煤礦帶式高壓隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用*

田儒彰

(1中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400050; 2瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400050)

煤礦帶式高壓隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用*

田儒彰1，2

(1中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400050; 2瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400050)

針對(duì)帶式輸送機(jī)用高壓隔爆型三相異步電機(jī)在煤礦工程應(yīng)用中頻繁出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行原因分析，重點(diǎn)分析了帶式輸送機(jī)用高壓隔爆電機(jī)使用工況的特殊性，并提出了解決方案，最后結(jié)合產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了技術(shù)分析，結(jié)果驗(yàn)證采用改進(jìn)的技術(shù)方案的電機(jī)性能，明顯高于市場(chǎng)通用的電動(dòng)機(jī)，更適合煤礦帶式輸送機(jī)的應(yīng)用。

帶式輸送機(jī);頻繁重載起動(dòng);功率不平衡;變頻;應(yīng)急互換

0 引言

帶式輸送機(jī)作為現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵輸送工具，其安全性與可靠性直接影響著煤礦行業(yè)的發(fā)展和效益。然而，近年來(lái)配套帶式輸送機(jī)的高壓隔爆電機(jī)卻在大型礦山工作環(huán)境下頻頻出現(xiàn)起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、溫升高、轉(zhuǎn)子端環(huán)脫落或融化、槽楔脫落、定子燒毀等問(wèn)題，引起了高度的重視［1-3］。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，并結(jié)合電機(jī)設(shè)計(jì)、修理經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，產(chǎn)生上述問(wèn)題的主要原因有三方面。

(1)使用工況決定了煤礦帶式輸送機(jī)用高壓隔爆電機(jī)比工廠用同類電機(jī)的問(wèn)題突出。

(2)煤礦帶式輸送機(jī)的長(zhǎng)距離、高帶速、大功率導(dǎo)致了問(wèn)題產(chǎn)生。對(duì)其配套用高壓電機(jī)提出新的技術(shù)要求［4］。

(3)配套煤礦帶式輸送機(jī)用高壓隔爆型電機(jī)所執(zhí)行的新標(biāo)準(zhǔn)降低了電機(jī)關(guān)鍵性能指標(biāo)要求，導(dǎo)致該類電機(jī)質(zhì)量問(wèn)題更加突出［5-6］。

目前，我國(guó)煤礦帶式輸送機(jī)一直沒(méi)有專用配套電機(jī)，均采用通用于泵、壓縮機(jī)等負(fù)載的YB系列高壓隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力，雖然提高了電機(jī)產(chǎn)品通用性，但卻掩蓋了煤礦帶式輸送機(jī)用高壓三相異步電動(dòng)機(jī)的特殊使用需求，致使通用設(shè)計(jì)的高壓電機(jī)在煤礦實(shí)際工程應(yīng)用中暴露出各種各樣的問(wèn)題。

本文從煤礦帶式輸送機(jī)使用工況出發(fā)，結(jié)合帶式輸送機(jī)的發(fā)展方向，采用新技術(shù)設(shè)計(jì)，開發(fā)了煤礦帶式輸送機(jī)專用高壓隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)，由此解決當(dāng)前電機(jī)與帶式輸送機(jī)工況不匹配的問(wèn)題，減少煤礦帶式輸送機(jī)用電機(jī)故障的發(fā)生。

1 工況特性

1．1 煤礦井下環(huán)境

與地面工廠環(huán)境相比，煤礦井下環(huán)境惡劣，濕度大(87%～100%)、粉塵濃度高(50mg/m3～100mg/m3)，甚至有滲水的情況，這對(duì)電機(jī)性能提出了更高的要求［7-8］。環(huán)境因素對(duì)電機(jī)的影響見(jiàn)表1。

表1 環(huán)境因素對(duì)電機(jī)的影響

1．2 電壓波動(dòng)大

煤礦井下的供電變壓器、線路長(zhǎng)短、負(fù)荷都與地面有很大差異，煤礦井下的電氣設(shè)備允許起動(dòng)電壓波動(dòng)范圍在75%～110%之間，運(yùn)行電壓波動(dòng)允許在－8%～－10%之間［9］，而這樣的變化范圍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常規(guī)電機(jī)起動(dòng)和運(yùn)行的電壓允許范圍［10］。無(wú)論是高于額定電壓還是低于額定電壓長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)電機(jī)都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害［11-12］，電壓波動(dòng)對(duì)電機(jī)的影響見(jiàn)表2。

