井下大功率電機(jī)溫度精細(xì)控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

趙致禮

皮帶輸送機(jī)、采掘機(jī)、風(fēng)機(jī)等設(shè)備電機(jī)都屬于煤礦井下大功率電機(jī)，這些大功率電機(jī)決定著井下的生產(chǎn)效率，是煤礦生產(chǎn)中重要的生產(chǎn)設(shè)備。由于煤礦井下工作環(huán)境復(fù)雜，引起電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，啟停頻率高，溫度變化快，從而造成內(nèi)部絕緣水平下降，縮短了電機(jī)的使用壽命。因此，本文研究的井下大功率電機(jī)溫度精細(xì)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)溫度以及絕緣電阻值的變化，為井下大功率電機(jī)的安全運(yùn)行提供了保障。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、信息處理技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)等一系列先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出通用的軟硬件體系。結(jié)合礦井實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了礦用大型電機(jī)溫升損害防治系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用熱電阻溫度傳感器采集電機(jī)溫度，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至電機(jī)溫度控制板上，由計(jì)算機(jī)分析判斷采集的溫度變化速率，根據(jù)變化的大小確定是否啟動(dòng)加熱器。再利用總線傳輸數(shù)據(jù)給地面監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)溫度，絕緣電阻值。

系統(tǒng)通過(guò)光纖電纜實(shí)現(xiàn)地面系統(tǒng)與井下溫度控制系統(tǒng)的通信和傳輸（圖1）。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 溫度保護(hù)系統(tǒng)控制原理

理想狀態(tài)的溫度保護(hù)是指精準(zhǔn)地控制溫度的變化，在電機(jī)停機(jī)后和啟動(dòng)前使電機(jī)溫度的變化適度，即溫度按正常溫度變化的曲線規(guī)律而變化。只要電機(jī)定子里預(yù)埋有溫度傳感器和電加熱器，無(wú)論直流還是交流、同步還是異步電機(jī)，都是可保護(hù)的對(duì)象。

系統(tǒng)的具體控制原理見(jiàn)圖2：

圖2 溫控原理

2.1 系統(tǒng)具體溫控操作

電機(jī)停機(jī)時(shí)，首先由電機(jī)定子和環(huán)境中的溫度傳感器分別測(cè)出電機(jī)定子溫度和周?chē)h(huán)境溫度，傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)計(jì)算出電機(jī)溫度下降速率。若在某一時(shí)刻，當(dāng)溫度下降過(guò)快時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)電加熱器，降低電機(jī)溫度下降速率，當(dāng)溫度下降過(guò)慢，系統(tǒng)停止電加熱器，提高電機(jī)溫度下降速率，如此，電機(jī)溫度的升降得到合理有效控制。

溫控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)周?chē)h(huán)境溫度和電機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)間（提前設(shè)置），自動(dòng)將電機(jī)溫度在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間段內(nèi)升高到一個(gè)合理溫度。

該裝置以電機(jī)定子繞組內(nèi)預(yù)埋的熱電阻（Pt100），作為溫度傳感器來(lái)采集電機(jī)內(nèi)部溫度信號(hào)，電機(jī)定子繞組內(nèi)預(yù)埋需要熱電偶（每相2個(gè)一備一用）。溫度傳感器是利用一進(jìn)兩出的變送器變送出-20℃～100℃對(duì)應(yīng)于4 mA～20 mA或1 V～5 V的信號(hào)[1]。

系統(tǒng)以環(huán)境溫度作為第二溫度采集信號(hào)，兩個(gè)溫度信號(hào)經(jīng)A∕D轉(zhuǎn)換后，輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行邏輯分析，分析結(jié)果通過(guò)輸出控制雙向可控硅控制預(yù)埋在電機(jī)定子內(nèi)的電加熱器，適時(shí)控制電加熱器的啟停來(lái)控制電機(jī)溫度變化（反饋信號(hào)），見(jiàn)如圖3所示。

圖3 溫控系統(tǒng)工作原理

2.2 電子部分組成和作用

紅外接收部分：接收紅外遙控器發(fā)出的控制信號(hào)，通過(guò)CPU設(shè)置相關(guān)數(shù)據(jù)；

環(huán)境溫度采集部分（溫度傳感器）：采集電機(jī)工況溫度；

通訊部分：傳送數(shù)據(jù)到顯示器；

電流控制部分（觸發(fā)器、隔離器和電阻等）：控制加熱器工作狀態(tài)；

顯示部分（與中央控制器連接）:顯示電機(jī)控制器的工作狀態(tài)以及絕緣情況；

時(shí)鐘芯片部分（與中央控制器連接）:提供基準(zhǔn)時(shí)鐘；

中央控制部分（Atmega系列芯片）:精細(xì)控制電機(jī)溫度；

PWM調(diào)制控制部分(輸入接中央控制器，輸出接電流控制):控制加熱器的工作。

設(shè)置部分：系統(tǒng)設(shè)置；

信息采集轉(zhuǎn)化部分（輸入接電機(jī)內(nèi)的測(cè)溫度傳感器，輸出連接CPU的A∕D轉(zhuǎn)換）：進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；

