矿山长皮带机频繁烧电动机原因分析

王岳刚

（山西煤炭进出口集团洪洞恒兴煤业有限公司，山西 洪洞 041600）

1 案例简介

某水泥公司矿山与厂区的距离为5.2km，为了保证运输效率，降低运输成本，该公司兴建了一条皮带机输送系统。该系统建成后该公司的生产效率得到了大幅度的提升，但是却接连出现了2台拖动电动机电缆被击穿的事故，在经过工厂工程师论证后，决定采用高压电缆来对先前的电缆进行替换，替换后电缆不再被击穿，但却连续烧毁4台电动机，严重降低了工厂的生产效率，给该公司的经济效益带来了很大的影响。

2 皮带机工作情况

2.1 皮带机的拖动方案

该皮带机由3台690V／400kW 变频电动机拖动，下向运行，小时输送能力900t，每天运行14h，可供山下工厂两条生产线整天的需求。该皮带机电动机配置为山下1台，山上2台，而且每台电动机均由ABB公司电压源型中的ACS800系列变频器进行控制，变频器的直流母线则通过制动斩波器来与制动电阻进行连接。

2.2 皮带机运行状态的分析

该矿山皮带机与水平面形成了一定角度，运行状况为下向运行，根据力学原理现进行力学分析。物料被投放到皮带上后将会产生一个与摩擦力f方向相反的力F（此力为重力在沿皮带机水平方向上的分力），可以分析出当物料种重量持续增加时，F必将增大，当F增大至大于皮带摩擦力时，电动机则不再对物料提供与皮带机运行方向相同的牵引力，而是与f共同作用抵耗F，此时电动机必须提供制动力，防止飞车事故的发生。为此该厂决定采用变频器对电动机进行控制，当喂料量一定时，皮带上的总物料量与皮带的运行速度成反比，这样就可以对飞车事故进行控制［1］。

2.3 工况描述

下山皮带的实际长度比较长，存在启动缓慢的问题，该厂采取了变频器的软启动功能。进行启动模式后，山下的电动机关停，只由山上的两台电动机进行拖动。当皮带机启动后，因为板喂机一直在进行喂料，所以整条皮带上的物料量不断增加，当F与f相等时，此时电动机不再输出力矩，电动机产生的电流逐渐增大，产生的能量经由变频器的逆变器传至变频器的直流母线，在接收了能量后直流母线电压升高，当达到阀值（阀值设定为25%）时，斩波器进行工作，将能量消耗与在制动电阻上，若变频器出现紧急故障，山下的那台电动机就会开始运转，进行制动力矩的补充。

3 故障分析

由于电动机事故频发，该厂工程师联合ABB工程师与电机厂的技术人员对皮带机的运行状态进行检查评估，工程师们应用示波器对皮带机系统情况进行检查后发现变频器输出波形正常，不存在问题，但电动机的定子接线端的波形却失真严重，电压波峰与波谷最大差值竟达2 460V。由于烧毁的几台电动机的故障情况（均为电动机线圈无电流过热痕迹，除烧毁外其他部分线圈均未发现问题，而且烧毁处均为线圈曲率半径较小处）基本一致，再结合此情况，判断电动机烧毁的原因为高压击穿线圈绝缘造成的匝间短路［2］。因为变频器采用的是TGBT逆变技术，所以尖峰脉冲电压不可避免，此电压会对电动机线圈的绝缘层进行冲击，由于电荷累积会在线圈曲率半径较小处造成局部放电，破坏绝缘进而造成匝间短路，见图1。

图1 电动机线圈烧毁处

4 变频传动对电动机绝缘的要求

改皮带机上的电动机的供电电压为690V，当此电动机处于电动状态时，端子上的最大尖峰电压约为1 862V（690×1.35×2＝1 862V，1.35为三相桥整流系数，2是电动机与电缆的特性阻抗不同，引起的波反射和叠加的倍数）。所以当斩波器工作时，直流电压已超过阀值（25%），回路电压将会升高，其效果相当于电源电压升高了25%，也就是说对于690V 等级的变频器，电动机的常性耐电电压必须要在2 134 V（1 862 V×1.2＝2 134V）以上。该厂并未对此种因素进行分析处理，所以才会导致电动机频繁烧毁的事故发生。