表2 電壓波動(dòng)的影響

1．3 電機(jī)功率不平衡

大型煤礦帶式輸送機(jī)長(zhǎng)距離、高帶速、大功率的特點(diǎn)要求電機(jī)功率很大，為了降低單機(jī)大容量電機(jī)對(duì)電網(wǎng)的沖擊影響，帶式輸送機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)均采用多機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此在實(shí)際應(yīng)用中就存在電機(jī)功率不平衡的問(wèn)題，當(dāng)某臺(tái)電機(jī)過(guò)載時(shí)，會(huì)引起控制開關(guān)柜跳閘，不能正常生產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤щ姍C(jī)［13］。

1．4 頻繁重載起動(dòng)

從采掘工作面運(yùn)輸出來(lái)的煤炭常伴有矸石、鐵料、木棒等，為保證輸送系統(tǒng)運(yùn)行安全需要電機(jī)停機(jī)將異物撿出;由于帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)故障原因，帶式輸送機(jī)也經(jīng)常要停機(jī)，這就造成帶式輸送機(jī)電機(jī)的頻繁重載起動(dòng)。根據(jù)寧夏某大型煤礦的運(yùn)行記錄可知，頻繁重載起動(dòng)是帶式輸送機(jī)電機(jī)的常態(tài)運(yùn)行工況，這種運(yùn)行狀態(tài)已經(jīng)超出YB系列電機(jī)S1工作制設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。頻繁起動(dòng)引起的真空接觸器操作過(guò)電壓、大電流對(duì)電機(jī)的繞組絕緣和鼠籠轉(zhuǎn)子損傷非常大，會(huì)加速電機(jī)絕緣老化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致槽楔脫落、轉(zhuǎn)子端環(huán)脫落、電機(jī)燒毀等嚴(yán)重問(wèn)題［3］

1．5 變頻技術(shù)應(yīng)用

出于起動(dòng)和節(jié)能的需要，變頻技術(shù)在煤礦井下皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)越來(lái)越普遍。國(guó)內(nèi)礦山紛紛采用“變頻器+異步電機(jī)+減速器+滾筒”的傳動(dòng)方式，這種驅(qū)動(dòng)方式取消了液力耦合器，通過(guò)變頻器對(duì)電機(jī)的矢量變頻控制，平穩(wěn)起動(dòng)制動(dòng);更重要的是，帶式輸送機(jī)負(fù)載屬于時(shí)變負(fù)載，輕載節(jié)能成為目前礦山要解決的重要課題。所以，帶式輸送機(jī)用電機(jī)既要符合常規(guī)電源供電的使用要求，也要滿足變頻器供電的情況［14］。

1．6 應(yīng)急互換性

為適應(yīng)煤礦的工作要求，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的生產(chǎn)模式，帶式輸送機(jī)的多機(jī)驅(qū)動(dòng)已成為發(fā)展趨勢(shì)。多機(jī)驅(qū)動(dòng)中的同軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)要能夠在巷道左右兩側(cè)互換，以滿足應(yīng)急需要［15］。

2 解決方案

針對(duì)帶式輸送機(jī)用電機(jī)的工況特點(diǎn)，對(duì)煤礦帶式輸送機(jī)專用高壓隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)開發(fā)提出以下技術(shù)解決方案。

2．1 提高電機(jī)使用系數(shù)

提高電機(jī)使用系數(shù)，一方面為解決電機(jī)功率分配不平衡引起過(guò)載問(wèn)題，需要留足功率余量，避免電控系統(tǒng)頻繁報(bào)警停機(jī)或電機(jī)燒毀;另一方面，煤礦帶式輸送機(jī)電機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，機(jī)殼表面會(huì)堆積潮濕帶粘度的粉塵層，大大降低了電機(jī)機(jī)殼的散熱能力，電機(jī)需要預(yù)留溫升余量。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高壓電機(jī)的使用系數(shù)沒(méi)有明確的規(guī)定［16］，帶式輸送機(jī)電機(jī)選型有的留余量，有的沒(méi)有留余量，這就需要電機(jī)設(shè)計(jì)廠商在設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)用電機(jī)時(shí)留足使用系數(shù)。帶式輸送機(jī)的電機(jī)功率不平衡的程度決定于輸送帶彈性、滾筒直徑、電動(dòng)機(jī)特性以及驅(qū)動(dòng)滾筒的布置［17］，不同的運(yùn)行工況和不同的輸送機(jī)型式，暫時(shí)無(wú)從具體計(jì)算電機(jī)在功率分配不平衡過(guò)載時(shí)所需要的具體功率，在開發(fā)過(guò)程中，選取使用系數(shù)靠NEMA標(biāo)準(zhǔn)。帶式輸送機(jī)用電機(jī)和YB系列高壓電機(jī)考核溫升、使用系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 帶式輸送機(jī)用電機(jī)與YB系列電機(jī)考核溫升、使用系數(shù)比較

