防爆低速直聯(lián)永磁同步電機(jī)在礦井帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用

龐 飛 欒海隆

（1.晉煤集團(tuán)金鼎公司，山西 晉城048006；2.常州西電帕威爾電氣有限公司，江蘇 常州213017）

0 引言

在現(xiàn)代化的煤炭生產(chǎn)中，皮帶輸送機(jī)作為煤炭的主要運(yùn)輸工具，其傳輸能力在很大程度上決定了煤炭企業(yè)的生產(chǎn)能力。目前，煤礦用皮帶輸送機(jī)的設(shè)計(jì)輸送量高的可以達(dá)到6 000～7 000t／h，有的工況需求配備數(shù)量達(dá)20多臺甚至幾十臺，全長達(dá)十幾公里，最長的皮帶輸送機(jī)單臺長幾公里。每臺皮帶輸送機(jī)通常包含2～3臺電機(jī)，通過變速裝置、驅(qū)動滾筒來驅(qū)動。皮帶機(jī)運(yùn)行方式為電機(jī)按順序延時(shí)啟動后一起運(yùn)轉(zhuǎn)。由于電機(jī)容量均按最大負(fù)載考慮，正常工作負(fù)載較少達(dá)到額定載荷，且設(shè)備存在備料空載或輕載等狀態(tài)，造成相當(dāng)一部分電量白白損耗。因此，采用新型的永磁同步變頻驅(qū)動系統(tǒng)，以達(dá)到減少電能損耗的目的，是煤礦運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展趨勢。此外，皮帶驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性對煤炭產(chǎn)量也有重要影響。

1 傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)的問題

目前，傳統(tǒng)的帶式輸送驅(qū)動系統(tǒng)采用異步電機(jī)＋液力耦合器或者CST組合、異步電機(jī)＋變頻器等驅(qū)動方式。異步電機(jī)＋液力耦合器或者CST組合方式工作較為穩(wěn)定，但效率較低、耗能嚴(yán)重，由于啟動電流很大，不僅會對電網(wǎng)電壓造成沖擊，而且會影響電機(jī)的使用壽命。此外，在運(yùn)行過程中存在維護(hù)費(fèi)用高、占地空間大、噪音污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)。異步電機(jī)＋變頻器的驅(qū)動方式散熱困難、控制復(fù)雜，電機(jī)與驅(qū)動滾筒直聯(lián)驅(qū)動時(shí)，無法在低轉(zhuǎn)速下輸出高扭矩，重載啟動困難，導(dǎo)致必須使用減速器增大扭矩。在2～3臺電機(jī)驅(qū)動同一條皮帶時(shí)，功率平衡和轉(zhuǎn)速同步問題不好解決。

2 永磁同步變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)的研制

2.1 永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)

永磁同步電機(jī)是利用定子的三相交流電流和永磁轉(zhuǎn)子的磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩來帶動電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的。當(dāng)定子電流頻率固定時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也是固定的，并且與該頻率成正比：

式中，n為同步轉(zhuǎn)速（r／min）；f為定子電流頻率（Hz）；pn為永磁同步電機(jī)極對數(shù)（對）。

以晉煤集團(tuán)趙莊礦帶式輸送機(jī)傳動系統(tǒng)為例，按照1.4m皮帶機(jī)的運(yùn)行速度為3.5m／s，同時(shí)考慮到1.4m皮帶機(jī)的滾筒直徑，計(jì)算出滾筒轉(zhuǎn)速為67r／min。因此，與其直聯(lián)的永磁同步電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為67r／min，根據(jù)上面公式和變頻器的輸出電流頻率17Hz，計(jì)算出滿足帶式輸送機(jī)傳動系統(tǒng)需要的直聯(lián)式永磁同步電機(jī)，極對數(shù)需要設(shè)計(jì)為16對。

2.2 變頻驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采用理論分析、計(jì)算機(jī)仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，深入分析直聯(lián)式永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的特點(diǎn)，研究PI控制基本理論，設(shè)計(jì)適用于該系統(tǒng)的控制算法，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，進(jìn)一步找出影響系統(tǒng)運(yùn)行的因素，并進(jìn)行逐步改進(jìn)，達(dá)到仿真狀態(tài)下的最優(yōu)性能，進(jìn)而進(jìn)行樣機(jī)研制與調(diào)試。圖1為整個永磁電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)控制原理圖。

圖1 控制原理圖

2.3 永磁電機(jī)的散熱、防爆設(shè)計(jì)

直聯(lián)式永磁電機(jī)的散熱問題較為重要，該設(shè)計(jì)直接影響著電機(jī)的功率輸出性能，該散熱裝置采用套筒方式，套筒內(nèi)布置曲型水道，使用高壓膠管引入礦井的供水水源進(jìn)行散熱。套筒、水道的設(shè)計(jì)一方面要承受煤礦井下供水水源大約3MPa的水壓，另一方面要將電機(jī)發(fā)出的熱量迅速帶走，再者要考慮到滿足產(chǎn)品的防爆要求。

