翻車機系統推車機采用永磁電機直驅技術研究

付興強

（天津國電津能濱海熱電有限公司，天津 300459）

隨著經濟的發展電廠、鋼廠對煤炭需求在較短的時期內大幅度增長，但是電廠、鋼廠使用傳統翻車機卸車方式能耗較大，所采用的變頻電機軟啟動方式不僅延緩啟動時間，降低卸車效率，而且電機、減速機、聯軸器的功率損耗增加，故障點較多，維修難度復雜。

采用永磁電機取代電機、減速機、聯軸器進行直接驅動，實現低速大扭矩，不僅減少能耗，無油污染環保，故采用永磁電機應用在翻車機系統的推車機上進行科技研發。

1 推車機工況介紹

推車機采用2臺55kW異步單機驅動；電機采用變頻電機；通過變頻器控制；推車機布置形式如圖1所示。

圖1 推車機圖

圖2 推車機運行電流曲線

實際工況運行情況分析：經過對內蒙某電廠翻車機現場進行調研，原現場采用2臺45kW常規電機驅動為例：推車能力為53節空車，現場運行電流曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，兩臺電機的電流匹配度不好，1#電機電流負載時明顯大于2#電機電流，雙驅功率不平衡，1#電機處于過載運行，而2#電機處于輕載運行，長期運行會影響1#電機的使用壽命。2#電機輕載運行，電機效率低，會造成電能的浪費。

對推車機運行工況進行分析，根據技術交流和采集的數據，根據負載曲線、實際運行工況進行匹配設計永磁同步電動機，基于永磁電機的優點和特點，采用一臺永磁同步電動機直接驅動推車機。通過分析運行電流曲線，電機的運行周期在200s，其中80s處于停止狀態，工作期間，電機大部分時間處于輕負載運行，總電流在42A，最大總過電流出現在推整列車時，達到225A。按照一定的安全裕量，按比例折算永磁電機的最大電流在200A。由于電機大部分時間都是停止和輕載，電機溫升完全滿足使用工況，因此永磁電機采用自然冷卻形式。利用永磁電機的高過載能力，用一臺永磁電機替換兩臺異步電機來驅動推車機，正常工況情況下不需要過載，遇車阻力增大或其他情況條件下，負載需要過載時依靠永磁電機的過載2．2倍能力來實現。

2 采用永磁電機的可行性及優點

根據推車機系統的需求特點和低速永磁直驅電動機的獨特性能設計的推車機用永磁直驅系統，是由低速永磁直驅電動機和變頻器組成，系統的優勢在于采用低速永磁直驅電動機取代了異步電機和減速機，直接與負載進行聯接，中間無齒輪箱連接，簡化了傳動鏈。通過變頻控制，可實現其轉速在10%～110%額定轉速之間無級變速，并且實現其在10%～120%額定負載范圍內高效穩定運行。

根據推車機系統的需求特點和低速永磁直驅電動機的獨特性能設計的推車機用永磁直驅系統，其核心是由低速永磁直驅電動機和變頻器組成。永磁直驅系統的優勢在于采用低速永磁直驅電動機取代了異步電機和減速機，直接與負載進行聯接，中間無齒輪箱連接，簡化了傳動鏈，具有高效節能、體積小、噪音低、安裝維護簡單、運行平穩的特點。通過變頻控制，可實現其轉速在10%～110%額定轉速之間無級變速，并且實現其在10%～120%額定負載范圍內高效穩定運行。

2.1 推車機永磁直驅電機技術參數（表1）

表1

2.2 永磁電機優點

（1）結構簡單，體積小、噪音低，振動小、運行平穩可靠。

（2）取消了減速機環節，無中間環節機械效率損失，安裝調試簡單。

（3）高效節能，電動機轉子為永磁體結構，運行無銅耗和鐵損，功率因數可達97%以上，運行效率達到95%。

（4）系統通過變頻控制實現無級調速，使電機在各種工況條件下穩定運行。

（5）起動轉矩大，運用變頻矢量控制技術，起動時對電網及機械性能無沖擊。

（6）由于永磁直驅系統不需要減速器，采用變頻軟起裝置，因此在實際應用中無需使用齒輪油，節約了使用成本，維護簡單方便。

（7）運行壽命長，現場穩定運行至少在20年以上。

永磁同步電機配套的變頻器是一款高性能電流矢量變頻器，對永磁同步電機具有良好的控制性能。變頻器采用矢量控制技術，在低速區具有能夠輸出大驅動轉矩的能力，具有良好的動態性能、超強的過載能力，支持多種通訊接口和PG卡，功能強大，性能穩定。

2.3 變頻器技術參數（表2）

表2

2.4 永磁電機尺寸外形圖(圖3)

圖3 永磁電機尺寸外形圖

3 應用實例說明

大連華銳重工集團將永磁電機直驅技術應用于寶鋼BOO項目推車機使用，采用選擇1臺60kW永磁電機滿足現場工況使用，推車機推送能力為25節空車，700t敞車重量，且最大過載倍數可達2．2倍，完全滿足現場實際使用工況。

永磁電機技術目前已應用于多個領域的成熟可靠的高科技技術，具有節能環保、維護量小的優點，已在煤礦下的皮帶機系統、電廠冷卻塔系統上使用。使用近4年，經用戶反映使用效果良好，技術成熟，節能降耗，減少維護量；根據工況和使用原理分析，在推車機上應用同樣可靠穩定。寶鋼本部煉鐵廠17SR堆取料機斗輪部分驅動預采用永磁電機進行提升升級。

4 節能效益

按照翻車機卸車系統推車機運行工況：翻車機系統每天有效運行4個小時，每年生產330天，原異步電機工作時間平均處于35%低負荷運行。由于異步電機工作在低負荷，雖然通過變頻器供電，但其效率要遠低于額定效率，其效率85%，永磁電機效率為93%。異步電機和永磁電機在不同負荷下，效率對比見下圖4。

圖4 永磁電機與異步電機效率隨負荷變化曲線對比

原驅動系統與智能永磁直驅系統的電能損耗費用對比如下表3。

表3

滿負荷工況下占系統的運行比例為20%，低負荷工況下占系統的運行比例為80%。

滿負荷工況電費計算：

異步驅動系統1年電費計算：

60×4×330×0．35/0．774×0．7=2．51 萬元。

智能永磁直驅系統1年電費計算：

60×4×330×0．35/0．911×0．7=2．13 萬元。

低負荷工況電費計算：

異步驅動系統1年電費計算：

60×4×330×0．35/0．547×0．7=3．54 萬元。

智能永磁直驅系統1年電費計算：

60×4×330×0．35/0．9×0．7=2．15 萬元。

智能永磁電機驅動系統1年電費節約：(2．51×0．2+3．54×0．8)-(2．13×0．2+2．15×0．8)=1．188 萬元。

每年設備運行可節約電費約1．188萬元、比例為15%；節約齒輪油費用約0．4萬元，并可減少維修停機時間和備件費用。

5 結語

綜上所述，通過在翻車機系統推車機中合理配置永磁電機，不僅能夠提高卸車系統的運行效率，而且對環保和能耗均進行大幅度降低，并提供了有力的保障，對提高電廠、鋼廠的經濟效益起著不可或缺的作用，節約資金。