大功率永磁變頻一體機在帶式輸送機中的應用研究

王 博，王彬發

（陜西彬長小莊礦業有限公司，陜西 咸陽 713500）

1 工程背景

1.1 礦井主運輸系統概況

陜西彬長小莊礦運輸大巷帶式輸送機運輸距離2 360 m，提升高度81.7 m，皮帶強度ST/S3150，帶寬1 600 mm，運量4 000 t/h，驅動滾筒直徑1 400 mm，帶速4.5 m/s。帶式輸送機驅動系統采用四臺1 120 kW電機配套調速型耦合器和減速機，驅動功率為4×1 120 kW（三用一備），電機電壓等級為10 kV，使用天津華寧KT101控制器進行控制。

1.2 工程問題

帶式輸送機驅動系統存在傳動效率低，能耗高，重載啟動困難，頻繁啟動油溫上升快、不易冷卻，無法對皮帶運行速度進行調控，維護費用高等問題，亟待升級改造。

2 帶式輸送機驅動系統改造方案設計

2.1 高壓變頻一體機組成及原理

高壓永磁變頻一體機電氣系統主要由變頻部分和電動機部分組成，其中變頻部分又由主電路、控制電路、驅動電路、顯示屏等組成[1]，其中主回路電源由接觸器、電抗器進行濾波穩壓，經逆變電路將直流電轉變為頻率、電壓均可調的交流電；控制電路負責將采集的實時信號運算產生驅動信號，完成光纖與驅動單元的數據交換，并通過顯示屏顯示處理后信息；驅動電路負責接收主控器的觸發信號，控制該信號的導通和關斷；變頻單元附屬電路負責變頻器操作、控制及保護電路；永磁一體機顯示屏負責接收顯示主控器發送的實時信息，包括直流電壓、變頻輸出電流、輸出功率和轉速等參數。

2.2 帶式輸送機驅動系統改造方案

永磁直驅變頻一體機集成了減速機、電動機和變頻器，現將帶式輸送機高壓電動機配套調速型耦合器、減速機驅動方式改造為由三臺永磁直驅變頻一體機、一臺控制器和兩臺移動變電站組成的大功率永磁直驅變頻一體機，并與驅動滾筒連接，三臺永磁直驅變頻一體機之間通過通信線連接，如圖1所示。

圖1 帶式輸送機永磁一體機驅動系統

帶式輸送機智能控制系統如下頁圖2所示，永磁直驅變頻一體機與控制臺連接并接受控制臺的控制，控制臺可以顯示各一體機工作狀態、運行數據和故障信息，控制永磁直驅變頻一體機驅動帶式輸送機平穩啟動和運行，智能控制箱可將運行數據實時上傳至地面調度中心，使帶式輸送機遠程控制，實現動態功率平衡并具備同步調速功能[2-3]。在順槽帶式輸送機機頭前方10 m左右位置安裝視頻監控及檢測裝置，其不僅能在識別錨桿、大塊矸石等異物后停機保護，并給出相應故障信息，還能識別瞬時煤量，根據煤量大小自動調整帶式輸送機轉速。

圖2 帶式輸送機智能控制系統

另外，該帶式輸送機的永磁直驅變頻一體機使用了配套循環水冷卻裝置，冷卻方式為外殼水冷，可為永磁變頻一體機提供冷卻。

3 改造驅動系統計算核準及驅動電機選型

3.1 輸送帶寬度的確定

驅動系統設計計算及選型依據《煤礦用固定帶式輸送機設計選用手冊》和《DTⅡ型固定帶式輸送機設計選用手冊》[4]。帶式輸送機輸送帶寬度可按式（1）進行計算。

式中：B為輸送帶寬度，m；Q為輸送機輸送能力，t/h；k為傾斜系數，取0.93；ρ為輸送物料松散密度，取1.3t/m3；v為輸送帶傳送速度，m/s；Ce為槽型系數，取492。

