永磁電機(jī)技術(shù)在皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改造中的應(yīng)用

任 帥

(西曲礦 選煤廠，山西 古交 030200)

0 引言

帶式輸送機(jī)是煤礦井下及選煤廠煤炭運(yùn)輸?shù)臋C(jī)電設(shè)備，其發(fā)展方向趨向于大功率和長距離的特點(diǎn)。在傳統(tǒng)的皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)方案中，異步電機(jī)和齒輪箱是常見的驅(qū)動(dòng)裝置，異步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的特點(diǎn)，齒輪箱是一種將異步電機(jī)和傳動(dòng)滾筒連接的機(jī)械裝置，經(jīng)常出現(xiàn)磨損和機(jī)械故障。為了改善驅(qū)動(dòng)裝置的調(diào)速性能，適應(yīng)帶式輸送機(jī)遠(yuǎn)距離和大功率的驅(qū)動(dòng)要求，將永磁同步電機(jī)和變頻器技術(shù)結(jié)合的驅(qū)動(dòng)方案受到廣泛關(guān)注，在新投產(chǎn)的帶式輸送機(jī)中應(yīng)用效果很好。本文對(duì)原異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行了改造，從電機(jī)本體和選型及變頻器的原理等方面論述了改造工程的重點(diǎn)技術(shù)方案，對(duì)永磁同步電機(jī)和變頻器技術(shù)在皮帶機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用具有借鑒意義。

1 永磁電機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)安裝方式分類，永磁電機(jī)有內(nèi)嵌式和表貼式，二者在成本或可靠性方面各有優(yōu)點(diǎn)。表貼式永磁電機(jī)的永磁體通過專用膠水粘在轉(zhuǎn)子上，并輔以螺釘和壓條等固定措施，該安裝方式成本低廉，但是由于膠水具有時(shí)效性，在電機(jī)長時(shí)間高溫運(yùn)行的情況下極易老化，當(dāng)遇到大剪切力或強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致永磁體松動(dòng)脫落。內(nèi)嵌式永磁電機(jī)的永磁體嵌入轉(zhuǎn)子沖片的凹槽內(nèi)，輔以樹脂減震加固，能夠在惡劣的工作條件下保證永磁體結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。除了結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，內(nèi)嵌式的永磁電機(jī)還有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、渦流損耗小等特點(diǎn)。綜上所述，考慮到皮帶機(jī)是煤礦選煤廠的重要機(jī)電設(shè)備，其可靠性要求較高，因此在皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改造方案中選擇內(nèi)嵌式永磁電機(jī)。

相較于異步電機(jī)，永磁同步電機(jī)的優(yōu)勢表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)和性能兩方面。圖1為皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的改造方案，傳統(tǒng)的異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案中，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過減速器加載在傳動(dòng)滾筒上，這樣使得減速器占據(jù)很大安裝空間，并且多了一個(gè)傳動(dòng)環(huán)節(jié)就會(huì)增加摩擦轉(zhuǎn)矩，減速器發(fā)生故障就會(huì)直接影響皮帶機(jī)運(yùn)行。采用永磁直驅(qū)方案后，永磁同步電機(jī)的軸直接與傳動(dòng)滾筒相連，省去了減速器的環(huán)節(jié)，節(jié)省了安裝空間，減少了減速器環(huán)節(jié)帶來的摩擦轉(zhuǎn)矩。在調(diào)速性能上，永磁同步電機(jī)具有功率因數(shù)高、損耗小、輕載、效率高、恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改造方案

2 方案設(shè)計(jì)

本文采用永磁同步電機(jī)和變頻器技術(shù)相結(jié)合的方案，對(duì)原異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行了改造。

2.1 永磁電機(jī)

確定永磁電機(jī)的類型和安裝方式后，根據(jù)皮帶機(jī)的參數(shù)計(jì)算改造工程所需的永磁電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，主井皮帶參數(shù)包括機(jī)長、傾角、提升高度、輸送量、帶寬、帶速、傳動(dòng)滾筒直徑、驅(qū)動(dòng)功率等。永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速n0計(jì)算公式為：

(1)

其中：v為皮帶速度；D為傳動(dòng)滾筒直徑。

轉(zhuǎn)矩T的計(jì)算式為：

(2)

