變頻調速永磁同步電動機在皮帶機上的應用

楊慶范 萬宗帥 莊世軍 白躍俊

摘 要：近年來，隨著煤炭行業的快速發展，井下運輸系統也逐漸在更新換代，但由于井下巷道狹窄，運輸環境惡劣，從而導致常規運輸巷皮帶機驅動裝置故障較多。變頻調速永磁同步電動機作為一種新型的節能型電動機，因其特有優勢被廣泛應用于皮帶運輸系統中，其具有簡單的結構、較大的轉矩以及較低的能耗等特點，不僅能夠提高皮帶輸送機的運輸效率和運載量，而且能夠提升運輸系統的可靠性和使用壽命，對于保障皮帶運輸質量有著至關重要的意義。本文簡要介紹了永磁同步電動機的組成及特性，重點分析了皮帶運輸控制系統的實際應用，僅供相關人員參考。

關鍵詞：變頻調速；永磁同步電動機；皮帶運輸機

在煤礦生產中，皮帶輸送機承擔著煤炭運輸的艱巨任務，具有較長的運輸時間和較大的運輸數量等特點，煤礦皮帶輸送機的運行狀態直接關系到生產任務能否順利完成。在皮帶運輸系統中，常規的傳統系統具有較大的啟動電流和嚴重的機械磨損，長期使用運行容易不僅會出現張力變化，而且浪費大量的電能。通過合理應用變頻調速永磁電機，能夠有效降低設備噪音，減少功率損耗，提高工作效率。

1 永磁同步電動機的組成及特性

在煤礦皮帶運輸系統中，常規的電機設備大部分是異步電動機，需要配合齒輪減速器裝置和液力耦合器設備才能夠組成一個完整性的動力驅動系統。這種常規電機設備在井下復雜條件下頻繁產生機械故障，具有較低的工作效率，而且在重載狀態下具有較大的啟動難度。而變頻調速永磁同步電動機主要由變頻器、皮帶機頭和永磁同步電機組成，去掉了常規的減速器裝置和液力耦合器，能夠實現對礦用皮帶機的轉速調節，滿足井下生產要求。

煤礦井下生產實踐中，將變頻調速永磁同步電動機應用到皮帶運輸系統中，不僅能夠提高生產運輸效率，而且能夠具有較高的安全性能，滿足各種生產環境下的實際需求。一是具有高效節能的特點，變頻調速永磁同步電動機去掉了常規的減速器裝置和液力耦合器以后，大大降低了震動和噪聲，啟動時消耗電流較小，轉速調節作用也減輕了設備磨損；二是具有較小的維護量，在皮帶系統運行時，不需要考慮減速器、液力偶合器以及齒輪等零部件的磨損，減少了零部件更換、檢修和日常維護的頻率，降低了維修成本，避免了不平穩起動造成的皮帶拉裂現象，節約了采購大量的采購費用；三是具有較大輸出轉矩，永磁同步電動機能夠使皮帶運輸系統在額定轉速內保持恒轉矩，使運行穩定性不斷提高。尤其是電動機在低頻、低壓或低速情況下能夠保障皮帶機有足夠的轉矩。永磁同步電動機的變頻調速作用能夠使帶式輸送機的緩慢啟動，避免重載情況皮帶拉裂，而且能夠降低啟動時的額定電流。

2 永磁電動機變頻驅動系統的原理

變頻驅動系統的電機控制方式為自控式交直交電壓型，主要組成結構分為五個部分：一是整流橋，二是控制電路，三是位置傳感器，四是三相逆變電路，五是三相交流永磁電機。50HZ的電流通過整流以后，由三相逆變器給電機的三相繞組供電，三相對稱電流合成的旋轉磁場與轉子永久磁鋼所產生的磁場相互作用產生轉矩，轉子被拖動進行同步旋轉，轉子磁鋼位置 能夠通過位置傳感器實時進行讀取，隨后變換成電信號對逆變器功率器件開關進行控制，并對電流頻率和相位進行調節，確保轉子和定子磁勢的位置關系不亂，從而產生恒定的轉矩，皮帶負載決定了定子繞組中的電流大小。當轉子位置產生變化時，定子繞組中三相電流的頻率和相位也隨著產生變化，使三相電流合成一個與轉子同步的旋轉磁場，三相電流的換相通過逆變電路的開關變化實現，等同于常規電機中的機械換向器。

