永磁直驅技術在港口帶式輸送系統中的應用

魏夢嬌，柳玉濤，高天佑

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引 言

20 世紀80 年代，為實現我國“西煤東運，北煤南運”的能源戰略方針，某港建設了煤炭出口泊位工程，至今已投產30 年，累計接卸煤炭超過9.6 億t，為我國經濟發展貢獻了重要力量。因當時永磁材料成本較高，永磁電動機僅應用于航空航天及其他高科技領域，直至1983 年，釹鐵硼（NdFeB）永磁材料誕生[1]，才使得永磁同步電動機逐漸應用于工業設備領域。2016 年4 月，此港的BM1 碼頭帶式輸送機，成為國內港口行業首例由傳統驅動形式技改為永磁直驅系統的實驗性技改工程。本文依據此工程的技改經驗，以及改造后的運營情況，通過對設備改造前后的實驗數據進行對比分析，研究永磁直驅技術在港口帶式輸送機系統中的實際應用情況。

1 永磁直驅技術簡介

永磁電動機以線圈為定子，永磁材料體為轉子，與傳統的三相異步電機相比，無需勵磁繞組和勵磁電源，采用永磁材料進行勵磁[2]，因此功率因數高，定子電流損耗低，并可通過設計電機極對數量，實現低轉速、大扭矩特性。永磁直驅系統由永磁電動機、變頻器與聯軸器構成，與傳統驅動系統相比，不需配置減速器、液力耦合器等中間機械傳動設備，提高了驅動傳動效率。永磁電動機經變頻技術對輸入電流進行調控后，輸出轉矩可依據負載的大小進行調節，能夠輕易實現驅動系統軟啟動，避免電機因啟動瞬時電流過大沖擊整個電網，同時避免瞬時轉矩劇增沖擊整個機械傳動系統。因此，永磁直驅技術具有電動機配置靈活，系統傳動效率高，可靠性高，運行啟動平穩，維護成本低等顯著特點。

2 改造方案實施

碼頭帶式輸送機是煤炭出口型港口的關鍵設備之一，本工程改造的BM1 碼頭帶式輸送機作業量占其所在工藝系統作業總量的35 %。如圖1 所示，BM1 帶式輸送機基本參數為：額定輸送能力Q=6 000 t/h，帶寬B=2 000 mm，帶速V=4.8 m/s，槽角α=35°，總長L=925 m，驅動系統主要由3 套“315 kW 異步電機+減速器+耦合器”驅動單元組成。

圖1 BM1 帶式輸送機原驅動系統布置

圖2 改造后BM1 帶式輸送機永磁直驅系統布置

本次改造方案主要為：拆除原有的3 套傳統驅動單元，安裝新型永磁直驅電動機和配套的變頻驅動器，并更換連接滾筒軸和電機固定底座，改造后的永磁同步電動機通過聯軸器直接與BM1 帶式輸送機驅動滾筒相連（如圖2 所示）；驅動系統供電動力系統由原高壓接觸器直接控制異步電動機，改造為高壓接觸器作用變頻器，再由變頻器控制永磁電機的啟停和調速；對控制系統進行改造，增加變頻器的控制與反饋信號，并對高壓接觸器控制邏輯進行修改調試。

改造施工過程中，預先進行土建施工，加速灌漿料上強度，并提前進行新增系統線路及程序改造與調試，將土建施工、機械施工和電氣改造施工合理組織、穿插進行、前后銜接、互不影響，使得BM1帶式輸送機的停產時間不超過5 天，永磁直驅系統投產至今近3 年零故障運行平穩。

3 運營實驗結論

3.1 實現系統軟啟動

永磁直驅系統通過變頻器控制永磁電動機的輸出轉矩，實現緩慢啟動。經過對永磁電動機電流進行檢測，未見瞬時過大電流出現，最大啟動電流為45.7 A。軟啟動減緩了瞬時大電流對電網的沖擊，降低了轉矩瞬間增大對機械傳動系統的劇烈沖擊作用，較大程度降低了機械系統故障率。