其中：P為機(jī)械功率；n為滾筒轉(zhuǎn)速。

確定上述參數(shù)后，本次改造選擇永磁電機(jī)型號(hào)為TBVF-315/40YC，該電機(jī)的冷卻方式可選直接水冷和封閉水冷，由于現(xiàn)場水量充足，在采取防水垢措施后選用直接水冷方式進(jìn)行冷卻，冬季環(huán)境溫度較低時(shí)應(yīng)采取一定的保暖措施，防止冷卻水結(jié)冰，損壞冷卻管。

2.2 變頻器

永磁同步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)原理如圖2所示。同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)滾筒，免去了液力耦合器和減速器，一方面節(jié)省了采購資金，另一方面節(jié)能效果顯著，變頻器運(yùn)行在低頻段，每月電量消耗大約為異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的七成左右。變頻裝置具有軟啟動(dòng)功能，使得帶式輸送機(jī)的軸承、膠帶等機(jī)械部件的沖擊次數(shù)大大減少，延長了使用壽命。本次改造選用某公司開放的1140 V四象限變頻器，該變頻器自帶水冷系統(tǒng)，無須配置冷卻裝置。

圖2 永磁同步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)原理

2.3 控制電路

圖3 變頻器控制電路原理

3 效益分析

3.1 技術(shù)效益

(1)節(jié)省設(shè)備安裝空間。常規(guī)的傳動(dòng)系統(tǒng)中，高速聯(lián)軸器、多級(jí)減速器和液力耦合器具有復(fù)雜的支撐框架。而永磁直驅(qū)系統(tǒng)省去了中間環(huán)節(jié)，利用一個(gè)空間較小的三角架結(jié)構(gòu)就可以將雙驅(qū)動(dòng)裝置全部安裝完畢，使得皮帶機(jī)的機(jī)頭空間更加寬裕，膠帶輸送機(jī)大多安裝在巷道內(nèi)，有利于節(jié)省空間。

(2)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。帶式輸送機(jī)的傳輸距離都較遠(yuǎn)，在工作過程中吸收了很大的彈性勢能，若驅(qū)動(dòng)裝置不具有軟啟動(dòng)功能，極易造成彈性勢能釋放不及，進(jìn)而引起膠帶崩開或軸斷裂。由變頻器驅(qū)動(dòng)的永磁電機(jī)可以由控制器統(tǒng)籌分配功率，保證各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩相同，啟動(dòng)平穩(wěn)，使得啟動(dòng)階段的力矩增加緩慢而平滑，不至于在短時(shí)間內(nèi)積聚巨大的勢能，造成機(jī)械損傷。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

(1)降低了維護(hù)成本。由于不需要減速器和聯(lián)軸器等中間裝置，在帶式輸送機(jī)安裝時(shí)節(jié)省了安裝工時(shí)，在平時(shí)的例行維護(hù)中，重點(diǎn)檢查永磁電機(jī)和變頻器的關(guān)鍵部位，無須維護(hù)減速器、齒輪和液力耦合器，井下維護(hù)工作量減小，且操作空間增大。

(2)降低了電費(fèi)成本。異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的皮帶機(jī)總是在工頻下運(yùn)行，在輕載和滿載時(shí)的功率損耗相差不大，因此絕大多數(shù)時(shí)間均存在電能浪費(fèi)。永磁同步電機(jī)的磁場是永磁體發(fā)出的，無須勵(lì)磁電流激勵(lì)，并且在變頻器的驅(qū)動(dòng)下可根據(jù)負(fù)載大小調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流，輕載時(shí)電流減小，功率減?。恢剌d時(shí)電流增大，功率增大，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

4 結(jié)束語

通過技術(shù)改造，將變頻技術(shù)和永磁同步電機(jī)應(yīng)用于煤礦選煤廠皮帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)中。分析了永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)分類和調(diào)速特點(diǎn)，從改造方案的電機(jī)選型、變頻器選型、控制原理和冷卻裝置設(shè)計(jì)等方面簡述了改造工程的原理。從技術(shù)效益和經(jīng)濟(jì)效益兩方面來講，永磁電機(jī)技術(shù)在帶式輸送機(jī)的改造應(yīng)用都是成功的。