一种新型采煤机与铠装工作面输送机电机的在线工况监测系统.pdf

4 竿 钐 经 面 夕 彩 确送 釉 工 r复 统 一 种新型采煤机与铠装工作面输送机 1 g 1 堍 电机的在线工况监测系统 [ 英] D． K． M 等 础 反 差 基于对称分量滤波器的运算放大器 通过测量为采煤工作面机械如采煤机和铠装工作面输送机 A F c 提供的线路电流的 对称分量， 可以得到系统电气不平衡有关特性的信息。如果相序分量能连续测量并且观 测其在不同运行状态下的波形． 则可对这一同题进行更探入的研究。关于设计正、 负和零 序滤波器的原理概述如下。 工作面电力驱动器 采煤机／ A F C 的三相线路电流可由下面的对称分量来表述 ] I- 1 1 1 ] y o o ] { 』 Y I l I Ⅱ d l I 。 1 { L J B j L 1 口 4 J l 』 2 J 式中． I nI ”1 日 为线路电流， I I 。 和I | 2 分别为电流的零序分量、 正序分量和负序分 量， 算子a 1 2 0 。 ， a 2 4 0 ’ 。 根据工作面机械的故障性质， 不同的相序分量将显示出来。例如， 在机器平衡或正常 运转时， 电流的负序和零序分量不存在， 而在驱动器不平衡运转时， 由于故障绕组不对称 或供电电压不平衡， 根据不平衡的严重程度， 负序分量将会出现 同样， 电机绕组或电缆 网漏电时， 将会出现负序分量。因此， 通过判断电流的相序分量， 我们可l } f 监测工作面机 器的运行状态 一 次全通滤波器的变换函数形式为 具有这一特性的电路被称为全通滤渡器。这 一 滤波器即使在额率变化时， 不用改变信号强度， 也可用于获得准确的相位移。图l 表示一个典型 的 1 2 0 全通滤波器。选取适当的 R 、 C值， 输入信 号的 1 2 0 ’ 相位移就可精确测得 对于文中考虑 图1典型的1 2 0 ’ 全通滤波 器 的情况， R值取 1 8 千欧， C 值取 0 ． 1 微法。如果将两个这样的滤渡电路串联后． 就可以得 到 2 4 0 。 的相位移。 2 4 ]，， ， 一 维普资讯 图7表示能提取工作面电力驱动装置线路电流的正序、 负序和零序分量的实用电路 电路中用j 个相同的计算机输入问答器将线路电流转换成比例电 压， 因而各种相序滤波 器的输出都是电压． 问答器提供了极好的线性电流／ 电压转换方式 设 备 系 统 工作面电力驱动器的工况监测试验室模拟通过接人一个 1 I K W、 4 1 8 V 、 5 0 H z 的三相 滑环式感应电机进行。将上述计算机精入问答器接入， 监测已按比例转换成电压的线路 电流。基于相序滤波器的运算放大器有效地滤出了线路电流中的正、 负和零序分量， 从而 在显示板上显示出机器状态。显示板能显示出下列状态 系统正常； 不平衡定子阻抗； 不平衡转子阻抗； 接地鼍电； 接地故障； 单相接入； 高阻相间故障。 为了研究所开发的仪器系统的有效性， 对被测试的感应电机在上述故障／ 工况下进行 了试验室模拟。详细结果概述如下 正常状态的感应电机 待测的1 I K W、 4 1 8 V 、 5 0 H z 的3 相滑环式感应电机在不同载荷条件下正常运转， 在驱 动器正常运转期间． 负序电流滤波器和零序电流滤波器的输出实际上为 0 。在驱动器的 不同载荷条件下， 随着负荷的增大， 正序电流滤波器的输出增大。显然， 从相序电压表的 读数可以看出， 驱动器处于正常状态。通过逻辑处理器， 显示板上相应地显示出电机的正 常状态。 不平衡定子阻抗的感应电机 由于机器制造缺陷、 接触器其中之一的高接触电阻以及电机相绕组中的匝闯故障。 定 子相位中的不平衡阻抗就可能出现 如果不按时捡测． 它最终可能发展成重大故障。此 外． 这些原因也会在驱动器中产生负序电流， 引起定子绕组过热。对于工作面电机如采煤 机和 A F C ， 由此会带来严重后果。不平衡定于阻抗已在试验室用一系列低阻值对 R相进 行了模拟 图2 ． 模拟研究过程中， 与负序滤波器 v 相连的电压表显示出中值读数， 雨 正序滤波器的电压表 v 显示出满值偏转． 零序滤波器的电压表读数 V 。 实际上为 0 。 逻辑处理器检测到低 V l ， 中值 V 2 和零值 v 0 ， 因而机器状态监测器中显示出电机不平衡 状态。但它不能区分是定子还是转子失衡． 所以定子和转子两者的工况都显示出来。 不平衡转子阻抗 在实际条件下， 由于感应电机转于线棒或端环的细小裂障也可能导致上述情况出现。 为模拟这一状态， 待测的滑环式感应电机的转子电路定为低值的高电流电阻 图3 。在 这条件下， V 出现满偏转， V 2 为中值读数． 与零序滤波器连接的电压表 读数为0 ， 表明 没有接地漏电现象。这里也难以区分定子和转于的不平衡， 需要对这两种类型的故障作 进一步分析。 