2．2 采用變頻電機(jī)設(shè)計(jì)方案

采用變頻電機(jī)設(shè)計(jì)方案主要是為滿足部分帶式輸送機(jī)采用變頻器控制系統(tǒng)供電的使用要求，同時(shí)也考慮非變頻器供電的帶式輸送機(jī)用電機(jī)的情況，這樣就滿足不同電源供電的工況。設(shè)計(jì)方案如下。

(1)在電磁設(shè)計(jì)上，優(yōu)化槽型、控制電阻，減少變頻器諧波對(duì)電機(jī)溫升的影響，同時(shí)兼顧非變頻起動(dòng)所需的起動(dòng)和過(guò)載能力。

(2)在絕緣設(shè)計(jì)上，要滿足變頻器脈沖電源的使用要求。

(3)在冷卻系統(tǒng)上，充分考慮低頻運(yùn)行的散熱要求。

(4)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，定轉(zhuǎn)子固有頻率避開變頻范圍，避免電機(jī)運(yùn)行引起共振。

2．3 采用耐熱、耐潮、耐沖擊絕緣系統(tǒng)

針對(duì)煤礦帶式輸送機(jī)所處的工況環(huán)境，開發(fā)了耐熱、耐潮、耐沖擊電機(jī)絕緣體系統(tǒng)，除了三大特性之外，該絕緣體系對(duì)6kV、10kV全部采用了三級(jí)防暈體系，能有效降低電機(jī)內(nèi)腔潮濕空氣被擊穿之后產(chǎn)生的臭氧等氣體對(duì)絕緣繞組的腐蝕，進(jìn)一步延長(zhǎng)電機(jī)繞組的絕緣壽命。絕緣系統(tǒng)主要參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 帶式輸送機(jī)用電機(jī)絕緣體系

2．4 提高起動(dòng)性能和過(guò)載能力

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，降低起動(dòng)電流倍數(shù)，可以縮短電機(jī)起動(dòng)時(shí)間，降低電機(jī)起動(dòng)時(shí)的發(fā)熱量，減小電流沖擊對(duì)繞組絕緣和轉(zhuǎn)子的損傷，實(shí)踐證明這種方式可以有效減少甚至杜絕繞組燒毀、定子槽楔脫落、轉(zhuǎn)子端環(huán)脫落等諸多問(wèn)題。所以煤礦帶式輸送機(jī)用電機(jī)的起動(dòng)過(guò)載性能不僅要高于 JB/T 8674—2007，而且要高于JB/T 8674—1997，適當(dāng)?shù)陀?MT/T 476—2011 YBC系列采煤機(jī)截割部用隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)、MT/T 477—2011 YBU系列掘進(jìn)機(jī)用隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)、MT/T 478—2011 YBS系列輸送機(jī)用隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)等采掘面用電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，具體取值見(jiàn)表5。

表5 帶式輸送機(jī)用電機(jī)與通用電機(jī)熱態(tài)允許堵轉(zhuǎn)時(shí)間比較

2．5 提高外殼防護(hù)等級(jí)

提高電機(jī)外殼防護(hù)等級(jí)，一方面是為了防止水進(jìn)入電機(jī)機(jī)殼內(nèi)部而導(dǎo)致電機(jī)絕緣電阻的下降、老化問(wèn)題;另一方面是防止粉塵進(jìn)入電機(jī)機(jī)殼內(nèi)部。

目前國(guó)內(nèi)YB系列電機(jī)都按IP55防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)，但是根據(jù)對(duì)多臺(tái)問(wèn)題電機(jī)的拆解，電機(jī)機(jī)殼出線口部位進(jìn)水進(jìn)塵的問(wèn)題還是存在，國(guó)內(nèi)外配套帶式輸送機(jī)的電機(jī)廠商都如此，原因在于電機(jī)廠商為了加工方便，機(jī)殼出線口部位都是采用方形、平面設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖1)，這種結(jié)構(gòu)防塵防水效果不佳。為解決這個(gè)問(wèn)題，我們決定從模具入手，采用止口隔爆設(shè)計(jì)，以提高出線口位置電機(jī)的防護(hù)等級(jí)(見(jiàn)圖2)。

圖1 改進(jìn)前機(jī)殼出線口

圖2 改進(jìn)后機(jī)殼出線口

2．6 加大繞組加熱器功率

在電機(jī)內(nèi)部增設(shè)加熱器，在電機(jī)停機(jī)時(shí)通電能有效的降低電機(jī)內(nèi)腔濕度，避免電機(jī)繞組受潮損壞。常規(guī)電機(jī)繞組加熱帶功率的選取是根據(jù)JB/T 7836．1《電機(jī)用電加熱器第1部分:通用技術(shù)條件》，選型見(jiàn)式(1)

式中，W—電動(dòng)機(jī)加熱器功率，kW;D—電動(dòng)機(jī)端罩(或端蓋)直徑，m;L—端罩(端蓋)兩內(nèi)端面之間的長(zhǎng)度，m。

