煤礦變頻供電電機故障機理及仿真建模研究

張 杰

(河南能源化工集團(tuán) 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

煤礦電動機廣泛用于煤礦的生產(chǎn)、破碎、傳輸、掘進(jìn)、通風(fēng)等領(lǐng)域，是電能和機械能相互轉(zhuǎn)化的橋梁。其中，異步電動機具有制作成本低、安全可靠、構(gòu)造簡單等特點，是煤礦使用最多的電動機。由于煤礦井下環(huán)境的復(fù)雜性，電動機的絕緣程度降低、引起電動機的斷相故障或短路，不及時解決該問題，會影響煤礦的正產(chǎn)安全生產(chǎn)甚至造成嚴(yán)重危害。據(jù)不完全統(tǒng)計，井下60%的機電事故是由電動機故障造成的。因此，對煤礦變頻供電電機故障機理及仿真建模是確保煤炭高效運轉(zhuǎn)的必要條件。采用變頻電源供電時，其啟動電流小于工頻電源的啟動電流，減小了電動機的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力，從而降低了轉(zhuǎn)子斷條的可能性，其故障率相對較低，但是變頻電源會產(chǎn)生高頻脈沖，致使定子繞組內(nèi)部產(chǎn)生諧波過電壓，增加了絕緣故障率。變頻器主要由逆變電路、濾波電路和整流電路組成，具有很多半導(dǎo)體開關(guān)器件，使得故障特征分量很難識別[1-3]。基于此，本文研究了煤礦變頻供電電機故障機理及仿真建模，研究對煤礦井下電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷具有重要的意義。

1 變頻器構(gòu)成及原理

礦用變頻器主要由逆變環(huán)節(jié)、濾波環(huán)節(jié)、整流環(huán)節(jié)等構(gòu)成，逆變環(huán)節(jié)是把直流電源轉(zhuǎn)化為頻率與幅值可變的三相交流電源；濾波環(huán)節(jié)是實現(xiàn)直流電源電流或電壓的平穩(wěn)輸出；整流環(huán)節(jié)是將三相交流電轉(zhuǎn)化為直流電源。根據(jù)儲能元件或電源性質(zhì)，將礦用變頻器分為電流源型和電壓源型，現(xiàn)在井下一般采用電壓源型變頻器[4-6]。電機變頻驅(qū)動如圖1所示。

圖1 電機變頻驅(qū)動示意Fig.1 Motor variable frequency drive schematic

2 煤礦變頻供電電機故障機理

2.1 氣隙偏心故障機理分析

氣隙偏心可分為混合偏心、動態(tài)偏心和靜態(tài)偏心。當(dāng)電機中轉(zhuǎn)子、定子縫隙較小時，在轉(zhuǎn)子、定子相互摩擦或氣隙偏心振幅過大時，易引起故障的發(fā)生。①混合偏心。此時同時存在靜態(tài)偏心和動態(tài)偏心，其旋轉(zhuǎn)中心既不在轉(zhuǎn)子對稱中心(R點)，也不在定子對稱中心(S點)，而是在混合偏移矢量作用下的旋轉(zhuǎn)中心(O點)。②動態(tài)偏心。旋轉(zhuǎn)中心是定子對稱中心(S點)，偏心位置和轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，主要產(chǎn)生的原因有臨界轉(zhuǎn)速時機械共振、軸承彎曲、軸承磨損。③靜態(tài)偏心。旋轉(zhuǎn)中心是轉(zhuǎn)子對稱中心(R點)，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中，其最小、最大氣隙和轉(zhuǎn)子位置無關(guān)[7-11]。氣隙偏心模型如圖2所示。

圖2 氣隙偏心模型Fig.2 Air gap eccentric model

氣隙偏心特征分量的頻率表達(dá)式：

(1)

