高壓永磁電機(jī)及遠(yuǎn)程變頻智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用

趙 亮

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交030205）

引言

煤礦井下機(jī)械比如刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)及采掘設(shè)備等，都要求低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由大功率異步電機(jī)、減速器、液力耦合器等組成，造成傳動(dòng)系統(tǒng)效率低，設(shè)備維護(hù)繁瑣。而永磁電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)使用“永磁直驅(qū)變頻電動(dòng)機(jī)”替代傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，減少了減速器、液力耦合器等設(shè)備，直接驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，使傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，提高了機(jī)械效率，降低能耗，系統(tǒng)可靠性增強(qiáng)[1]。

1 永磁直驅(qū)變頻電機(jī)基本原理

永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)與三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)基本相同，只是將異步機(jī)定子的三相對(duì)稱繞組用汝鐵硼永磁體（常用的N35SH、N38UH）替代，依靠定子線圈在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子上永磁體的相互作用，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。根據(jù)負(fù)載的額定轉(zhuǎn)速來(lái)確定電機(jī)的級(jí)對(duì)數(shù)，通過(guò)控制變頻器的磁通矢量來(lái)控制永磁直驅(qū)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)永磁直驅(qū)電機(jī)低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩特性，利用這個(gè)特性來(lái)取代傳統(tǒng)中間機(jī)械的傳動(dòng)作用，提高機(jī)械傳動(dòng)效率、消除轉(zhuǎn)差損耗、減小啟動(dòng)電流，起到節(jié)能降耗的效果。

2 永磁電機(jī)與異步電機(jī)的特性曲線對(duì)比（見(jiàn)圖1）

圖1 特性曲線對(duì)比

從圖1可知，永磁直驅(qū)電機(jī)具備以下優(yōu)點(diǎn)：

1）高效節(jié)能。用永磁體取代傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子線圈，無(wú)轉(zhuǎn)差損耗，一般異步電機(jī)能耗為國(guó)際IE1級(jí)（相當(dāng)于國(guó)家三級(jí)能耗），永磁電機(jī)能耗達(dá)到國(guó)際IE4（高于國(guó)家一級(jí)能耗標(biāo)準(zhǔn)），永磁電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)較傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)效率提升達(dá)15%～25%。

2）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)。異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩通常是額定轉(zhuǎn)矩的55%，而永磁直驅(qū)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的220%，在同等條件下降低了電機(jī)功率，提高了啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩[2-3]。

3）啟動(dòng)電流小，避免對(duì)電網(wǎng)沖擊。永磁直驅(qū)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩較異步電機(jī)大，在同等負(fù)載所需啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩條件下，永磁直驅(qū)電機(jī)的啟動(dòng)電流要遠(yuǎn)小于異步電機(jī)。同時(shí)運(yùn)用磁通矢量控制技術(shù)（SVC）和閉環(huán)矢量控制技術(shù)（FVC）對(duì)電機(jī)進(jìn)行變頻啟動(dòng)，避免電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)和傳動(dòng)機(jī)械造成沖擊，提高了供電系統(tǒng)的安全性，減少機(jī)械故障。

3 高壓永磁直驅(qū)電機(jī)在國(guó)內(nèi)外煤礦井下的運(yùn)用現(xiàn)況及發(fā)展趨勢(shì)

目前國(guó)內(nèi)煤礦井下所使用的永磁直驅(qū)電機(jī)電壓均為660 V或1 140 V供電系統(tǒng)，主要原因?yàn)橐环矫媸芫聴l件限制，低壓供電相較高壓供電安全性較高，對(duì)設(shè)備的絕緣要求較低；另一方面采用變頻啟動(dòng)方式，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟的防爆高壓變頻裝置，限制了高壓永磁電機(jī)在煤礦井下的推廣應(yīng)用。

國(guó)外煤礦井下同類設(shè)備多采用高壓供電系統(tǒng)，高壓供電相較低壓供電有非常明顯的優(yōu)勢(shì)：一方面使設(shè)備電流大大降低，電能損耗少，提高了供電效率；另一方面使設(shè)備的選型及井下供電系統(tǒng)與地面保護(hù)的匹配更加合理，提高了供電系統(tǒng)的可靠性。

故今后隨著井下供電控制系統(tǒng)新裝備與新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，井下電氣設(shè)備的高壓供電將是井下供電的發(fā)展趨勢(shì)，高壓永磁變頻直驅(qū)系統(tǒng)將更廣泛應(yīng)用于煤礦井下機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)中。

4 高壓永磁直驅(qū)電機(jī)應(yīng)用于運(yùn)輸機(jī)項(xiàng)目研究

以馬蘭礦南八、南九膠帶輸送機(jī)（參數(shù)見(jiàn)表1）為例，馬蘭礦南八、南九膠帶運(yùn)輸機(jī)設(shè)計(jì)輸送長(zhǎng)度為4 050 m，按原設(shè)計(jì)要求應(yīng)采用3×800 kW的防爆異步電機(jī)，由于電機(jī)功率大，若采用1 140 V供電系統(tǒng)，三臺(tái)電機(jī)的啟動(dòng)電流將遠(yuǎn)超過(guò)開(kāi)關(guān)和電纜的額定電流，給供電設(shè)備及電纜的選型帶來(lái)困難，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)的壓降影響非常明顯。

表1 帶式輸送機(jī)參數(shù)

