矿用电机温度变化率控制技术装置的应用

李汉

（晋能控股煤业集团有限公司 山西大同037003）

0 引言

矿用电机介于其使用环境的恶劣及频繁的启动，电机自身温度变化过大，从而引起内部绝缘的相应变坏。矿用电机都是由不均质体组成，从电机的构成材料来看，组成材料有多种，各种材料的温度特性、膨胀系数也都不相同，这样，电机温度的骤升或骤降对电机影响很大，突出表现在各种材料间膨胀系数不同而出现相对移动、绕组将会产生振动。这种情况的发生将造成定子或转子严重变形、烧熔，甚至报废，所以对矿用电机温度变化率控制技术进行研究具有重要的意义，目前受到煤矿企业的重视1]。

矿用电机温度变化率控制技术装置采用嵌入式微型计算机为核心控制模块与PWM调制控制装置相结合，实现大功率电机的温度精细控制，以先进的模糊控制理论为基础，融合多模块智能监控系统，实现煤矿井下大功率电机定子的绝缘保护与在线检测，为井下大功率电机的正常安全运行提供了技术性保障。充分利用预埋在电机定子内部的测温元件和电加热器，为电机提供稳定、精准、可靠的温度保护，对电机实施自动精细管理和精心的呵护养护，对有效延长电机的使用寿命，延长电机的大修周期有积极且重大的意义。

1 矿用电机温度变化率控制技术的研究原理

电机温度保护装置，所提到的温度保护不同于传统意义上的温度保护，传统意义上的温度保护是指继电保护范畴的温度保护，它虽然也是通过测量预埋在电机定子中的温度传感器的温度信号，但它保护的实质是电机定子发热与散热达不到平衡状态，发热在某一段时间内大于散热，导致电机温度过高，而影响电机绝缘寿命的保护措施。它保护的时间范围是电机运行期间，采取的措施是根据预设的温度极限发出报警信号或停机信号。措施的实施是被动的、消极的，一般与电机的其他保护，如电流速断、过电压、低电压、过负荷、差动等一起实施，这是电机继电保护或微保（微机保护或称综保—综合保护）的范围[2]。

矿用电机温度变化率控制技术的研究，是为防止电机的温度骤变（骤升或骤降）而引起电机的组成材料间因各种材料膨胀系数的不同而出现空隙应力的保护措施，实施保护的时间是在电机停机后到下一次开机前的时间段。采取的方法是通过测量预埋在电机定子内部的传感器传出的温度信号，以环境温度为参照，对电机在停机后、开机前期间的温度变化及变化率趋势，自动启动预埋在电机定子里的电加热器，使电机在此期间的温度变化趋缓，以最大限度地使各种材料因温度缓慢变化而消除膨胀系数不同带来的应力。具体控制原理图如图1：

图1 温度控制原理图

其中温度给定是一个专家系统，是经严格测算和根据国家标准得出的温度随时间变化的曲线。

当电机停机时，首先由电机定子温度传感器测出电机定子温度，另有环境温度传感器测出环境温度，传输给计算机作为输入信号，计算机会自动计算电机温度下降速率。若在某一时刻，电机温度不和给定温度曲线相符，当温度下降速率快于温度给定下降曲线速率时，系统会自动启动电加热器，使电机温度回到正常下降速率上来，系统采用温度闭环控制系统，以实现准确控制，精细管理。当温度下降速率慢于温度给定下降曲线速率时，系统会自动停止电加热器，使电机按照自然冷却比温度给定曲线更适宜的环境温度降温，以达到对电机实施温度保护的目的。

当电机准备开机时，只要人工将计划开机时间设定好，系统会自动按照设定时间去严格按升温曲线逐渐升温，以防止电机在启动前从一个很低的温度启动，然后很快达到一个很高的温度的现象发生，这种情况也会导致温度变化过快，系统会根据环境温度和开机的时间，自动将电机温度升高到一个合理的水平，以防止启动后短时间内升温过快[3]。