漏電閉鎖部分：系統(tǒng)投入前對(duì)電機(jī)負(fù)載側(cè)進(jìn)行漏電檢測(cè)。

3 絕緣檢測(cè)的原理

電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)的性能直接影響著電機(jī)的正常運(yùn)行。絕緣結(jié)構(gòu)的性能好壞直接決定能否將帶電的部分與不帶電的部分或帶不同電位的部分相互隔離，使電流能夠按照固定的路徑流動(dòng)。

電機(jī)通電后，絕緣結(jié)構(gòu)上就承受了電機(jī)的工作電壓，絕緣結(jié)構(gòu)性能直接影響電機(jī)的安全性和可靠性，適時(shí)檢測(cè)絕緣電阻意義重大。用兆歐表測(cè)量不同溫度下的電阻值，并把不同溫度下測(cè)量的電機(jī)繞組絕緣電阻值換算到規(guī)定溫度下的絕緣電阻值，可以看出絕緣電阻是否符合標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，還可利用C8051F單片機(jī)組成的系統(tǒng)采用“伏—安”法進(jìn)行測(cè)量，其原理結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 “伏—安”法測(cè)量原理

由于電機(jī)額定電壓不同，由微控制器通過(guò)數(shù)值的比較通過(guò)繼電器RL5、RL6的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)的額定電壓電機(jī)的絕緣測(cè)量（見(jiàn)圖7）。其中R8、R9為高精密的兆歐表，電容C是導(dǎo)線對(duì)地分布電容，電機(jī)內(nèi)的絕緣電阻與施加于絕緣結(jié)構(gòu)的直流電壓（工作電壓）成正比，與合成電流（Ir）成反比。其中合成電流（Ir）又是四個(gè)電流的和：表面泄漏電流（IL）、幾何電容電流（IC）、電導(dǎo)電流（IG）和吸收電流（IA），絕緣試驗(yàn)中各種電流的等效電路見(jiàn)圖5;各種電流隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖6。

圖5 絕緣電阻測(cè)試直流電流的等效電路

幾何電容電流(IC)一般不影響測(cè)量（電路導(dǎo)通瞬間，電容電流為0）。吸收電流(IA)，電流與時(shí)間的關(guān)系如式（1），

式中,K為特定絕緣系統(tǒng)和所施加試驗(yàn)電壓的系數(shù)（定值）;t為電機(jī)工作時(shí)間;n為特定絕緣系統(tǒng)的系數(shù)（由絕緣材料決定）。

圖6 電流與時(shí)間變化曲線

對(duì)于絕緣材料來(lái)說(shuō),吸收電流越小，絕緣電阻越高,但不能說(shuō)明這種絕緣材料絕緣性能好（聚乙烯）。在干燥環(huán)境中，電導(dǎo)電流(IG)在整體性較好的絕緣系統(tǒng)中IG幾乎為零。表面泄漏電流IL恒定。如果表面泄漏電流越大,表明絕緣電阻值越低，阻斷電流性能越差。

R10相當(dāng)電機(jī)的絕緣電阻，采集電壓經(jīng)過(guò)放大電路進(jìn)入微控制器的模擬輸入端（圖7）。

圖7 絕緣電阻采集等效電路

電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，液晶屏上循環(huán)顯示12個(gè)電阻值和6個(gè)溫度值。同時(shí)液晶屏下右側(cè)的LED閃爍。

報(bào)警電路在電機(jī)溫度超范圍或者絕緣電阻不符合標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，提醒工作人員溫度升高的原因以及及時(shí)檢查電機(jī)的絕緣性能。

4 應(yīng)用情況

本系統(tǒng)主要應(yīng)用在同煤集團(tuán)同忻礦水泵房，該水泵房擔(dān)負(fù)著整個(gè)礦井的排水任務(wù)，對(duì)系統(tǒng)中的動(dòng)力部分電動(dòng)機(jī)的使用狀況進(jìn)行實(shí)施檢測(cè)意義重大。

通過(guò)智能控制器提供一套精細(xì)的管理方法和手段去控制電機(jī)的溫度，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的絕緣電阻值來(lái)確定電機(jī)的絕緣狀況，從而提高電機(jī)的絕緣水平，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。為水泵電機(jī)的正常安全運(yùn)行提供了技術(shù)性保障。

(1)節(jié)約維修費(fèi)用和人力成本

本系統(tǒng)的應(yīng)用給維護(hù)班組節(jié)約下了3名定崗人員，免除了每2月的檢修和2年一次的大修，每年節(jié)約直接成本近10萬(wàn)元，間接節(jié)約成本千萬(wàn)元。

(2)顯著提高系統(tǒng)可靠性

本系統(tǒng)的成功應(yīng)用，可在停機(jī)狀態(tài)下在線監(jiān)測(cè)絕緣阻值，杜絕動(dòng)力系統(tǒng)的絕緣故障，可使井下潮濕地方的動(dòng)力電機(jī)做到隨時(shí)啟停，顯著提高系統(tǒng)可靠性。除了在水泵房應(yīng)用外，還能用于井下皮帶運(yùn)輸機(jī)、風(fēng)機(jī)、采掘機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備。