2.4 變頻器的散熱、防爆設(shè)計(jì)

為了滿足防爆要求，按照GB3836.1－4—2010的相關(guān)規(guī)定，對變頻器的殼體進(jìn)行了防爆設(shè)計(jì)，防爆設(shè)計(jì)主要保證主門、左右接線腔、上下后門的防爆要求，同時(shí)還對觀察窗和按鈕進(jìn)行了防爆設(shè)計(jì)，保證了觀察窗的防爆性能。散熱方面，采用內(nèi)循環(huán)水冷系統(tǒng)與外循環(huán)水路通過熱交換器散發(fā)熱量，可以有效解決腔體內(nèi)部結(jié)露問題，避免環(huán)境潮濕導(dǎo)致變頻器的IGBT擊穿，同時(shí)，對變頻器的散熱效率有很大的提升，使得變頻器可以高效運(yùn)行。圖2為變頻器水路系統(tǒng)示意圖。

2.5 整個系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

變頻設(shè)備的電磁兼容性包含2個方面，一方面檢測系統(tǒng)是否符合EMC國家標(biāo)準(zhǔn)，不至成為干擾源，另一方面檢測系統(tǒng)是否能經(jīng)受外部干擾，在惡劣的外部環(huán)境下長時(shí)間地穩(wěn)定運(yùn)行。本項(xiàng)目是從以下幾方面實(shí)施的：（1）減輕甚至消除干擾源，這主要是針對變頻器自身而言，采用優(yōu)化的算法可在一定程度上減小器件開關(guān)動作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾；（2）切斷干擾信號的傳播路徑，采取屏蔽、接地、搭接、濾波、隔離、對線路合理編制排放的方法將干擾信號的傳播路徑盡可能地切斷；（3）硬件設(shè)計(jì)的抗干擾性能提升，這在制板之初就需要周詳?shù)乜紤]其抗干擾性能，保護(hù)關(guān)鍵芯片，在強(qiáng)脈沖群干擾的情況下也能提供有效的泄放回路，以使硬件正常運(yùn)行。

圖2 變頻器水路系統(tǒng)示意圖

3 永磁變頻驅(qū)動裝置在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用

該永磁變頻驅(qū)動裝置正在晉煤集團(tuán)趙莊礦5307工作面進(jìn)行工業(yè)性實(shí)驗(yàn)，皮帶長度約1 200m，處于1.5°下坡位置，由3臺電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動，系統(tǒng)框圖如圖3所示。電機(jī)設(shè)計(jì)為直接驅(qū)動皮帶滾筒的方案，皮帶機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速為66.5r／min，啟動過載為3倍額定轉(zhuǎn)矩，持續(xù)時(shí)間不超過1min，聯(lián)軸器采用漲套結(jié)構(gòu)。至今為止，已穩(wěn)定運(yùn)行10個月，期間未出現(xiàn)任何故障。

4 永磁變頻驅(qū)動裝置的節(jié)能效果分析

現(xiàn)在，礦井皮帶輸送量、運(yùn)輸距離和驅(qū)動裝置的功率迅猛增加。本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的皮帶驅(qū)動系統(tǒng)，功率因數(shù)幾乎為1，效率大于0.9，較之傳統(tǒng)皮帶驅(qū)動系統(tǒng)的電氣性能有極大改善。以煤礦井下每條皮帶驅(qū)動系統(tǒng)裝機(jī)容量1 000kW為例，若按日運(yùn)行18h、年運(yùn)行350日計(jì)，每年可節(jié)約電量146.79萬kW·h。輸送帶既是承載構(gòu)件又是牽引構(gòu)件，依靠帶條與滾筒之間的摩擦力平穩(wěn)地進(jìn)行驅(qū)動。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從電網(wǎng)側(cè)吸收的能量只有約20%左右用于貨物的傳送，效率極其低下。該皮帶驅(qū)動系統(tǒng)，簡化了機(jī)械裝置，使其運(yùn)行效率在90%以上，節(jié)能效果極為可觀。

圖3 400kW皮帶機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)框圖

5 結(jié)語

直聯(lián)式永磁同步電機(jī)及變頻驅(qū)動系統(tǒng)很好地克服了傳統(tǒng)皮帶驅(qū)動系統(tǒng)的缺點(diǎn)，具有使用性能佳、安全性好、低轉(zhuǎn)速時(shí)輸出扭矩大、控制可靠、散熱性能好、維護(hù)簡便甚至可以做到免維護(hù)、占地空間小、對環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)，是帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的理想方案。

［1］鞏劍波.變頻調(diào)速永磁電機(jī)在皮帶運(yùn)輸上的運(yùn)用［J］.山西焦煤科技，2011（12）