同步永磁電子電機在貯柜中的應用

文/吳 濤 遲大有 劉 玉 阿 梅 陳玉鵬

貯柜是卷煙廠生產線上的主要貯存設備，如圖1。貯柜主要用于貯存物料，通過多種配方原料在同一空間的存儲，對不同種類的物料進行預混、使物料混合均勻，可以達到將不同物料配方進行比例混合的工藝目的；還可用于對物料進行醇化、料液的吸收、物料水份的平衡等等；通過對物料的存儲調節和平衡整線生產，達到工藝要求。

煙草行業現有的貯柜類設備的輸送鏈帶均有載荷大、運行速度慢的特性，由于普通變頻技術調速范圍1:5左右，為滿足工藝要求,為獲得合適的運行速度,輸送鏈帶驅動源通常由普通異步電機和大速比（1000～10000）減速箱組成。大速比的結構會導致電機側感知負載的能力反比例縮小，發生故障時電機的電流過載保護仍不會啟動，致使造成主動軸扭斷、貯柜整體變形倒塌等重大事故。針對這個問題，我們提出使用一種新型同步永磁電子電機和小速比減速機組合來替代原輸送鏈帶驅動源，利用新型同步永磁電子電機的恒扭矩超寬調速范圍和高過載能力特性，使輸出扭矩變化可精確反映為電流變化值，并進行電流過載保護跟蹤控制，達到保護設備的目的。

一、現有貯柜輸送鏈帶驅動應用分析

以云南煙草設備有限公司中型貯柜為實例，計算分析在空載和負載情況下驅動貯柜輸送鏈帶（如圖2）的異步電機輸出扭矩變化對應的電流變化。由于計算目的是為了分析負載變化導致的電流變化量，在負載計算過程中忽略了物料與壁板的摩擦力及耙料軸阻力。所選的貯柜及減速電機規格參數如表1和表2。

1.空載計算

F1—鏈條最大靜態張力（kN）

L1—100mm

L2—輸送鏈帶中心距23230mm

V—鏈條速度0.436m/min

m—輸送裝置的重量201.5kg/m

圖1：貯柜結構示意圖

圖2：貯柜輸送鏈帶示意圖

表1：所選貯柜規格參數

表2：所選減速電機規格參數

表3：兩種驅動系統規格參數

表4：測試結果

圖3：貯柜底帶計算簡圖

f1—鏈條與導軌間的摩擦系數0.08

g—重力加速度9.8m/s

W—最大輸送物料流量5 t/h

M—每米物料重量[散裝物料：M=(1000/60)×W/V=191.1kg/m]

空載時鏈條最大靜態張力計算：0+3.91=7.58(kN)

空載時減速箱輸出扭矩計算：

空載時電機輸出扭矩計算：

空載時電機工作電流計算：

2.負載計算

負載時鏈條最大靜態張力計算：

負載時，減速箱輸出扭矩計算：

負載時，電機輸出扭矩計算：

負載時，電機工作電流計算：

3.計算結果分析

通過計算發現由于選用大速比減速機，貯柜由空載到滿柜負載運行時電機工作電流僅增加了0.139(A)。滿柜負載工作電流0.442(A)遠低于電機額定電流40%（0.728A）,普通異步電機空載電流即達到額定電流的40%～60%，由于普通異步電機電流力矩特性（如圖4）意味著電機輸出扭矩在電機額定扭矩60%以下變化時，無法通過電流反映出實際輸出扭矩，因此運行過程中一旦出現堵料，異物阻卡等，電機的電流過載保護不會啟動，若發現不及時，造成主動軸扭斷、貯柜整體變形倒塌等重大事故。

若生產線工藝發生改變時，外置變頻器的調速范圍1:5經常不能滿足設備工藝需求。為節省設備改制成本，通常首選方案是改變傳動鏈輪的大小，來獲取輸出轉速的改變。但盡管如此，也時常不能滿足在線工藝要求的速度。

二、同步永磁電子電機的特點及在輸送鏈帶驅動中的應用

1.同步永磁電子電機的特性

（1）恒扭矩寬調速范圍1:2000。

（2）超寬調速范圍和高過載能力相結合。

（3）基于永磁材料設計的電機，通過電流控制對力矩控制的能力和精度較傳統電機大幅提升。

2.應用方案

如圖5，采用同步永磁電子電機的貯柜輸送鏈帶驅動。同步永磁電子減速電機5啟動后通過傳動鏈輪4驅動貯柜輸送鏈帶運行，通過連接帶有的集成網絡控制模塊及調速裝置1的外部設備,監控同步永磁電子電機5的工作電流與轉速，此時的電流值為設備正常運行時電流，在此電流值基礎上設置一個保護電流值(工作電流值的1.5倍左右)并加以延時（延時的目的是為屏蔽設備啟動瞬間電流值超過設置的保護電流值而造成電機控制系統切斷電流，貯柜停機現象。）

由于同步永磁電子電機電流與力矩變化特性（如圖6），當貯柜運行過程中發生堵料、輸送鏈帶卡滯現象時，減速機3輸出扭矩瞬間加大，輸出扭矩的變化通過一級減速機3后，仍有至少大于20%的作用力反饋到同步永磁電子電機5上，致使同步永磁電子電機5電流急劇加大，當輸出電流增大至突破保護電流值時，電機控制系統切斷電流，貯柜停機，達到保護設備的目的。根據步永磁電子電機5恒扭矩寬調速范圍的特性，可以設置減速機3輸出轉速來滿生產線的工藝要求。

三、樣機實驗

1.實驗目的

本次試驗通過選用SEW公司新型超高效DRC電機，來驗證由同步永磁電子電機組成的貯柜輸送鏈帶驅動系統對貯柜的保護功能。

圖4：普通異步電機電流力矩特性圖

圖5：同步永磁電子電機的貯柜輸送鏈帶驅動

圖6：同步永磁電子電機電流力矩特性圖

2.實驗對象

川渝中煙工業公司四川公司什邡分廠制絲車間6#貯葉柜。

3.實驗過程

（1）拆除制絲車間6#貯葉柜的驅動系統后直接更換新的DRC電機驅動系統。兩種驅動系統型號、規格、參數，如表3。

（2）通過來自控制柜的開關量啟動信號對DRC電機進行啟停控制，速度通過DRC電機上自帶的調速電位計進行直接設定。

（3）測試貯柜空載和負載兩種情況，根據實際的工作電流值來設置過載保護電流值，為屏蔽設備啟動瞬間電流值超過設置的保護電流值而造成電機控制系統切斷電流設置5S延時,測試結果如表4。

4.實驗結論

（1）由于采用小速比減速機貯柜由空載到滿柜負載運行時電機工作電流變化了0.9(A)，變化量達到電機額定電流27%，扭矩變化更精確反映為電流變化。

（2）由同步永磁電子電機組成的貯柜輸送鏈帶驅動系統當輸出電流增大至突破報警電流值時，電機控制系統切斷電流，貯柜停機，達到保護設備的目的。

四、結語

由同步永磁電子電機組成的貯柜輸送鏈帶驅動系統電流對轉矩控制更加精確可靠，可根據實際需要設值相應的過載保護電流值，在生產過程中，一旦出現堵料等異常情況導致扭矩變化時可精確反映為電流變化值，當電機工作電流值超過過載保護電流值時，能及時斷電停機，實現保護設備的目的。同步永磁電子電機具有恒扭矩寬調速范圍的特性，大幅降低了貯柜輸送鏈帶驅動系統速比，同一驅動系統能滿足不同的生產工藝要求，有效減少驅動設備種類。