4.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)井下低壓系統(tǒng)大功率電機(jī)啟動(dòng)電流大、供電設(shè)備選型困難、對(duì)電網(wǎng)影響大的問(wèn)題，采取切實(shí)可行的方案提高供電電壓、降低電機(jī)電流，同時(shí)采用遠(yuǎn)距離高壓變頻控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻啟動(dòng)，減少對(duì)電網(wǎng)沖擊。

4.1.1 防爆高壓永磁直驅(qū)電機(jī)的選型（見(jiàn)表2）

表2 電機(jī)選型計(jì)算

根據(jù)電動(dòng)機(jī)額定扭矩大于等于負(fù)載設(shè)備驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩原則（電機(jī)轉(zhuǎn)矩富裕系數(shù)取1.1），則電動(dòng)機(jī)總額定轉(zhuǎn)矩為31 649 N·m。根據(jù)電動(dòng)機(jī)性能，可選用3臺(tái)額定轉(zhuǎn)矩為109 391 N·m的礦用隔爆型永磁同步變頻電動(dòng)機(jī)，電機(jī)功率為630 kW，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為47 r/min。

4.1.2 礦用隔爆型永磁同步變頻電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)（見(jiàn)表3）

表3 礦用隔爆型永磁同步變頻電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)

4.1.3 遠(yuǎn)距離控制高壓變頻器的選型

由于目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟的高壓防爆變頻器產(chǎn)品，無(wú)法實(shí)現(xiàn)變頻器的井下就近控制，所以選擇將高壓變頻器安裝在地面機(jī)房，變頻器安裝位置距離井下帶式輸送機(jī)永磁電機(jī)的距離為2 500 m。按上述要求，選用產(chǎn)品性能成熟可靠的西門子完美無(wú)諧波高壓變頻器G180系列1 000 kVA遠(yuǎn)距離高壓變頻器（具體參數(shù)見(jiàn)表4），來(lái)滿足帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)及運(yùn)行要求。變頻器采用最新的drop control功能，配合PLC控制系統(tǒng)，確保多臺(tái)變頻間的功率平衡、速度同步，完美實(shí)現(xiàn)時(shí)間、速度、力矩、綜合控制。

表4 西門子遠(yuǎn)距離變頻器性能參數(shù)

4.2 解決方案與關(guān)鍵技術(shù)

通過(guò)對(duì)高壓永磁直驅(qū)電機(jī)及高壓變頻器的選型，確定井下帶式輸送機(jī)的供電及控制系統(tǒng)方案如下。帶式輸送機(jī)供電及控制系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖2。

圖2 帶式輸送機(jī)供電及控制系統(tǒng)框圖

1）電機(jī)采用防爆永磁直驅(qū)電機(jī)替代傳統(tǒng)的防爆異步電機(jī)。即用3×630 kW、6 kV高壓永磁直驅(qū)電機(jī)，來(lái)取代3×800 kW的防爆異步電機(jī)，能較好地解決帶式輸送機(jī)低轉(zhuǎn)速下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩問(wèn)題，在所需的同等轉(zhuǎn)矩下，永磁直驅(qū)電機(jī)的所需功率要小于異步電機(jī)，不但可以省去減速器這個(gè)中間設(shè)備，提高輸出效率，同時(shí)降低了電機(jī)功率，節(jié)能效果顯著。這也是國(guó)內(nèi)首次將大功率高壓永磁直驅(qū)電機(jī)應(yīng)用于煤礦井下生產(chǎn)，為今后高壓電機(jī)在煤礦井下的使用提供了參考依據(jù)。

2）采用遠(yuǎn)距離高壓變頻控制系統(tǒng)。變頻器安裝在地面機(jī)房，6 kV供電系統(tǒng)由地面直供井下的防爆永磁直驅(qū)電機(jī)，通過(guò)遠(yuǎn)距離（2 500 m）控制電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行，這樣就解決了高壓防爆變頻器的選型問(wèn)題。這也是國(guó)內(nèi)首次將地面高壓變頻控制通過(guò)遠(yuǎn)距離直供井下電機(jī)，這也為井下大功率電機(jī)的控制，提出了一種新思路。

4.3 方案優(yōu)勢(shì)

1）與防爆異步電機(jī)相比，防爆永磁直驅(qū)電機(jī)單臺(tái)電機(jī)功率減少了170 kW，共降低電機(jī)功率3×170 kW=510 kW，節(jié)能效果明顯。

2）將主要控制電氣設(shè)備安裝在地面，設(shè)備無(wú)需防爆及“MA”標(biāo)識(shí)，同時(shí)電氣設(shè)備的安全性及可靠性比井下設(shè)備高，減少了電氣設(shè)備失爆現(xiàn)象。

3）由于變頻器、高開(kāi)柜等供電設(shè)備安裝在地面機(jī)房，便于設(shè)備的檢修和維護(hù)，在故障狀態(tài)下能及時(shí)處理和恢復(fù)膠帶機(jī)運(yùn)行，減少事故影響時(shí)間。

4）不需要在井下單獨(dú)開(kāi)拓電氣設(shè)備硐室，節(jié)約基建工程成本。

5 結(jié)論

1）采用防爆永磁直驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提高機(jī)械傳動(dòng)效率（見(jiàn)表5）。

表5 系統(tǒng)傳動(dòng)效率對(duì)比

2）采用防爆永磁直驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，降低了輸入功率，減少了電能損耗，同時(shí)簡(jiǎn)化了傳動(dòng)系統(tǒng)，減少了維護(hù)費(fèi)用，具體見(jiàn)表6。利用變頻遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，能輕松實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的智能化集中控制，減少井下運(yùn)行人員，達(dá)到減人提效的目的。

表6 系統(tǒng)能耗對(duì)比