高壓永磁同步變頻一體機在港口皮帶機實踐應用

周文錦 邢亮 管輝 高玉軍 劉錫安 宋承林

摘 要：永磁同步變頻一體機作為一種全新概念的永磁電動機形式，將電動機與變頻器一體化設計，節省了勵磁電流，減速器，液力耦合等裝置，具有高效、節能、環保、安全的特點。本文以港口礦石輸送皮帶機應用案例為出發點，介紹分析了永磁同步變頻一體機技術的優勢，改造方案及實施效益，該方案對于散貨港口推廣技術應用具有借鑒意義，能創造巨大的社會效益。

關鍵詞：皮帶輸送機;永磁同步變頻一體機;高壓;散貨港口

中圖分類號：U692? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）06-0061-03

新型節能設備的應用既是國家戰略的需要，也是建設綠色生態港口的需要。電動機作為散貨運輸碼頭的主要動力驅動，巨大的電能消耗成本是促使董礦公司技術創新，推進節能減排的內部動力。皮帶輸送機原驅動形式為電機+耦合器+減速箱的傳統方式，供電電壓為10kv，功率315kw-630kw不等，皮帶機驅動能力設計余量充裕，實際運輸功率低于額定設計能力，如果節約這部分能源，將創造大量的社會經濟效益。

永磁同步電機綜合展現了一種全新的電機設計和運行概念，具有高功率密度、寬調速范圍、高效率、高功率因素及體積小、重量輕等顯著優點，尤其是隨著高性能釹鐵硼永磁材料（第三代）的問世，這種磁鐵的磁能積（BHmax）大于釤鈷磁鐵，是當時全世界磁能積最大的物質，穩定性強，剩磁和矯頑力極高，能吸起自身重量六百多倍的物體永磁電動機技術產生了里程碑式的發展。目前主流的可行性方案有三種，即變頻器調速、液力耦合調速、永磁磁力耦合調速。節能原理均是通過改變負載的轉速實現節能的目的，變頻調速技術在煤礦中廣泛使用，現階段礦井帶式輸送機原煤運輸系統、綜采工作面膠帶輸送系統大多采用變頻調速、異步電動機驅動方式，而安裝到散貨港口的永磁電動機均為分體式，降低了整體效率，一體式設計的高壓大功率永磁變頻電動機應用鮮有案例。

1永磁同步一體機的優勢

將永磁電動機與變頻器組合成的一體機的方案，兼顧永磁電機的優勢和變頻器的控制，并同滾筒等裝置整體集成于一體，如圖1，同傳統的異步電機和減速器，聯軸器的結構，具有以下技術優勢：

（1）一體機使電纜線長度降低，將變頻裝置和電機分離布置的方式存在長距離供電電纜形成的分布電感和分布電容，變頻器輸出高頻信號時，對感抗高的電機絕緣壽命有不利影響，一體化后，避免了電壓震蕩過高，解決了電磁干擾的問題。

（2）一體機基于原來供電系統，整體結構布置緊湊，原先機殼部分空間充足，供電系統無需改造，簡單易用，容易實現對原先的驅動方式的無縫替代;對關鍵電子器件進行電磁屏蔽，將易受干擾的信號轉化成光信號，利用光纖進行傳遞，此外使用疊層母排配線技術，比傳統產品體積更小，可以節省安裝空間。

（3）永磁同步變頻一體機采用新材料、新技術，有著更高的傳輸效率，建立氣隙磁場不需要勵磁電流，消除了轉子中間環節造成的銅耗和鐵耗，其整體結構緊湊，受負載影響小，功率因數高和經濟運行范圍寬等特點。

2董礦公司改造應用方案

董礦公司火車裝車流程有兩條作業線，其中BCZ3A與BCZ3B皮帶機并行設計，距離長度相同，作業工況相同，未改造前，驅動電機均為10kv/560kw，單機驅動。本次改造將BCZ3A皮帶機原驅動形式改造為變頻高壓永磁驅動同步一體機，與BCZ3B皮帶機傳統驅動方式進行對比。

本次BCZ3A皮帶機搭配永磁同步變頻一體機，并配備了水循環制冷系統、電機智能管理控制系統、皮帶機流量監測裝置等。

為了控制工作中電動機和電子電力控制器件的升溫，將其穩定在適宜的溫度范圍，一體機裝配水循環制冷系統，通過對多個管道以及布置在變頻一體機上的多個水座進行不同方式的連接，安裝和操作快速方便，在對變頻一體機進行有效地散熱降溫的同時，從而大大提高了變頻一體機的適用性，如圖3所示。

