永磁直驅變頻裝置在皮帶運輸機中的應用

喬愛鳳

(山西榆次北山煤業有限公司技術科，山西 晉中 030619)

現階段我國煤礦井下廣泛使用的隔爆型異步電動機啟動轉矩小，功率因數低，電能損耗大，運行中綜合效率低而且極易燒毀，造成能源的嚴重浪費。為了提高電動機的質量和效率，使電動機高效節能運行，山西榆次北山煤業公司在主斜井皮帶運輸系統中采用礦用隔爆型永磁直驅變頻裝置取代原有的異步電動機驅動系統，運行一年來，大大降低了噪音，明顯提高了啟動轉矩，實現了平穩啟動，減少了維護量和電耗，節約了成本，為無齒永磁同步變頻直驅系統在煤礦井下皮帶輸送機驅動系統塑造了一個成功范例，筆者預測用無齒永磁同步變頻驅動裝置取代傳統異步電動機驅動裝置必將成為一種趨勢。

1 異步電動機傳動系統概述

北山煤業公司主斜井使用DTL100/20型帶式輸送機一部，輸送長度為500 m、帶寬為1 000 mm，輸送傾角為16°，最大帶速為2 m/s。采用YBK315M1－4型異步電動機2臺，轉速為1 480 r/min，功率為132 kW，通過耦合器、制動器、減速器、低速軸聯軸器與皮帶滾筒相連接，異步電動機驅動系統示意圖見圖1。此系統于2009年7月安裝，截止2012年5月運行兩年中存在以下問題:

1)由于綜采、綜掘的應用，產能的增加，工作面的煤不能及時運出坑外。

2)液力耦合器和減速器常出現軸承損壞、液體滲漏、齒輪磨損等故障，維護工作量大。

3)由于重載啟動，皮帶被拉伸而損壞的現象時有發生，必須使用強度高一級的皮帶，從而增加了成本。

異步電動機驅動系統示意圖見圖1。

圖1 異步電動機驅動系統示意圖

2 永磁直驅變頻調速裝置概述

永磁直驅變頻調速裝置包括皮帶機及與皮帶機滾筒連接的驅動裝置，即由ZJT－400/660型礦用隔爆兼本質安全型變頻器、TBD－630X－32YC稀土低頻永磁三相同步電動機、DSJ100/20皮帶運輸機滾筒組成，見圖2。該裝置的核心部件是稀土永磁同步電動機(PMSM)，克服了三相異步電動機綜合效率低、易燒毀的缺點。該裝置充分發揮了永磁同步電動機的自身特點和變頻器的調速功能，實現了對皮帶輸送機的無齒永磁同步變頻驅動。

圖2 永磁同步電機變頻驅動系統示意圖

3 永磁直驅變頻調速裝置的應用效果

永磁直驅變頻調速裝置在北山煤業公司運行一年來，在技術、經濟上都收到了良好的效果。

3.1 節省了皮帶輸送機機頭的安裝空間

永磁直驅變頻裝置以變頻器和無齒永磁同步電動機取代了原驅動裝置中的異步電動機、耦合器、制動器、減速器、低速軸聯軸器，大大減少了設備的投入，簡化了系統。總寬度較原驅動系統增加了200 mm，總長度減少了1 500 mm左右，在空間上給井下皮帶機的安裝帶來了很大的方便。

3.2 皮帶機啟動平穩，實現了軟啟動

皮帶不論在靜止狀態還是在運行狀態下都儲存有大量勢能，為了將皮帶內部所貯存的能量慢慢地釋放出來，使皮帶機在啟動時產生較小的張力，皮帶機的啟動必須采用軟啟動方式。

變頻器根據負載情況的變化，隨時調整輸出頻率，能夠從0開始緩慢啟動，使啟動過程平滑穩定，沒有機械沖擊。同時由于TBD－630X－32YC低頻永磁三相同步電動機為32極數，經實測最高可獲得2.8倍額定轉矩，完全可以直接驅動皮帶機的傳動滾筒。因此，永磁直驅變頻調速裝置完全實現了皮帶機的平穩啟動，減少了機械沖擊，降低了皮帶強度要求。

