井下大功率电机温度精细控制系统的研究与应用

赵致礼

皮带输送机、采掘机、风机等设备电机都属于煤矿井下大功率电机，这些大功率电机决定着井下的生产效率，是煤矿生产中重要的生产设备。由于煤矿井下工作环境复杂，引起电机运行不稳定，启停频率高，温度变化快，从而造成内部绝缘水平下降，缩短了电机的使用寿命。因此，本文研究的井下大功率电机温度精细控制系统，实现了实时监控电机温度以及绝缘电阻值的变化，为井下大功率电机的安全运行提供了保障。

1 系统结构

通过对传感器技术、嵌入式技术、信息处理技术、无线通讯技术等一系列先进技术进行研究，设计出通用的软硬件体系。结合矿井实际情况，设计了矿用大型电机温升损害防治系统的结构，系统采用热电阻温度传感器采集电机温度，通过网络传输至电机温度控制板上，由计算机分析判断采集的温度变化速率，根据变化的大小确定是否启动加热器。再利用总线传输数据给地面监控系统，实时监测电机温度，绝缘电阻值。

系统通过光纤电缆实现地面系统与井下温度控制系统的通信和传输（图1）。

图1 系统结构

2 温度保护系统控制原理

理想状态的温度保护是指精准地控制温度的变化，在电机停机后和启动前使电机温度的变化适度，即温度按正常温度变化的曲线规律而变化。只要电机定子里预埋有温度传感器和电加热器，无论直流还是交流、同步还是异步电机，都是可保护的对象。

系统的具体控制原理见图2：

图2 温控原理

2.1 系统具体温控操作

电机停机时，首先由电机定子和环境中的温度传感器分别测出电机定子温度和周围环境温度，传输给计算机，计算机计算出电机温度下降速率。若在某一时刻，当温度下降过快时，系统启动电加热器，降低电机温度下降速率，当温度下降过慢，系统停止电加热器，提高电机温度下降速率，如此，电机温度的升降得到合理有效控制。

温控系统会根据周围环境温度和电机开机时间（提前设置），自动将电机温度在适当的时间段内升高到一个合理温度。

该装置以电机定子绕组内预埋的热电阻（Pt100），作为温度传感器来采集电机内部温度信号，电机定子绕组内预埋需要热电偶（每相2个一备一用）。温度传感器是利用一进两出的变送器变送出-20℃～100℃对应于4 mA～20 mA或1 V～5 V的信号[1]。

系统以环境温度作为第二温度采集信号，两个温度信号经A∕D转换后，输入计算机进行逻辑分析，分析结果通过输出控制双向可控硅控制预埋在电机定子内的电加热器，适时控制电加热器的启停来控制电机温度变化（反馈信号），见如图3所示。

图3 温控系统工作原理

2.2 电子部分组成和作用

红外接收部分：接收红外遥控器发出的控制信号，通过CPU设置相关数据；

环境温度采集部分（温度传感器）：采集电机工况温度；

通讯部分：传送数据到显示器；

电流控制部分（触发器、隔离器和电阻等）：控制加热器工作状态；

显示部分（与中央控制器连接）:显示电机控制器的工作状态以及绝缘情况；

时钟芯片部分（与中央控制器连接）:提供基准时钟；

中央控制部分（Atmega系列芯片）:精细控制电机温度；

PWM调制控制部分(输入接中央控制器，输出接电流控制):控制加热器的工作。

设置部分：系统设置；

信息采集转化部分（输入接电机内的测温度传感器，输出连接CPU的A∕D转换）：进行模数转换；

漏电闭锁部分：系统投入前对电机负载侧进行漏电检测。

3 绝缘检测的原理

电机绝缘结构的性能直接影响着电机的正常运行。绝缘结构的性能好坏直接决定能否将带电的部分与不带电的部分或带不同电位的部分相互隔离，使电流能够按照固定的路径流动。

电机通电后，绝缘结构上就承受了电机的工作电压，绝缘结构性能直接影响电机的安全性和可靠性，适时检测绝缘电阻意义重大。用兆欧表测量不同温度下的电阻值，并把不同温度下测量的电机绕组绝缘电阻值换算到规定温度下的绝缘电阻值，可以看出绝缘电阻是否符合标准。除此之外，还可利用C8051F单片机组成的系统采用“伏—安”法进行测量，其原理结构图如图4所示。

图4 “伏—安”法测量原理

由于电机额定电压不同，由微控制器通过数值的比较通过继电器RL5、RL6的切换来实现不同等级的额定电压电机的绝缘测量（见图7）。其中R8、R9为高精密的兆欧表，电容C是导线对地分布电容，电机内的绝缘电阻与施加于绝缘结构的直流电压（工作电压）成正比，与合成电流（Ir）成反比。其中合成电流（Ir）又是四个电流的和：表面泄漏电流（IL）、几何电容电流（IC）、电导电流（IG）和吸收电流（IA），绝缘试验中各种电流的等效电路见图5;各种电流随时间变化曲线见图6。

图5 绝缘电阻测试直流电流的等效电路

几何电容电流(IC)一般不影响测量（电路导通瞬间，电容电流为0）。吸收电流(IA)，电流与时间的关系如式（1），

式中,K为特定绝缘系统和所施加试验电压的系数（定值）;t为电机工作时间;n为特定绝缘系统的系数（由绝缘材料决定）。

图6 电流与时间变化曲线

对于绝缘材料来说,吸收电流越小，绝缘电阻越高,但不能说明这种绝缘材料绝缘性能好（聚乙烯）。在干燥环境中，电导电流(IG)在整体性较好的绝缘系统中IG几乎为零。表面泄漏电流IL恒定。如果表面泄漏电流越大,表明绝缘电阻值越低，阻断电流性能越差。

R10相当电机的绝缘电阻，采集电压经过放大电路进入微控制器的模拟输入端（图7）。

图7 绝缘电阻采集等效电路

电机正常运行时，液晶屏上循环显示12个电阻值和6个温度值。同时液晶屏下右侧的LED闪烁。

报警电路在电机温度超范围或者绝缘电阻不符合标准要求时产生报警信号，提醒工作人员温度升高的原因以及及时检查电机的绝缘性能。

4 应用情况

本系统主要应用在同煤集团同忻矿水泵房，该水泵房担负着整个矿井的排水任务，对系统中的动力部分电动机的使用状况进行实施检测意义重大。

通过智能控制器提供一套精细的管理方法和手段去控制电机的温度，通过实时监测电机的绝缘电阻值来确定电机的绝缘状况，从而提高电机的绝缘水平，延长电机的使用寿命。为水泵电机的正常安全运行提供了技术性保障。

(1)节约维修费用和人力成本

本系统的应用给维护班组节约下了3名定岗人员，免除了每2月的检修和2年一次的大修，每年节约直接成本近10万元，间接节约成本千万元。

(2)显著提高系统可靠性

本系统的成功应用，可在停机状态下在线监测绝缘阻值，杜绝动力系统的绝缘故障，可使井下潮湿地方的动力电机做到随时启停，显著提高系统可靠性。除了在水泵房应用外，还能用于井下皮带运输机、风机、采掘机等大型机械设备。