永磁直驅方式在煤礦主斜井膠帶機改造中的應用

李山

摘要：介紹了目前煤礦主斜井膠帶機采用的CST軟啟動和“變頻器+減速機”驅動方式的優缺點。對近年來興起的膠帶機永磁直驅方式的特點和節能效果進行了分析，并提出了目前主斜井膠帶機進行永磁直驅方式改造時應注意的事項，對今后煤礦主斜井膠帶機永磁直驅方式改造具有良好的借鑒意義。

關鍵詞：永磁直驅方式;CST軟啟動;變頻器+減速機;主斜井膠帶機

0 引言

神東煤炭集團在我國率先建成了2億t礦井生產群，其所屬礦井多采用斜井平硐開拓方式。神東煤礦主斜井采用的連續運轉帶式輸送機是各礦井實現高產、高效生產的關鍵設備。在神東煤炭集團2005年之后建成投產的礦井中，主斜井膠帶機多采用2.3 kV或3.3 kV中壓變頻驅動方式，而2005年以前建成投產的礦井，其主斜井膠帶機仍采用CST軟啟動驅動方式。隨著輸送機使用年限的增長和過煤量的增加，其驅動裝置大部分接近使用壽命期限，零部件采購及設備維修困難，輸送機驅動裝置升級改造的壓力越來越大。

1 傳統的膠帶機驅動方式

1.1? ? CST軟啟動方式

CST軟啟動裝置由機械傳動系統、液壓系統、冷卻系統及電氣系統組成，結構復雜。裝置功率輸出端采用離合器控制，易實現多點驅動和功率平衡。其仍存在很多缺陷，包括維護工作量大，成本相對較高，液壓系統需用專用油，濾芯更換頻繁，連續運行時漏油、發熱現象嚴重，傳動效率低，故障率較高等，因此，目前該驅動方式基本上已經被“變頻器+減速機”驅動方式替代。

1.2? ? “變頻器+減速機”驅動方式

“變頻器+減速機”驅動方式具備實時調速功能，可按照皮帶機的S曲線實現軟啟動、軟制動。由于系統啟動電流小，在啟動過程中形成的輸送帶張力波動小，可降低對輸送帶強度的設計要求，且配套的變頻器更易實現低速驗帶功能。“變頻器+減速機”驅動方式的設備整體維護量相比于CST軟啟動方式大幅減小，但系統在減速機環節會損失部分效率，且減速機維護工作仍較煩瑣。

2 永磁直驅方式的特點

近年來興起的永磁直驅系統具有簡化傳動鏈、體積小、質量輕、效率高、可靠性高、響應快、轉矩慣量比高、功率密度大、啟動轉矩大、功率因數大以及節能等特點。交流異步電機作為一種節能電機，是目前最常用的電力拖動裝置。隨著永磁直驅系統被廣泛應用于多種工業領域，如發電、船舶、航空、航天、運輸等，永磁同步電機開始逐步取代最常用的交流異步電機。

隨著永磁電機技術的不斷發展，國內很多礦井已經在煤礦主斜井膠帶機中嘗試使用結構簡單的永磁直驅方式。

2.1? ? 結構相對簡單

將“變頻器+永磁同步電機”構成的軟啟動裝置，取代原有驅動裝置中的異步電機、耦合器、減速機、高速軸聯軸器，解決了傳統驅動裝置體積過于龐大的問題。該軟啟動裝置利用永磁同步電機低速、大扭矩的特性，與驅動滾筒直接相連，取消了高速聯軸器、減速機等機械傳動設備，減少了設備振動和噪聲來源，提高了傳動效率，解決了減速機維護率較高的問題。

2.2? ? 重載啟動平穩

帶式輸送機在輸煤過程中會出現帶被壓死、撕帶、跑偏等非正常停機現象，因此設計過程中，必須考慮設備的重載啟動能力。永磁同步電機直驅采用的是閉環矢量控制方式，其低頻運轉時，仍可輸出1.5～2倍的額定轉矩，保證了設備的重載啟動平穩。永磁同步電機可以使帶式輸送機啟動更加平穩，減少設備啟動過程中的機械沖擊，延長膠帶機系統的使用壽命。