式中，ftz為氣隙偏心特征分量的頻率；nc為電源諧波次數(shù)(奇整數(shù))；s為轉(zhuǎn)差率；p為極對數(shù)；nb為任意整數(shù)(nb=1，2，3，…，時，用于動態(tài)偏心；nb=0時，用于靜態(tài)偏心)；Z1為轉(zhuǎn)子槽數(shù)；na為任意整數(shù)；f為電源頻率。

混合偏心時，定子電流會有附加的頻率分量，其公式：

fme=f±kfr

(2)

式中，fme為定子電流附加的頻率分量；fr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率，fr=(1-s)×f/p。

當(dāng)對定子電流進(jìn)行頻譜分析時，如果發(fā)現(xiàn)與ftz相應(yīng)的頻率分量時，表明電機存在氣隙偏心。

2.2 定子故障機理分析

電機的絕緣部分是發(fā)生故障概率較高的部位，占故障種類的35%左右，由于絕緣系統(tǒng)易受磨損、老化、過潮、過熱的影響，易造成定子的相間短路和匝間短路[12-15]。當(dāng)電動機正常運轉(zhuǎn)時，變頻器輸出電壓諧波，電機定子電流的特征頻率表達(dá)式為：

fs=(6k±1)f

(3)

式中，fs為電機定子電流的特征頻率；f為電網(wǎng)頻率。

定子部分故障會產(chǎn)生電磁振動，造成氣隙磁場的畸變，引起定子電流信號中出現(xiàn)特定頻率的諧波分量。當(dāng)定子故障引起匝間短路時，會引起定子三相繞組結(jié)構(gòu)的不對稱，導(dǎo)致定子電流信號中出現(xiàn)諧波分量。因此，對相應(yīng)頻率的諧波分量進(jìn)行檢測，是判斷定子是否出現(xiàn)匝間故障的重要方法。

匝間短路故障定子電流特征頻率表達(dá)式：

(4)

式中，fz為匝間短路故障定子電流特征頻率；s為轉(zhuǎn)差率；p為電機極對數(shù)；f為電網(wǎng)頻率。

2.3 轉(zhuǎn)子故障機理分析

當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)斷條故障時，電機定子電流會出現(xiàn)頻率為±2sf的變頻，其電流分量可作為轉(zhuǎn)子斷條故障的特征分量。

當(dāng)電機正常運轉(zhuǎn)時，電機定子繞組產(chǎn)生磁動勢，其表達(dá)式：

m1=K1N1I1sin(ωt-pθ)

(5)

式中，f為電源的頻率；p為電機的極對數(shù)；m1為磁動勢；K1為常數(shù)，其值與定子繞組系數(shù)和極對數(shù)有關(guān)；N1為定子繞組匝數(shù)；I1為定子電流有效值；ω為電源角頻率，ω=2πf；θ為機械角度。

轉(zhuǎn)子繞組相位角φ的表達(dá)式：

φ=θ-ωrt

(6)

式中，φ為轉(zhuǎn)子繞組相位角；ωr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度。

轉(zhuǎn)子斷條在基頻附近產(chǎn)生的頻率為：

fb=(1±2ks)f

(7)

式中，s為轉(zhuǎn)差率；k為電源頻率。

根據(jù)轉(zhuǎn)子斷條的故障特征頻率，可以用于判斷電機轉(zhuǎn)子斷條故障，并且轉(zhuǎn)子斷條的故障特征頻率隨著電機斷條嚴(yán)重程度發(fā)生變化。

3 煤礦變頻供電電機故障仿真建模

3.1 模型建立

本文以YB3-160M-4型隔爆型鼠籠異步電機為模型進(jìn)行建模，其主要參數(shù)：每槽線數(shù)為28，鐵芯長155 mm，轉(zhuǎn)子鐵芯槽數(shù)為26，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑60 mm，轉(zhuǎn)子外徑169 mm；定子鐵芯槽數(shù)為36，定子內(nèi)徑170 mm，定子外徑260 mm，電源相數(shù)為3，電機級數(shù)為4，轉(zhuǎn)差率為0.026 7，額定轉(zhuǎn)速為1 460 r/min，頻率為50 Hz，額定功率為11 kW。