式(1)的建立需要兩個(gè)前提:

(1)加熱器的功率大小應(yīng)該能在電動(dòng)機(jī)停用時(shí)，使一封閉電機(jī)的繞組溫度高于環(huán)境溫度5℃，在不考慮外界影響的情況下，釋放熱量完全被吸收。

(2)環(huán)境空氣相對(duì)濕度不大于90%(環(huán)境溫度為25℃ 時(shí))。

由此可見(jiàn)，式(1)已經(jīng)不適合煤礦井下帶式輸送機(jī)用電機(jī)的繞組加熱帶選型要求。另外，國(guó)內(nèi)有關(guān)電機(jī)廠家在式(1)基礎(chǔ)上乘1．3倍的使用系數(shù)［18］，在電機(jī)修理過(guò)程中仍然看到不少?gòu)S家電機(jī)用在煤礦井下后，盡管電機(jī)停機(jī)繞組加熱帶通電，但還是存在由于加熱帶功率不足導(dǎo)致繞組受潮的問(wèn)題。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，煤礦帶式輸送機(jī)用電機(jī)的繞組加熱帶功率選型在式(1)基礎(chǔ)上乘1．8倍的使用系數(shù)。

2．7 雙向風(fēng)路系統(tǒng)

多機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)急互換成為帶式輸送機(jī)用電機(jī)的通用要求，這就要求電機(jī)內(nèi)外風(fēng)路不能選用單向風(fēng)扇。實(shí)踐表明，同型號(hào)電機(jī)用雙向風(fēng)扇替代單向風(fēng)扇必將引起機(jī)械損耗的增大，電機(jī)效率下降，這就需要選取合適的風(fēng)扇。采用雙向風(fēng)扇，可通過(guò)控制機(jī)械損耗占電機(jī)輸入功率的比值及外風(fēng)路風(fēng)速能達(dá)到保證效率、控制溫升的目的。具體取值見(jiàn)表6。

表6 高壓隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械耗控制與外風(fēng)路風(fēng)速

3 樣機(jī)性能分析

根據(jù)以上技術(shù)方案，進(jìn)行了煤礦帶式輸送機(jī)用高壓隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)的開發(fā)，并試制生產(chǎn)了涵蓋6kV、10kV機(jī)座號(hào)H355-H560共5臺(tái)性能樣機(jī)，完成了濕熱、型式、通電防爆、跌落、防護(hù)、熱老化、介損、擊穿電壓等試驗(yàn)項(xiàng)目，試驗(yàn)全部合格。關(guān)鍵的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7、圖3、圖4、圖5、圖6。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，樣機(jī)的起動(dòng)性能、過(guò)載能力都符合文章提出的煤礦帶式輸送機(jī)用高壓隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)考核指標(biāo)，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)前市場(chǎng)通用的YB系列高壓隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)考核要求，能更好的適應(yīng)煤礦帶式輸送機(jī)惡劣的運(yùn)行工況。

表7 高壓隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)濕熱試驗(yàn)結(jié)果

圖3 樣機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)

圖4 樣機(jī)堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)

圖5 樣機(jī)最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)

圖6 樣機(jī)溫升

4 結(jié)語(yǔ)

以滿足工況運(yùn)行需要為導(dǎo)向，專用設(shè)計(jì)是電機(jī)今后發(fā)展的一個(gè)重要方向。煤礦帶式輸送機(jī)專用高壓隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)的開發(fā)是一個(gè)很有意義的嘗試，相信今后這類結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要的專用化設(shè)計(jì)開發(fā)將會(huì)越來(lái)越多。試制樣機(jī)下一步將進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)運(yùn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)，通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)將進(jìn)一步優(yōu)化、完善這一類專用電機(jī)。

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Development on High Voltage Flame Proof Three-Phase Induction Motor for Coal Mine Belt Conveyor

Tian Ruzhang
(China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Response Technology，Chongqing 400050，China)

As for quality problems of the motor for belt conveyor applied in coal mine frequently occur，this paper analyzes its reason，working condition particularity of motor for belt conveyor is emphatically analyzed，then solution is proposed，at last technology level is analyzed combined with test data of the product，the results show that by using this improved technology，the motor performance is higher than common motor in the market and more suitable for application of coal mine belt conveyor．

Belt conveyor;frequent heavy load starting;power imbalance;variable frequency;emergency exchange

10．3969/J．ISSN．1008-7281．2015．05．11

TM357

B

1008-7281(2015)05-0035-005

田儒彰 男 1984年生;畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電氣工程自動(dòng)化專業(yè)(電機(jī)電器及其控制方向)，現(xiàn)從事高壓防爆電機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)及技術(shù)管理工作．

2015-05-25

中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新(2015ZD003)