25 维普资讯 图 3 犋拟不平衡转子阻抗 接地漏电 工作面机器中常常出现的绝缘故障往往是由于相绕组和地面之间的绝缘等级退化所 致。最初轻微漏电的早期故障后来可能会演变成严重的接地故障。这一状态已通过在供 电电源的 R相和地面之间接入一个高电阻进行了模拟。在这种条件下， 零序电流很小 ， 因而 的读数很小， 电压表 V o 的偏转极小表明存在早期的接地故障或者是相位与地面 之间存在高电阻。正序电压表V 有很高的值， 而负序电压表 v 2 在电机满负荷条件下读 数仍很小。 仪器系统测得的对称分量的有数性还不足以探测高阻接地故障或驱动器中绝缘等级 的退化。但是， 我们发现， 三次 谐渡分析对检测这些状态很有效。随着系统绝缘的不断遇 维普资讯 化， 有较小的初期电流流过． 这种电流中谐渡极为丰富。绝缘退化也引起绝缘材料的化学 变化， 产生具有较大的非线性电阻的物质． 这些物质也产生谐渡。三次谐渡的强度与基渡 比较构成了检测电力驱动器高阻接地故障的基础。然而， 由于发电机脉动、 电源整流器等 原因． 在正常情况下也会出现一定量的三次谐波含量． 但这一谐渡含量都处于基渡的一定 范围内， 供电电压中谐波会引起电机发热和无线电干扰。几次测试表明 谐波古量在鲍缘 退化、 初期接地故障情况下会显著增长。傅里叶分析方法清楚地表明 由于绝缘退化等引 起的零序滤渡器输出的失真波形中只有奇次谐波， 由于五次和更高次谐渡的影响不大， 因 此可忽略不计。 圉4 表示为检测电机绕组中很低的漏电状况而开发的谐波比较电路框图。零序滤波 器的输出同时馈入 5 0 H z 和 1 5 0 H z 的带通滤波器， 从而有效分离为基波和三次谐波分量。 三次谐波与基波分量的比例用适当的电子处理电路测量。在电机绝缘没有出现退化的情 况下， 零序滤波器的输出波形近似为正弦波． 因而不会有三次谐渡分量。在电机绝缘弱化 或高阻接地故障的情况下． 绝缘电阻的非线性在零序撼渡器的辖出中产生了很大的三次 谐波分量。通过比较三次谐波与基渡信号的强度。 可有效磺测电机定子绕组的退化状态。 圈4 用于检测高阻接地故障的谐波比较电路框图 在模拟试验室条件下进行的试验获得了令人鼓舞的结果。 当 v 0 值很小， V 1 和 存在时 表示极低的接地漏电状况 ． 并入整个工况监测设备 系绕的谐波比较电路由逻辑处理器控制闭合。当漏电电流超过某一预置极限时， 高阻接 地故障由机器状态显示器显示出来。当零序滤渡器的输出较高时． 谐渡比较电路不工作。 零序滤波器输出较强的信号表示接地漏电电流较大或者是严重的接地故障状态 因而这 种条件下不需要进行谐波分析。 接地故障 为模拟这种情况， 我们用一个电阻来产生接地故障， 并使接地故障电流限制在5 A以 2 7 维普资讯 内。电阻连接到电机绕组的 R相和地面之间， 逸时零序电压表读数 v 。 达到其最大值， 表 明接地故障存在。 ． 单相接人 单相接入现象在工作面机械中并不罕见， 它可由于保险丝熔断或者是接触不良引起。 为在试验室模拟这种情况， 接入一台 l l K W、 4 1 8 V 、 5 0 H z 的三相滑环式感应电机． 使其在 额定速率和负载下运行， 然后断开 R耜产生单相接入条件 图 5 。在这种情况下， 达 到满电压值， V 】 为正常读数， V 0 不产生偏转， 根据 V 2 的大小可 断定是否出现单相接入 现象。值得一提的是， 电机单相接入是三相感应电机最严重的失衡形式， 因此， 负序电压 表有最大读数。这时， 机器状态监测器通过逻辑处理器显示出状态3 图7 。 图5 单相接人条件下感应电机定子接线模拟 图6 定子绕组中高阻相间故障模拟 维普资讯 高阻相问故障 工作面机器的相间故障通常是由于各相之问的高阻故障引起的。为模拟这一情况， 在相绕组R与Y之间接入一高阻值电阻 图6 此时， 电压表V 2 偏转较小， V D 实际上为 O 。 而V 接近其正常值。结果类似于不平衡定子／ 转子阻抗。因此， 机器状态监测器将显 示状态 4 、 6 、 7 图 7 。 圈 7 基于工况监铡系统的对稀分量撼渡器和谐波比较电路 结 论 基于工作面电力驱动装置的对称分量滤波器和谐波比较电路对模拟故障状态极为有 效。这一方法是非损害性的方法， 它能提供在几种模拟故障状态下电力驱动装置的可靠 信息。设备系统的灵敏度取决于故障性质， 出现高阻相间故障时灵敏度最低。通过用电 子逻辑处理器电路处理负序滤渡器的输出数据， 以上提到的几种机器状态都可显示出来． 以便在任何时候都能评价工作面电力驱动装置的状态。工况监测设备系统为本安型 张深基译自 Mi n in g T e c h n o lo g y ， V o 1 ． 7 8 1 9 9 6 ， N o ． 8 9 3 ，9 ～1 3 。 2 9 ／ 维普资讯