永磁電動機在煤礦帶式輸送機中的應用設計

任鵬義，白大偉

（山西中陽華潤聯盛南山煤業有限公司，山西 呂梁 033400）

1 概 況

帶式輸送機能夠實現散裝物料的連續運輸，在煤礦生產領域有廣泛的應用。南山煤業主斜井地質情況較為復雜，且空間狹窄，因此用DSJ100/63/2×160 可伸縮式帶式輸送機進行煤礦物料的輸送。該帶式輸送機驅動系統主要由異步電機、減速器、聯軸器和驅動滾筒構成，因配套機械結構較多，整體結構比較笨重和復雜，且存在故障率高、傳動效率低等問題，給帶式輸送機的高效運行和維修保養等工作帶來了很多不便。針對該問題，對南山煤業主斜井中使用的DSJ100/63/2×160 型帶式輸送機進行改造，利用永磁電動機進行驅動。與傳統的帶式輸送機異步電機驅動系統相比，永磁電動機不僅結構簡單、體積小，且省去中間傳動環節，能量利用效率高，可以縮小整個帶式輸送機的體積，簡化整體結構。

2 永磁電動機應用方案

2.1 永磁電動機的原理

永磁電動機主要結構件為旋轉轉子、固定定子和端蓋，定子結構與普通異步電機類似，主要由疊片疊壓加工而成，與異步電機最大區別在于旋轉轉子。永磁同步電機轉子中設置有永磁體，電動機運行過程中，通過永磁體產生勵磁磁場，永磁體發揮磁路和磁源的雙重作用。繞組在主磁場中做旋轉運動時，不斷地對磁場進行切割，從而形成方向和大小呈現周期性變化的交變電流。

2.2 應用方案設計

針對南山煤業主斜井帶式輸送機工程實踐中暴露出的問題，結合實際情況利用永磁電動機對整個驅動系統進行優化改造。將原有的軟啟動開關、異步電機、減速器等結構全部拆除，替換成2 臺永磁同步電動機進行驅動，型號為TBVF-250/40YC，每臺永磁電動機配套1 臺變頻器，具體型號為BPJ-630/1140，使用伺服控制器對變頻器進行控制，以實現帶式輸送機運行速度的精準控制。永磁電動機的輸出軸與帶式輸送機驅動滾筒之間通過脹套進行連接，電機輸出的動力直接傳入到驅動滾筒中，實現煤礦物料的高效運輸。在控制系統的作用下，帶式輸送機能根據實際輸送的煤礦物料重量對運行速度進行調整，達到節能減排的效果。

TBVF-250/40YC 型永磁電動機在南山煤業主斜井帶式輸送機中的應用方案如圖1 所示。

圖1 永磁電動機在帶式輸送機中的應用方案設計Fig.1 Application scheme design of permanent magnet motor in belt conveyor

由圖1 可知，帶式輸送機中使用永磁電動機時，整個裝置主要有操作臺、供電系統、防爆變頻裝置、驅動永磁電動機以及帶式輸送機本身等部分構成。與異步電機驅動裝置相比，省去了減速器、耦合器等機械結構，驅動系統大大簡化。此次設計應用了BPJ-630/1140 防爆變頻裝置，作用是根據帶式輸送機實際需要，將50 Hz 的交流電壓轉換成為不同頻率的交流電壓，以供永磁電動機使用，電機實際輸出轉速與輸入電流頻率之間存在直接聯系。驅動電機與皮帶驅動滾筒直接連接，縮短了傳動鏈路，能量傳輸效率得到提升。

3 帶式輸送機永磁電動機控制系統設計

3.1 控制系統

控制系統是保證帶式輸送機可靠穩定運行的重要基礎，要求能夠根據礦井實際需要對帶式輸送機的運行速度進行調整。帶式輸送機控制系統結構如圖2 所示。

圖2 帶式輸送機控制系統結構框圖Fig.2 Structure diagram of belt conveyor control system

由圖2 可知，整個控制系統由4 各模塊構成，分別為主電路模塊、溫控模塊、相序識別模塊、高低速控制模塊。控制器方面，根據南山煤業實際情況，在保障控制系統性能的前提下，為降低整體成本，選用MD38PC1 型PLC 控制器，該控制器與變頻器之間具有良好的兼容性，可以直接訪問變頻器內部的特殊數據信息。

主電路模塊由變頻器、電機和輸出電抗器構成，此次選用的BPJ-630/1140 變頻器具有良好的性能，功能豐富。溫控模塊的作用是對電機進行保護，利用溫度傳感器對電動機關鍵位置的溫度進行檢測，系統中設置2 個安全溫度閾值，分別為T1和T2，當溫度超過T1 時系統會向外發出警告，但仍然會正常運行，當溫度超過T2 時系統直接發出蜂鳴報警，設備停止運行，避免永磁電動機內部溫度過高對電機造成燒毀。相序識別模塊的作用是對接線的相序進行識別，防止帶式輸送機在出現故障或者檢修以后，相序接反導致永磁電動機朝相反方向運行的問題，起到保護帶式輸送機的作用。

3.2 變頻器連接

除永磁同步電動機以外，變頻器是帶式輸送機系統中比較關鍵的電氣設施，此次設計選用BPJ-630/1140 變頻器，其連接情況如圖3 所示。正式運行之前需要在變頻器中對相關參數進行設置，包括電機參數以及I/O 接口參數等。為了實現永磁電動機運行速度的閉環控制，利用傳感器對電動機的運行速度進行檢測。在控制系統中設置電動機的安全運行閾值以及對應的故障代碼，一旦檢測發現電機出現過載問題，會向外發出警報，嚴重時直接控制帶式輸送機停止運行。

圖3 變頻器的連接示意圖Fig.3 Connection of inverter

4 應用效果分析

南山煤業主斜井帶式輸送機采用異步電機驅動時，由于驅動鏈較長，所以總體的輸送效率較低，大約為67.2%，采用永磁同步電動機進行驅動時，驅動鏈大大縮短，驅動效率可以達到92%，與前者相比較大幅度提升，可以為企業節省大量的費用。假設煤礦主斜井帶式輸送機每年運行的天數為360 d，平均每天累計運行時間為16 h，電費按1元/度進行計算，帶式輸送機使用年限按10 a 算。則可以計算異步電機和永磁電動機兩種方案時，帶式輸送機在整個使用周期內的總費用情況，結果如圖4 所示。

圖4 異步電機和永磁電動機10 a 費用對比情況Fig.4 Comparison of 10-year cost of asynchronous motor and permanent magnet motor

由圖4 可知，在10 a 周期內，采用異步電機方案時的總費用大約為4 400 萬元，采用永磁電動機方案時的總費用為2 890 萬元。可見，通過此次對帶式輸送機驅動系統的技術改造，可以為南山煤業節省1 510 萬元的費用，創造了良好的經濟效益。

5 結 語

以南山煤業主斜井帶式輸送機為研究對象，結合實際情況，基于永磁電動機對帶式輸送機的驅動系統進行了改造設計，并將其應用到工程實踐中。永磁電動機在結構和原理上與異步電機不同，在帶式輸送機中使用永磁電動機可以簡化驅動系統，提高驅動效率；設計的控制系統由主電路模塊、溫控模塊、相序識別模塊和高低速控制模塊組成，能根據實際情況對電動機的運行速度進行控制；將永磁電動機部署到南山煤業主斜井帶式輸送機工程實踐中，通過分析計算，在帶式輸送機服役的10 a 周期內，永磁電動機驅動方案與傳統驅動方案相比，可以節省1 510 萬元的費用。