3.2 實現功率平衡

如表1 所示，實驗分別記錄了改造前后BM1帶式輸送機空載運行1 h 內，對應3 臺電動機的耗電量與功率系數等實驗數據。分析數據可得：改造前，3 臺電機運行平衡性較差，2#電機功率因數較高，幾乎2 倍于1#和3#電機，且3 臺電機耗電量差距較大；永磁直驅改造后，3 臺電機耗電量與功率因數接近相同，且運行時驅動電機驅動電流走勢近乎一致；由此可得永磁直驅系統實現了3 臺電機功率平衡，避免電機因出力不均對系統造成損壞。

表1 改造前后空載運行1 h 實驗數據

3.3 實現自由調速

實驗證明，永磁直驅系統可實現由停止到額定轉速的自由調速。改造前，傳統驅動系統無調速功能，不能實現輕載調速運行和低速驗帶功能。改造后，系統可通過調節變頻器實現無級調速。在實際生產運營過程中，裝船機進行移艙、移泊作業時，可實現帶式輸送機空載怠速運行工況，降低空載能耗；檢修時，可用于帶式輸送機低速驗帶作業，極大程度降低膠帶磨損及電能損耗。

3.4 實現重載啟動

當某一臺驅動電動機故障時，僅需將對應高壓接觸器斷開，并將聯軸器脫開，即可實現帶式輸送機由三驅運行轉變為雙驅運行。本文進行了模擬此工況實驗，分別對改造完成后的三臺電機重載啟動和兩臺電機重載啟動進行測試。

三臺電機重載啟動工況：BM1 帶式輸送機啟動正常，變頻器輸出電流峰值46 A，為電機額定電流的1.386 倍；變頻器輸入電流峰值28 A，是其額定電流的58.3 %；啟動時間27 s。

兩臺電機重載啟動工況：BM1 帶式輸送機啟動正常，變頻器輸出電流峰值56 A，為電機額定電流的1.687 倍；變頻器輸入電流峰值36 A，是其額定電流的75 %；啟動時間27 s。

上述實驗現象由永磁直驅系統的大啟動轉矩特性決定的，永磁電機的啟動轉矩是額定轉矩的220 %[2]，傳統驅動系統啟動轉矩通常是額定轉矩的55 %[2]。傳統帶式輸送機滿載啟動工況的驅動功率設計計算時，考慮傳統驅動系統啟動轉矩較低的問題，在計算額定功率的基礎上乘以啟動系數[3]，需采用增大電機容量的方式來滿足帶式輸送機的啟動轉矩，而永磁直驅系統則可避免此種處理方式。

4 節能實驗

4.1 空載節能實驗

如表1 所示，實驗分別記錄了改造前后BM1帶式輸送機空載運行1 h，對應的三臺電動機的耗電量與功率系數等實驗數據。改造前，三臺高壓電機耗電量合計207 kW·h；改造后，三臺高壓電機耗電量162 kW·h，外加變頻器室空調和照明、永磁電機冷卻系統等低壓設備耗電量19.5 kW·h，合計181.5 kW·h。帶式輸送機改造前后空載速度分別為5 m/s 與4.88 m/s。采用如下公式：

式中：

n 為改造后綜合節能率；

P0為改造前空載運行1 h的耗電量，單位kW·h；

P1為改造后空載運行1 h的耗電量，單位kW·h；

v0為改造前空載運行速度，單位m/s；

v1為改造后空載運行速度，單位m/s。

通過計算，改造后BM1 帶式輸送機空載運行 1 h 可節能12.02 %，故改造后皮帶機空載運行條件下，綜合節能效果顯著。

4.2 重載節能測試

如表2 所示，實驗分別記錄了改造前和改造后BM1 帶式輸送機相似作業工況的數據，并進行對比分析。

表2 改造前后重載運行實驗數據分析

分析可知：在近似同等作業條件下，改造后的永磁直驅系統比傳統驅動系統重載作業至少節能12 %。

5 結 語

本文以某港BM1 碼頭帶式輸送機由傳統驅動形式改造為永磁電機直驅系統的實驗性技改工程為研究對象，從施工、運營、實驗等方面出發，通過對設備改造前后各項數據進行分析研究，論證永磁直驅技術在港口帶式輸送機驅動系統改造中，具有改造工期短、傳動效率高、運行平穩、維護成本低、噪聲低等特點，實現系統軟啟動、功率平衡、自由調速、重載啟動等功能，且節能效果顯著，可減少能耗12 %以上，證明了永磁直驅技術在港口帶式輸送機方面的應用具有較強的推廣意義。