一體機調速配置電機智能管理控制系統，負責監視電動機的運行狀態，元器件參數調節，功率平衡以及各個器件之間的通訊和協調，人機交互，故障警報，進而對整體電動機的運轉進行調節得到所需的運動狀態和機械特性，目前該系統主要由PLC、I/O數字量輸入輸出模塊、CANOPEN通信模塊、光電轉換模塊、無線4G模塊、人機交互界面（HMI）等器件組成。PLC經光電轉換模塊與中控上位機實現數據交換，通信協議采用ModBusTCP，運行數據可實時監控;中控上位機通過I/O數字量控制PLC，實現永磁同步變頻一體機的啟?？刂?。

智能控制箱與中控上位機I/O控制邏輯如圖4，5所示：

此外針對皮帶機不同的負載情況，設立皮帶機流量監測裝置監測皮帶機物料變化，通過4G信號傳輸至電機控制系統，結合企業對物料運輸的條件和減少能耗2個主要的目標，計算分析電動機的輸出功率和運轉速度等，通過對變頻器相關參數的調整來實現BCZ3A皮帶機實時調整。

如圖6所示，該系統采用線結構光視覺檢測方法，選用650nm綠光作為線結構光源，安裝于被測位置上方，并垂直入射被測層表面，該結構光會在物料表面形成料流包絡，采集反射的綠光，并對料流包絡進行積分就能得到料流截面積，對于已知的傳送帶瞬時速度，雙重積分運算得到料流體積。

3 永磁同步變頻一體機與傳統驅動形式投資收益分析

永磁同步變頻一體機在理想狀態下功率能夠達到100%在實際生產運行中其功率也在90%以上。傳統的皮帶機驅動電機往往留有比較大的余量，根據皮帶輸送機運行數據總結得出，皮帶輸送機長期工作于滿電壓和滿速的階段，大部分電能被無用功率消耗，電機平均運行功率為額定功率的50%左右。采用變頻器驅動可以減少一半的沿線熱損耗。即將整個系統的供電效率提高到95%左右，節省5%的電能。如表1，永磁驅動啟動轉矩大，且調速區間大，很好地彌補這方面的缺陷。

采用永磁同步變頻一體機驅動省掉了液力耦合器、減速箱等中間環節。此類調速設備的運行效率在0.85～0.97之間。越是頻繁啟動或者低速運行的場合，傳遞效率越低。這類驅動方式的平均工作效率為90%左右。折算掉變頻器的自身損耗，采用變頻器驅動比液力耦合器等其他驅動方式節省電能8%左右。

變頻器啟動電機時無沖擊電流，降低沖擊電流損耗，實現啟動時節能。電機工頻啟動時有5～7倍的沖擊電流，這部分電流是電機發熱而無功率輸出。啟動次數越多，沖擊電流損耗越大。根據經驗值，變頻驅動在啟動時可以節省3%的電能。

皮帶輸送機運行時的變頻調速，減少空載損耗，實現調速節能。皮帶輸送機在空轉時也消耗電能，一般空轉損耗占額定功率的20%～30%左右。這部分損耗可以通過變頻調試降低皮帶輸送機的速度來降低。皮帶輸送機采用變頻調速驅動時平均運行速度為額定速度的90%左右，即變頻調速可以減少10%的空載損耗。綜上所述，變頻調速運行時總的損耗可以減少：P×（20%～30%）×10%=（0.02P～0.03P）。即采用變頻調速時膠帶輸送機可節省（2%～3%）的電能。

4 實際測算數據

改造前后，查看電源管理系統，對兩條皮帶機總的作業量和對應的耗電量統計數據對比如下表2：

由表2可見，改造前后永磁變頻一體機節能效果明顯。

5 結論

綜合以上分析，理論節能達到約5%+8%+3% +2%=18%，實際測算節能滿足18%以上，按照董礦公司火車線皮帶機平均利用率40%計算，年工作臺時約為365×24×40%=3504臺時，平均有功功率50%。使用永磁同步變頻一體機年節約電能3504×560×50%×18%=17660.2kwh，按照1元/kwh的電費計算，年可節能約17.66萬元。以10kv，560kw電機為例，永磁同步變頻一體機整體投資成本較傳統驅動形式（電機+減速機+液力耦合器）投資成本多投資50萬元。初期投資雖然略高，但是通過系統運行節能，約2.83年即可收回多投資的成本，同時能夠減少減速箱、液力耦合器、制動器等設備的日常維護保養工作量。

參考文獻：

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