2.3? ? 易于功率平衡

煤礦主斜井膠帶機系統一般為多機驅動，為了保證系統內多臺電機的功率（轉矩）平衡分配，可利用變頻器或PLC內部的PI調節器對防爆變頻調速裝置進行速度和轉矩控制，控制方式為基于速度調節的過程控制。變頻器的功率平衡模式針對同軸連接和彈性連接進行設計，減少了帶式輸送機啟動過程中的振蕩，提高了啟動的穩定性。

2.4? ? 良好的軟啟動、軟停止特性

帶式輸送機、提升機、刮板機等的大慣量、恒轉矩負載，要求設備應具備軟啟動、軟停止等功能。變頻器可根據礦井運行的實際情況，任意設置啟動、停止時間，具備啟動時的加速度和停車時的減速度可調功能。某輸送機軟啟動特性曲線如圖1所示。

同時，為了平穩啟動，變頻器還需要根據自身情況，設定帶式輸送機的S型加減速時間，將機械系統起停時產生的沖擊減至最小。

2.5? ? 具備低速驗帶功能

為了及時發現帶式輸送機運行過程中存在的安全隱患，煤礦主斜井膠帶機通常要求系統具備低速驗帶功能。變頻器設計選型時，需滿足以5%額定帶速長期運行的低速驗帶要求。

2.6? ? 節能效果良好

以采用660 V電壓等級、500 kW單電動機驅動的帶式輸送機為例，分析永磁直驅方式和“變頻器+減速機”驅動方式的節能效果對比情況，如表1所示，可以明顯看出永磁直驅方式省去了減速機效率傳動環節，節能效果明顯，節電率達到12%。

3 永磁直驅方式改造的注意事項

永磁直驅方式雖然具備很多優點，但煤礦主斜井膠帶機采用該方式進行改造時仍存在以下問題：

（1）永磁同步電機采用永磁體勵磁，且需要變頻器控制，因此造價偏高。

（2）永磁同步電機采用水冷結構，需要外置水冷卻器，比傳統異步電機的冷卻系統復雜。

（3）永磁同步電機需要配套變頻器使用，對變頻器依賴性較大，對于變頻器的穩定性要求較高。

（4）永磁同步電機極對數多，導致體積龐大，重量遠超普通異步電動機，在使用場所上受限較多，需要對現有建構筑物承載力進行分析。

4 結語

目前，神東煤炭集團所屬礦井膠帶機采用的CST軟啟動裝置以及“變頻器+減速機”驅動裝置已經接近使用壽命期限，亟需升級改造。膠帶機永磁直驅方式具有節能高效、結構簡單、維護量小等特點，相比于傳統的膠帶機驅動方式有著明顯優勢。隨著新一代永磁技術的發展，永磁同步電機的成本會逐步降低，永磁直驅方式將會在煤礦主運輸系統中得到普及，其推廣應用前景非常廣闊。

[參考文獻]

[1] 王旭強，王德龍.智能伺服永磁直驅技術在煤礦主斜井皮帶運輸機中的應用[J].山東煤炭科技，2017（12）：128-130.

[2] 吳晶.煤礦帶式輸送機永磁直驅系統的應用[J].煤礦機電，2017（2）：56-58.

[3] 董天文.永磁直驅系統在帶式輸送機中的應用[J].中國戰略新興產業（理論版），2019（5）：1-2.

[4] 趙建勇.永磁變頻電動機直驅帶式輸送機在煤礦井下的應用研究[J].內蒙古煤炭經濟，2018（24）：14-15.

[5] 田永超，楊曉敏.永磁同步變頻直驅系統在煤礦井下膠帶輸送機中的應用[J].能源與環保，2017（8）：186-189.