匝间短路[12-15]。当电动机正常运转时，变频器输出电压谐波，电机定子电流的特征频率表达式为：

fs=(6k±1)f

(3)

式中，fs为电机定子电流的特征频率；f为电网频率。

定子部分故障会产生电磁振动，造成气隙磁场的畸变，引起定子电流信号中出现特定频率的谐波分量。当定子故障引起匝间短路时，会引起定子三相绕组结构的不对称，导致定子电流信号中出现谐波分量。因此，对相应频率的谐波分量进行检测，是判断定子是否出现匝间故障的重要方法。

匝间短路故障定子电流特征频率表达式：

(4)

式中，fz为匝间短路故障定子电流特征频率；s为转差率；p为电机极对数；f为电网频率。

2.3 转子故障机理分析

当转子出现断条故障时，电机定子电流会出现频率为±2sf的变频，其电流分量可作为转子断条故障的特征分量。

当电机正常运转时，电机定子绕组产生磁动势，其表达式：

m1=K1N1I1sin(ωt-pθ)

(5)

式中，f为电源的频率；p为电机的极对数；m1为磁动势；K1为常数，其值与定子绕组系数和极对数有关；N1为定子绕组匝数；I1为定子电流有效值；ω为电源角频率，ω=2πf；θ为机械角度。

转子绕组相位角φ的表达式：

φ=θ-ωrt

(6)

式中，φ为转子绕组相位角；ωr为转子旋转角速度。

转子断条在基频附近产生的频率为：

fb=(1±2ks)f

(7)

式中，s为转差率；k为电源频率。

根据转子断条的故障特征频率，可以用于判断电机转子断条故障，并且转子断条的故障特征频率随着电机断条严重程度发生变化。

3 煤矿变频供电电机故障仿真建模

3.1 模型建立

本文以YB3-160M-4型隔爆型鼠笼异步电机为模型进行建模，其主要参数：每槽线数为28，铁芯长155 mm，转子铁芯槽数为26，转子内径60 mm，转子外径169 mm；定子铁芯槽数为36，定子内径170 mm，定子外径260 mm，电源相数为3，电机级数为4，转差率为0.026 7，额定转速为1 460 r/min，频率为50 Hz，额定功率为11 kW。

依据B3-160M-4型隔爆型鼠笼异步电机主要参数，在Ansoft Maxwell的RMxprt和Maxwell 2D模块中对电机的故障进行仿真。利用修改外电路和电机参数，模拟了电机的动态偏心、静态偏心和转子断条等故障，其模型如图3所示。

图3 电机的动态偏心、静态偏心和转子断条故障模型Fig.3 Fault model of dynamic eccentricity，static eccentricity and broken rotor bars of motor

3.2 仿真结果分析

本文分别对电机正常运转、动态偏心故障、静态偏心故障和转子断条故障进行了有限元建模仿真，得到在变频电源供电下电流的波形，如图4所示。

由图4可知，电机在发生故障时，三相定子电流的幅值发生了变化，本文引用波形畸变率(THD)对各个故障的波形失真程度进行判断。

图4 不同状况下电流的波形Fig.4 Waveform of current under different conditions

不同状况下定子电流的畸变率见表1。

表1 不同状况下定子电流的畸变率Tab.1 Distortion rate of stator current under different conditions

3.2.1 动态偏心故障

当电机发生动态偏心故障时，转差率为0.026，电机转速为1 460 r/min，依据式(1)，计算得出偏心故障特征频率534、634、734 Hz。变频供电的动态偏心定子电流频谱如图5所示。

由图5可知，故障特征分量幅值变化较为明显，识别出3个故障特征分量，可以对部分故障特征分量进行识别。

3.2.2 静态偏心故障

当电机发生静态偏心故障时，转差率为0.03，电机转速为1 455 r/min，依据式(1)，计算得出偏心故障特征频率581、781 Hz。变频供电的静态偏心定子电流频谱如图6所示。

图6 变频供电的静态偏心定子电流频谱Fig.6 Current spectrum of static eccentric stator with variable frequency power supply

3.2.3 转子断条故障

当电机发生静态偏心故障时，转差率为0.037，电机转速为1 445 r/min，依据式(6)，计算得出偏心故障低频部分特征频率46、53 Hz；高频部分特征频率3 246，3 254，3 355，3 542，3 645 Hz。变频供电的转子断条故障定子电流频谱如图7所示。

图7 变频供电的转子断条故障定子电流频谱Fig.7 Stator current spectrum of variable frequency power supply with broken rotor bar fault

由图7可知，在低频部分，可以找到故障特征频率，误差在0.1 Hz内，在高频段fc±3fb±f位置有故障特征频率的存在，但是误差较大，故障特征分量微小。

4 结论

本文分析了矿用变频器构成，研究了煤矿变频供电电机故障机理，得到了气隙偏心故障、定子故障、匝间短路故障、转子故障的故障特征频率计算表达式，采用Ansoft Maxwell软件对电机正常运转、动态偏心故障、静态偏心故障和转子断条故障进行了有限元建模仿真，分析了仿真结果。研究对煤矿实现安全供电具有重要意义。