3 皮帶運輸控制系統的實際應用

以某煤礦的皮帶輸送設備為例，在實際生產過程中將皮帶機應用的異步電動機改造成變頻調速的永磁同步電動機，改造后所使用電機為55kW的額定容量和660V的額定電壓，轉子結構為永磁結構，額定功率為12Hz。利用變頻器對永磁同步電動機進行調節變速，能夠保障功率平衡，滿足實際運行要求。變頻調速永磁同步電動機能夠實現皮帶機的軟啟動，皮帶機的驅動電機能夠根據啟動過程中的V/F曲線實現逐步升壓，在緩慢提升啟動電流過程中釋放貯存于皮帶內部的能量，防止啟動電流沖擊皮帶機，使皮帶機的啟動張力有效降低，使電機驅動的功率得到平衡，避免對皮帶產生損害，確保皮帶穩定運行。

在皮帶運輸系統中，變頻調速裝置主要由參數設定系統、顯示系統和變頻調速系統三方面組成，該裝置不僅應用了現代化的IGBT變頻調速理論，而且應用了模糊控制理論，具有突出的穩態性能、較寬的調速范圍和較大的轉矩作用力?；贗GBT的半導體開關器件和驅動模塊是變頻器的核心設置，在電流裕度控制方面具有良好效果。另外，變頻調速系統中的熱管散熱器也具有良好的散熱性能好和實用性能，而整個調速裝置自主電路到控制電路均應用光纖方式實現通信，也大幅提高了抗干擾能力，降低了控制系統誤動作的幾率。變頻調速裝置還采用了先進性的控制算法，通過無線傳感器矢量控制與直接轉矩控制相結合的模式對低轉速大轉矩的永磁同步電動機進行有效控制，滿足智能化操作要求，提高設備的防護性、可靠性與穩定性。

4 兩種驅動結構的對比

1）系統實現軟起動和免維護。 在皮帶機上應用變頻調速永磁同步電動機能夠使運輸傳動系統實現緩慢勻速起動，在很大程度上降低了電機起動的瞬間電流，避免了電流過大沖擊到電網。同時電機轉矩也在傳動設備啟動后緩慢增加，避免了瞬時增加的轉矩機械沖擊到傳動系統，不僅使系統的機械故障和電網故障大幅降低，而且去除了常規驅動系統的減速器和液力耦合器，降低了維護成本，優化了人力資源，具有良好的應用效果。

2）簡化了機頭架的設計與安裝。相比于常規傳統系統，新式直驅系統中利用變頻調速永磁同步電動機替代了Y系列異步電機，去除了常規方案中的液力耦合器結構，傳動效率提升了20%—30%左右，而且變頻調速永磁同步電動機的能耗達到國際IE4標準，具有較高的綜合節能率，每年節約電達數十萬元。永磁同步電動機的機頭設計簡化了驅動架，對框架支撐連接的復雜結構進行了更改，將其設計為具有較小空間的三角架結構，在三角支撐架上對稱安裝雙驅動裝置，不斷優化驅動滾筒的安裝空間和安裝結構，在井下生產中有利于安裝和維修驅動裝置及機頭。

3）減少了輸送機的功率損耗。將變頻調速永磁同步電動機應用到皮帶機上，能夠將液力耦合器、減速器等部件去掉，使驅動系統呈現出節能、簡單、高效的特點。在常規的異步電動機驅動系統中，不平穩的啟動不容易實現重載啟動，對驅動系統的整體效率造成一定影響。因此在變頻調速永磁同步電動機驅動皮帶機上，很少實現滿載運行，具有較低的運輸效率和較高的電能消耗。而永磁同步電動機應用后，將稀土永磁體加入到定子結構中，不需要勵磁電流，電機達到了93%以上的應用功率，使節能大幅節約。另外變頻調速永磁同步電動機能夠使電機達到功率智能平衡，避免多電機因出力不平衡而造成的電機的損壞。

5 結束語

綜上所述，變頻調速永磁同步電動機在皮帶機上的應用減少了皮帶輸送機中的液力耦合器環節，方便了礦井皮帶輸送機的維修，通過變頻控制系統能夠智能控制運行速度，滿足皮帶機空載和重載的不同需求，使皮帶機的傳送效率有效提升，有效實現能源的節約。煤礦技術人員要加強對變頻調速永磁同步電動機的研究和應用，充分發揮其在煤礦皮帶運輸系統中的優勢，使其成為井下機電行業的主力軍。

參考文獻

[1]葉云岳，范承志，盧琴芬等.直驅式高效節能復式永磁電機的研發與應用[J].電機與控制應用，2010，37（1）：1-3，12.