永磁同步電動(dòng)滾筒在下運(yùn)式帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用

王海亮

(山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司高陽煤礦， 山西 孝義 032300)

0 引言

隨著煤礦“四化”建設(shè)的不斷要求，永磁同步電動(dòng)滾筒已應(yīng)用于煤礦井下帶式輸送機(jī)。本文重點(diǎn)介紹永磁同步電動(dòng)滾筒的工作原理及其在礦井下運(yùn)式帶式輸送機(jī)的應(yīng)用。

1 永磁同步電動(dòng)滾筒的工作原理

永磁同步電動(dòng)滾筒俗稱外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)，主要包括永磁同步電動(dòng)滾筒、智能同步變頻器及水冷裝置等[1]。它以磁場(chǎng)為媒介進(jìn)行電能和機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換，利用永磁體建立磁場(chǎng)，當(dāng)永磁電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組通入頻率為f的三相交流電后，將產(chǎn)生一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速推移的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)[2]。永磁同步電動(dòng)滾筒永磁體由稀土永磁材料釹鐵硼制成[3]，取代電勵(lì)磁，無勵(lì)磁損耗。轉(zhuǎn)子無繞組，無轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗，高性能的釹鐵硼稀土永磁材料具有很高的磁能積，它的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度、矯頑力較大，用較少的釹鐵硼永磁體便能產(chǎn)生足夠的電機(jī)磁能積。將外轉(zhuǎn)子表面作為驅(qū)動(dòng)滾筒表面，采用阻燃性、抗靜電性材料進(jìn)行包膠，直接與輸送帶接觸，依靠摩擦阻力帶動(dòng)輸送帶運(yùn)行。

2 永磁直驅(qū)系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)

1) 效率高，能耗低。采用的永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)效率達(dá)到國際IE4(高于國家一級(jí)能耗標(biāo)準(zhǔn))，與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比較，實(shí)現(xiàn)節(jié)電15%～20%，如圖1、圖2所示。

2) 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，重載起動(dòng)性能更卓越。永磁同步電動(dòng)機(jī)匹配智能同步變頻器能恒定輸出額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩2倍的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，徹底解決了重載起動(dòng)難的問題。異步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性如圖3、圖4所示。

圖1 效率對(duì)比曲線

圖2 功率因數(shù)對(duì)比曲線

圖3 異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性

圖4 永磁電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性

3) 系統(tǒng)免維護(hù)。電動(dòng)機(jī)采用直驅(qū)式結(jié)構(gòu)，去掉減速機(jī)、耦合器等中間環(huán)節(jié)，安裝方便，無需加油維護(hù)，減少大量巡檢工作量，節(jié)省人力、物力。

4) 調(diào)速性能優(yōu)越。實(shí)現(xiàn)由量定速，減小輸送帶磨損和設(shè)備損耗，低速變頻調(diào)速工況下節(jié)能效果更為明顯。

5) 功率平衡功能好。根據(jù)需要分配多機(jī)載荷，可避免單機(jī)過載造成的設(shè)備損壞等問題。

6) 通信功能豐富。支持多種通信接口的接入，可與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控。完善的保護(hù)功能，能實(shí)現(xiàn)對(duì)過壓、過流、欠壓等各種故障的保護(hù)，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 永磁直驅(qū)電動(dòng)滾筒的實(shí)際應(yīng)用

高陽煤礦二采區(qū)二部帶式輸送機(jī)全長(zhǎng)750 m，提升高度-43 m，要求運(yùn)輸能力達(dá)2 300 t/h。對(duì)礦用隔爆型永磁同步電動(dòng)滾筒與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行對(duì)比分析。礦用隔爆型永磁同步電動(dòng)滾筒應(yīng)用于煤礦帶式輸送機(jī)中，采用永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)替代傳統(tǒng)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置，取代了異步電動(dòng)機(jī)、減速器、液力偶合器和聯(lián)軸器[4]，這種直接驅(qū)動(dòng)的方式，可使傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、效率提高、噪聲降低、安裝方便，而且無需進(jìn)行日常維護(hù)、檢修，從而節(jié)省了大量的人力物力成本，有效提高了帶式輸送機(jī)運(yùn)行的可靠性和運(yùn)行效率。兩種驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比見表1。