依據(jù)B3-160M-4型隔爆型鼠籠異步電機主要參數(shù)，在Ansoft Maxwell的RMxprt和Maxwell 2D模塊中對電機的故障進(jìn)行仿真。利用修改外電路和電機參數(shù)，模擬了電機的動態(tài)偏心、靜態(tài)偏心和轉(zhuǎn)子斷條等故障，其模型如圖3所示。

圖3 電機的動態(tài)偏心、靜態(tài)偏心和轉(zhuǎn)子斷條故障模型Fig.3 Fault model of dynamic eccentricity，static eccentricity and broken rotor bars of motor

3.2 仿真結(jié)果分析

本文分別對電機正常運轉(zhuǎn)、動態(tài)偏心故障、靜態(tài)偏心故障和轉(zhuǎn)子斷條故障進(jìn)行了有限元建模仿真，得到在變頻電源供電下電流的波形，如圖4所示。

由圖4可知，電機在發(fā)生故障時，三相定子電流的幅值發(fā)生了變化，本文引用波形畸變率(THD)對各個故障的波形失真程度進(jìn)行判斷。

圖4 不同狀況下電流的波形Fig.4 Waveform of current under different conditions

不同狀況下定子電流的畸變率見表1。

表1 不同狀況下定子電流的畸變率Tab.1 Distortion rate of stator current under different conditions

3.2.1 動態(tài)偏心故障

當(dāng)電機發(fā)生動態(tài)偏心故障時，轉(zhuǎn)差率為0.026，電機轉(zhuǎn)速為1 460 r/min，依據(jù)式(1)，計算得出偏心故障特征頻率534、634、734 Hz。變頻供電的動態(tài)偏心定子電流頻譜如圖5所示。

由圖5可知，故障特征分量幅值變化較為明顯，識別出3個故障特征分量，可以對部分故障特征分量進(jìn)行識別。

3.2.2 靜態(tài)偏心故障

當(dāng)電機發(fā)生靜態(tài)偏心故障時，轉(zhuǎn)差率為0.03，電機轉(zhuǎn)速為1 455 r/min，依據(jù)式(1)，計算得出偏心故障特征頻率581、781 Hz。變頻供電的靜態(tài)偏心定子電流頻譜如圖6所示。

圖6 變頻供電的靜態(tài)偏心定子電流頻譜Fig.6 Current spectrum of static eccentric stator with variable frequency power supply

3.2.3 轉(zhuǎn)子斷條故障

當(dāng)電機發(fā)生靜態(tài)偏心故障時，轉(zhuǎn)差率為0.037，電機轉(zhuǎn)速為1 445 r/min，依據(jù)式(6)，計算得出偏心故障低頻部分特征頻率46、53 Hz；高頻部分特征頻率3 246，3 254，3 355，3 542，3 645 Hz。變頻供電的轉(zhuǎn)子斷條故障定子電流頻譜如圖7所示。

圖7 變頻供電的轉(zhuǎn)子斷條故障定子電流頻譜Fig.7 Stator current spectrum of variable frequency power supply with broken rotor bar fault

由圖7可知，在低頻部分，可以找到故障特征頻率，誤差在0.1 Hz內(nèi)，在高頻段fc±3fb±f位置有故障特征頻率的存在，但是誤差較大，故障特征分量微小。

4 結(jié)論

本文分析了礦用變頻器構(gòu)成，研究了煤礦變頻供電電機故障機理，得到了氣隙偏心故障、定子故障、匝間短路故障、轉(zhuǎn)子故障的故障特征頻率計算表達(dá)式，采用Ansoft Maxwell軟件對電機正常運轉(zhuǎn)、動態(tài)偏心故障、靜態(tài)偏心故障和轉(zhuǎn)子斷條故障進(jìn)行了有限元建模仿真，分析了仿真結(jié)果。研究對煤礦實現(xiàn)安全供電具有重要意義。