2 矿用电机温度变化率控制装置工作原理

2.1 温度控制原理

电机绕组内信号来自于电机定子绕组内的热电阻，变送出-20℃～100℃对应于4 mA～20 mA或1 V～5 V的信号[3]。系统以环境温度为第二采集信号，两个温度信号经A/D转换后，由微机对此信号进行专家系统逻辑判断，判断结果由微机输出控制双向可控硅接通预埋在电机定子内的电加热器，对电机实施可控的温度的变化作为反馈信号，原理图如图2所示。

图2 温度工作原理框图

当电机停机时首先是漏电闭锁部分进行工作，对负载侧进行漏电检测，若漏电闭锁，否则允许系统启动，继电器的常闭点连接在可控硅的控制回路。通过PWM调制控制部分去调节电流控制部分，随时调节电机加热元件的温度，使电机温升按照预定的温度曲线降至环境温度。

2.2 绝缘检测原理

绝缘结构是电机的重要组成部分，电机的绝缘结构是匝间绝缘、层间绝缘、对地绝缘、外包绝缘、铁芯绝缘、填充绝缘、衬垫绝缘及换向器绝缘。

电机通电后，绝缘结构上就承受了工作电压，绝缘结构性能优劣直接影响到电机的安全性、可靠性和使用寿命。在电机运行过程中，定子绕组要受到电、热、机械、化学等多种因素的联合作用，绝缘性能要逐步劣化。在绝缘老化严重的情况下，会引起电机的绝缘故障。这就决定了对电机进行绝缘状况诊断，是评估电机特别是大型电机绝缘系统非常重要的手段。

利用C8051F单片机组成的系统采用“V-A”法进行测量，其原理结构图如图3、图4所示。

图3 绝缘检测原理框图

图4 高、低压切换原理图

2.3 技术参数

矿用电机温度变化率控制应用技术装置应用示意图如图5。

图5 矿用电机温度变化率控制装置应用示意图

（1）工作电源

设备电源：主路电源根据加热器所需电源外配；

控制电源：127 V、220 V、660 V均可；

（2）功耗

控制功耗：小于30 W，工作方式采用一控一；

（3）监测温度范围：-5℃～130℃；

（4）控制电机参数：电压等级6 kV，功率大于1 800 kW；

（5）控制电机电加热器参数：

电压127 V、220 V、380 V，功率1 kW，控制方式一控一；

（6）外形尺寸：595×412×872 mm。

2.4 温度控制装置的使用说明和显示

系统接通电源，会首先出现如图6画面，

图6 开机画面

接着进入循环显示状态，如图7“R01”代表该设备A项绝缘阻值，图8显示该设备B、C项的绝缘阻值，循环显示绝缘阻值和相关定子温度值。

图7 电机状态检测

图8 电机状态检测

随后进入循环显示界面，循环显示控制电机相关参数，如图9。

图9 电机显示界面

3 应用效果

3.1 工业性试验

晋能控股煤业集团有限公司同忻矿水泵房担负着整个矿井的排水任务，是整个煤矿的核心管理地方，对动力部分电动机的使用状况进行实时检测意义重大。尤其是对其在待机状态进行检测和保护，使其能随时处于完好待工作状态，是系统的关键所在。

本装置首次现场试验于2019年08月08日至2019年11月15日在该矿水泵房进行工业性试验。

经过90多天的现场试验，该装置各项功能工作正常，详细测试结果如下：

（1）实时显示功能：试验期间，液晶屏实时显示各种相关数据，末出现故障现象；

（2）数据传送方式：485口通讯正常；

（3）绝缘测试功能：数据测试结果准确；

（4）数据采集方式：利用电机内部预埋的热电阻测量电机内部温度，采集数据准确；

（5）电机停机时能实现自动投入，使加热器在PWM脉冲作用下，控制电机温度变化。

矿用电机温度变化率控制技术装置系统性能稳定、可靠，安装、使用方便，推广应用后，获得了显著的经济和社会效益。

3.2 经济效益

该装置的应用给水泵房设备维护班组节约下了三名定岗人员，免除了每二月的检修和二年一次的大修，每年节约直接成本近10万元，间接节约成本上千万元。

4 结束语

矿用电机温度变化率控制技术装置的应用，实现了矿用大型电机的自动绝缘检测，建立了基于模糊控制理论的矿用大型电机降温控制模型，开发了温度补偿监测控制系统，通过PWM调制技术，实现了矿用大型电机定子的温度变化率的合理控制。