表1 兩種驅(qū)動(dòng)方式參數(shù)對(duì)比

4 節(jié)能效益分析

永磁直驅(qū)電動(dòng)滾筒帶式輸送機(jī)軸功率103 kW，結(jié)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率，每天運(yùn)行時(shí)間20 h，每年按330 d計(jì)，每年耗電量為192/0.912×20×330=1 389 474 kW·h。

“異步電機(jī)+減速器+液壓聯(lián)軸節(jié)”帶式輸送機(jī)軸功率103 kW，結(jié)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率，每天運(yùn)行時(shí)間20 h，每年按330 d計(jì)，每年耗電量為192/0.700×20×330=1 810 286 kW·h。

電費(fèi)0.7元/(kW·h),永磁直驅(qū)電動(dòng)滾筒驅(qū)動(dòng)較“異步電機(jī)+減速機(jī)+液壓聯(lián)軸節(jié)”驅(qū)動(dòng)每年可節(jié)省電費(fèi)294 568元。

5 配套變頻器的選用

《煤礦安全規(guī)程》第三百七十四條規(guī)定：“采用滾筒驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸時(shí)，應(yīng)當(dāng)遵守下列規(guī)定：(五)傾斜井巷中使用的帶式輸送機(jī)，上運(yùn)時(shí)，必須裝設(shè)防逆轉(zhuǎn)裝置和制動(dòng)裝置；下運(yùn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)裝設(shè)軟制動(dòng)裝置且必須裝設(shè)防超速保護(hù)裝置”。由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)得知，該二采二部帶式輸送機(jī)為下運(yùn)帶式輸送機(jī)，應(yīng)當(dāng)裝設(shè)軟制動(dòng)裝置。其下運(yùn)行時(shí)，重力牽引電動(dòng)機(jī)發(fā)電，將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，必須選用四象限變頻器才能將電動(dòng)機(jī)的再生能量回饋給電網(wǎng)[5]，設(shè)計(jì)時(shí)選用具有回饋功能的四象限變頻器。而永磁電機(jī)選擇變頻器時(shí)以實(shí)際電機(jī)電流值作為變頻器選擇的依據(jù)，電動(dòng)機(jī)的額定功率作為參考。永磁電動(dòng)機(jī)變頻器必須為低轉(zhuǎn)速大扭矩矢量同步變頻器，具有開環(huán)矢量和閉環(huán)矢量控制。該變頻器在IGBT 模塊里集成續(xù)流二極管，這樣便可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，將電動(dòng)機(jī)被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電能運(yùn)輸?shù)诫娋W(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電氣軟制動(dòng)。

經(jīng)過設(shè)計(jì)選用BPB1-315/1140K型變頻器，額定功率315 kW，額定電壓1 140 V，冷卻方式為風(fēng)冷。與永磁同步電動(dòng)滾筒配套設(shè)計(jì)，具有恒轉(zhuǎn)矩輸出、大轉(zhuǎn)矩軟起動(dòng)的特性，具備過流、過壓、欠壓、短路、過載、缺相、永磁滾筒繞組過熱、瞬間斷電保護(hù)等保護(hù)功能，具有繞組溫度顯示和超溫停機(jī)保護(hù)的功能。帶式輸送機(jī)起動(dòng)時(shí)具有5 s的緩動(dòng)預(yù)警功能，空載時(shí)具有自動(dòng)降速的功能，以達(dá)到最佳的節(jié)能效果。控制和通信接口具有集中控制、就地控制、檢修等選擇按鈕，配置有RS-485通信接口，滿足了帶式輸送機(jī)綜合保護(hù)、無人值守等要求。

6 結(jié)論

永磁電動(dòng)滾筒在礦井下帶式輸送機(jī)中的使用，從短期利益看,節(jié)約了巷道施工成本，確保了作業(yè)安全；從長(zhǎng)期利益看，設(shè)備使用及維護(hù)成本低，僅用兩年的時(shí)間便可以將投資回收。特別是結(jié)合四象限變頻器的使用，實(shí)現(xiàn)下運(yùn)式帶式輸送機(jī)的軟制動(dòng)，解決了帶式輸送機(jī)可能發(fā)生飛車、埋機(jī)頭事故，變頻器永磁電動(dòng)滾筒在礦井將發(fā)揮著越來越重要的作用。