5 解决办法及选择

由以上的分析可以发现，此问题的解决方式无外乎降低尖峰冲击电压或者提高电动机的电压耐受能力两种解决方法。根据这两种解决方法，可以确定如下几个方案。

1）方案一。对电动机的绝缘进行检查，确保其能承受住2 235V 电压的冲击，对不符合条件的绝缘进行更换。

2）方案二。可以通过加装专门的输出电抗器用斩波器将高次的波头斩掉，从而抑制高次谐波脉冲。

3）方案三。经深入分析可知，当传动单元处于制动模式时电动机端子上的电压高，增大了绝缘层被破坏的可能性。所以，尽可能地使电动机处于电动状态将会保障电动机的寿命。在满足生产条件的前提下，保证电动机的稳定运行，尽可能地减少负荷的累积，以此来降低感应电压突然激增的可能性。具体操作可以采取加大皮带机的转速，控制喂料量的措施，通过加快转速可以减少带上的物料量，再通过调节板喂机上的变频器达到控制物料量的目的，确保皮带机的速度处于可控范围之内［3］。

4）方案四。建议将现今皮带机系统中的变频器更换为ACS800－17系列产品，该系列产品能够反馈电能，并且可以四象限运行，反馈的电能电压也可调节，减轻电动机的绝缘压力。四象限运行的变频器采用了IBGT 模块，可与逆变器对称，可支持电动机四象限运行，电能可在电网端和负载端之间自由“流动”［4］。

6 采取的解决方案

1）案例公司采取方案。经过审慎的考虑，该公司决定采用上述方案中的方案三。通过控制喂料量、皮带机转速使电动机长时间处于电动状态后，该公司的电动机再也没有出现烧毁问题。但是采取方案三后，由于喂料量减少，皮带机的输送能力降低为620t／h，大大降低了输送效率，即使皮带机24h 连续工作也满足不了工厂对矿料的需求，该公司不得不降调低了生产目标，而且长期处于电动状态还会消耗大量的电能，导致该公司损失了一定的经济利益。

2）推荐方案。从长远来看方案四无疑是最具经济价值的方案，在方案四中，现用的普通变频器被换为可四象限运行的ACS800—17系列变频器，先前被制动电阻消耗的电能就可以反馈到电网中，这些电能可工厂自用，有效地降低了工厂的运行成本。再对方案三与方案四进行比较，方案三采用后，板喂机变频器设定为14 Hz，该状态下电动机正好处于电动状态，此时的电动机电流处约为98A，这样可计算每台电动机每天消耗电能为：（732×690×98／1 000）×24＝1 187kW·h。而采用方案四时板喂机喂料量为900t／h，电动机工作14h即可满足工厂的生产需求，电动机处于发电状态时电流约为280 A，每台电动机每天发电量为：（1.732×690×280／1 000）×14＝4 685kW·h，该方案相较于方案三每天共为工厂节省2×（1 187＋4 685）＝11 744kW·h，无疑方案四更具经济价值。

7 结语

新建矿山项目的设备采购安装要注重符合实际情况，既要保证生产的安全运行也要尽可能节能增效，皮带机的电动机控制建议选用四象限运行的变频器，虽然投资更大，但长远来看所带来的效益定会“物超所值”。

［1］刘运光.大型皮带机电动机振动诊断与分析［J］.水泥，2009（2）：36.

［2］张善姝，马翠红.矿山长皮带机频繁烧电动机原因分析及解决办法［J］.水泥，2010（4）：61－63.

［3］王越.港口皮带机传输系统节能技术研究［J］.中国高新技术企业，2015（12）：107－108.

［4］房晓平.皮带机控制电路的改进［J］.电世界，2013，54（4）：8.