3.3 降低了設備的維護量，實現了重載啟動

由于采用直接驅動方式，省去了對液力耦合器、減速器和齒輪等的維護，系統壽命的決定因素僅為變頻器電子元件的壽命，同時實現了軟啟動，啟動過程中對機械基本無沖擊，也大大減少了皮帶機系統機械部分的檢修量。

在異步電動機驅動系統中，啟動時最大輸出50%的額定轉矩(見圖3)，而電流則高達額定電流的4～7倍，極易使電機內部機械應力和熱應力發生較大變化，因此，在重載啟動中燒毀電動機的現象時有發生。

圖3 異步電動機的啟動特性示意圖

相比之下，永磁直驅變頻裝置具有良好的啟動特性(見圖4)，在啟動時可以輸出2倍的額定轉矩，電流從0開始增加，利用自身的調速功能實現皮帶機的緩慢啟動，對設備機械部分基本無沖擊，從而實現重載啟動。

圖4 永磁同步電動機的啟動特性示意圖

3.4 變頻器的主從接線方式實現了功率平衡

在異步電動機驅動系統中，兩臺電機驅動兩個滾筒，由于電源的電壓波動、電動機參數隨環境濕度和溫度改變的差異，引起電動機轉速的不同步，進而導致功率不平衡。

在永磁變頻直驅系統中，兩套直驅變頻裝置分別與皮帶機的主動滾筒1和主動滾筒2相連接，變頻器接線采用主從控制接線方式(見圖5)，實現了皮帶機多電機驅動時的功率平衡和同步運行。

圖5 變頻器主從接線圖

3.5 提高了皮帶輸送系統的效率

在異步電動機驅動系統中，啟動不平穩，重載啟動困難，直接影響著驅動系統的整體效率，理想狀態僅為94%，實際運行效率在80%以下(見圖6)。

圖6 效率對比特性曲線圖

由圖6可知，在永磁直驅變頻系統中，電動機與滾筒直接連接，理想狀態系統總體效率為1，系統實際運行效率均在93%以上。

3.6 提高了皮帶輸送系統的功率因數

使用異步電動機驅動皮帶輸送機在工頻下運行時，絕大部分不是滿載運行，負載經常很小、甚至有時會出現空載的現象，但是電動機卻始終在滿電壓、滿速度的狀態下工作。由電動機的運行特性可知(見圖7)，異步電動機只有在接近滿載時功率因數才是最大的，輕載時定子電流有功分量很小，大部分為無功分量，功率因數很低，造成電能的在浪費。

而采用永磁同步電動機后，定子結構中加入稀土永磁體，無需勵磁電流，從電網吸收的能量幾乎全部為有功分量，在整個過程中的功率因數達0.93以上，大大節約了電能。

圖7 功率因素對比特性曲線圖

3.7 杜絕了“大馬拉小車”的現象

永磁直驅變頻裝置內置多機軟件功率平衡和智能切換功能，這樣機械結構更加簡單，而且通過軟件實現功率平衡，對電動機的保護更加可靠。當功率較小時，可單機運行或多機冗余切換運行，保證系統多機備用，根據皮帶上物料的多少實現閉環速度控制。當物料較少時，降低皮帶輸送機的轉速，避免“大馬拉小車”現象的發生，與未使用閉環系統相比較，可實現10%到60%的節能(由皮帶輸送機的工況點所決定，輕負載運行時，節能效果更明顯)，這樣既保證了設備長時間使用，又可實現空載情況時不運行，不但有利于設備保養，還可大大節省電能消耗。

4 永磁直驅變頻調速裝置的經濟分析

永磁直驅變頻調速裝置在北山煤業公司運行一年來產生了明顯的經濟效益，主要從皮帶機空載運行、半載運行和滿載運行三個方面加以比較分析，假定一年工作 300天，每天 20 h，每 kW/h電費為0.65元。