將1.1節已知的相關參數帶入式（1）中，得輸送帶寬度為1.22 m，由此表明選用標準驅動系統帶寬1 600 mm能夠滿足運輸要求。

3.2 托輥及物料計算

對于托輥及物料的計算可按式（2）和式（3）進行求取。

式中：qR為托輥重，kg/m；qG為物料重，kg/m；Gz為承載分支三聯托輥組重量，kg；Lz為承載分支三聯托輥組長度，m；Gk為回程分支平行托輥組重量，kg；Lk為回程分支平行托輥組長度，m。

目前選用的輸送帶規格為ST/S3150，其中托輥直徑Φ=159 mm，皮帶張力F=5 040 kN，輸送帶單位長 度 的 質 量qB=67.2 kg/m，Gz=46.56 kg，Lz=1.2 m；Gk=16.27kg，Lk=3m。經計算得托輥重qR=44.22333kg/m，物料重qG=68.59 kg/m。

3.3 傳動滾筒圓周驅動力計算

傳動滾筒圓周驅動力Fu按照式（4）進行計算。

式中：C為附加阻力系數，取1.05；f為運行阻力系數，取0.03；L為運輸長度，m；g為重力加速度，取9.8m/s2；β為帶式輸送機在運輸方向上的傾角（當傾角小于18°時，一般取cosβ≈1），（°）；H為物料提升高度，m；FS為阻力，取1 000 N。

將相關數據帶入式（4）中計算得傳動滾筒圓周驅動力Fu=236 017.67 N。

3.4 電動機功率計算

電動機功率可按式（5）和式（6）進行計算。

式中：P為軸功率，kW；Pd為電動機功率，kW；Kd為功率備用系數，取1.3；η為驅動裝置傳動效率，取0.98；εd為多級功率不平衡系數，取0.98；ε為電壓降系數，取0.95。

將相關參數帶入式（5）和（6），經計算得軸功率P=1 062.08 kW，電動機功率Pd=3 026.54 kW，因此電機功率選擇3×1 000 kW，轉速選擇60 r/min，帶式輸送帶可滿足提速要求。

3.5 永磁變頻調速一體機驅動電機選型

由于國內煤礦井下尚無6 kV防爆永磁變頻調速一體機相關產品，為了減少設備投入成本，選用型號為TJVFT-1000/80YC、驅動電機電壓為1 140 V的礦用隔爆兼本安型永磁同步變頻調速一體機可滿足小莊礦運輸需求。

4 預計改造效果及節能經濟分析

永磁同步變頻調速一體機的使用可實現礦井膠帶輸送機無人值守，只需維修工定期檢查巡視即可。空載或重載情況下，多臺電機能夠達到絕對同步運行，啟動輸送帶運行平穩，且電機在額定轉速范圍內恒定扭矩輸出，可保證主運皮帶安全運行。另外，巷道中安設的煤流監測控制系統可根據輸送帶帶面的煤流量控制和調節帶式輸送機帶速，減少滾筒、托輥及輸送帶的轉動，提高滾筒、托輥及輸送帶的使用壽命。

永磁變頻調速一體機的使用可降低減速機、耦合器冷卻風扇、油泵、濾芯及油脂等配件材料的消耗，減少能量傳遞過程中的損失，節約電力消耗，降低生產成本[5]。為此對改造前后的帶式輸送機進行節能經濟分析，改造前滾筒軸功率2 751 kW，改造后1 062.08 kW，按額定負載60%、每天運行時間16 h（每月30 d）進行計算，得改造前帶式輸送機年度電費570.45萬元，預計改造后年度電費220.23萬元。使用變頻電機的傳動效率為96%，傳統傳動方式傳動總效率為82.7%（電動機效率88%，減速機、耦合器效率94%），每條皮帶每年預計節約電費約350萬元。

5 結論

1）礦用大功率永磁變頻一體機的使用可使帶式輸送機平穩啟動，實現同步調速運行功能及動態功率平衡。

2）帶式輸送機驅動電機選用型號TJVFT-1000/80YC的礦用隔爆兼本安型永磁同步變頻調速一體機可滿足小莊礦運輸需求。

3）帶式輸送機驅動系統改造可實現節能降耗，減少設備磨損，預計每條皮帶年生產成本減少約350萬元。