4.1 空載運行時經濟分析

當皮帶輸送機空載運行時，對315 kW永磁直驅變頻系統與同等功率的異步電動機驅動系統接入相同的電源電壓710 V，輸入功率相差10.93 kW，各項實測參數見表1。

4.2 半載運行時經濟分析

當皮帶輸送機半載運行時，對315 kW永磁直驅變頻系統與同等功率的異步電動機驅動系統接入相同的電源電壓710 V，輸入功率相差37.86 kW，各項實測參數見表2。

表1 永磁直驅變頻系統空載運行節能表

表2 315 kW永磁直驅變頻系統半載運行節能表

4.3 滿載運行時經濟分析

當皮帶輸送機滿載運行時，對315 kW永磁直驅變頻系統與同等功率的異步電動機驅動系統接入相同的電源電壓710 V，輸入功率相差84.63 kW，各項實測參數見表3。

通過以上分析可以看出，永磁直驅變頻裝置應用于煤礦井下皮帶輸送機系統，不但可以減少直接成本，而且可以大大減少間接運行費用，所帶來的經濟效益十分可觀。

表3 315 kW永磁直驅變頻系統滿載運行節省費用表

5 結論

北山煤業公司投入運行永磁直驅變頻調速裝置一年來，降低了噪音、大大減少了維護量，皮帶機啟動平穩，解決了多年來重載啟動的難題，結束了異步電動機驅動系統低速運行時“大馬拉小車”的狀態，節省了電能，節約了初期投資和運行費用，提高了經濟效益。因此，永磁直驅變頻調速裝置是煤礦井下皮帶運輸機驅動裝置中的最佳裝置。

［1］韓安榮.通用變頻器及其應用［M］.北京:機械工業出版社，2000:55－144，146－357.

［2］吳忠智，吳加林.變頻器手冊［M］.北京:機械工業出版社，2000:1 －7，68－130，275 －333.

［3］牛云鵬.中壓變頻器礦用膠帶輸送機中的應用［C］//第十七屆全國煤礦自動化學術年會、中國煤炭學會自動化專業委員會學術會議論文集，2007:168－170.

［4］董大仟.大型帶式輸送機動態特性研究及其應用［D］.華北電力大學(北京)博士論文，2008.

［5］張 敏.談變頻技術在皮帶運輸系統中的意義［J］.價值工程，2012(11):62－63.

［6］王寶恒，吳存良.永磁同步電機變頻驅動系統在膠帶輸送機上的應用［J］.自動化與儀器儀表，2012(05):82+86.

［7］羅 麒.現代電力電子技術與電力傳動技術在煤礦的應用［J］.機電產品市場，2007(03):34－35.

［8］張麗崢.無齒輪永磁同步變頻驅動系統在井下膠帶輸送機中的應用［J］.山西煤炭，2011(03):44－45.

［9］馮建通.邢臺礦皮帶運輸系統節能應用探討［J］.河北能源職業技術學院學報，2012(02):50－51.

［10］陳修虎.變頻器在礦井應用中的節能效果［J］.科技傳播，2011(16):153－154.

［11］馮阿濤，秦 建.變頻調速技術在礦用膠帶輸送機上的應用［J］.煤礦現代化，2008，87(06):68－69.

［12］黨永變.防爆變頻調速裝置在屯蘭礦帶式輸送機中的應用［J］.科技傳播，2010(24):238－247.

［13］張可程，郭福偉，劉 濤.變頻調速在煤礦運輸系統中的應用［J］.電機與控制應用，2008(12):39－56.

［14］彭發旺.高壓變頻器在600MW火電機組輸煤皮帶機上的應用［J］.變頻器世界，2012(06):94－96.

［15］葛錫東.變頻技術在煤礦皮帶機改造中的應用［J］.山東煤炭科技，2008(05):66－68.