古城煤礦運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)智能驅(qū)動(dòng)研究

薛淑杰

（潞安化工集團(tuán)有限公司古城煤礦，山西 長(zhǎng)治 046100）

0 引 言

現(xiàn)階段礦井帶式輸送機(jī)多是采用傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)包括有異步電機(jī)、減速機(jī)、液力耦合器、聯(lián)軸器等構(gòu)成[1-3]。采用此種驅(qū)動(dòng)方式時(shí)由于初期啟動(dòng)扭矩小，往往導(dǎo)致重載啟動(dòng)困難、啟動(dòng)穩(wěn)定性差以及故障發(fā)生率高等問(wèn)題，從而增加后續(xù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)維護(hù)以及保養(yǎng)成本[4-5]。運(yùn)輸大巷帶式輸送機(jī)是實(shí)現(xiàn)煤炭外運(yùn)的主要通道，為進(jìn)一步提高主巷道內(nèi)帶式輸送機(jī)工作效率并降低設(shè)備能耗，滿(mǎn)足煤炭高效穩(wěn)定運(yùn)輸需要，古城礦提出采用智能直驅(qū)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)運(yùn)行，并通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)啟停、調(diào)速、保護(hù)以及智能控制等功能。文中就重點(diǎn)對(duì)古城礦東翼運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)采用的智能直驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果等進(jìn)行闡述。

1 工程概況

山西古城煤礦為設(shè)計(jì)產(chǎn)能800 萬(wàn)t/a 的大型現(xiàn)代化礦井，可采煤層包括有3、14 和15-3 號(hào)3 層煤，現(xiàn)階段主采3 煤。3 煤厚度平均6.27 m，賦存穩(wěn)定，全區(qū)可采，采用綜放開(kāi)放式。古城煤礦東翼主運(yùn)輸巷長(zhǎng)1 600 m，現(xiàn)階段巷道內(nèi)布置的帶式輸送機(jī)機(jī)長(zhǎng)L=1 520 m、運(yùn)量Q=2 100 t/h、輸送帶寬度B=1 400 mm、帶速V=4.0 m/s，阻燃鋼絲繩芯輸送帶ST/S1600。機(jī)頭位置配2 個(gè)滾筒2 臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng),功率630 kW；設(shè)置1 套防爆盤(pán)形制動(dòng)器（型號(hào)4×SHI251，功率3 kW）和1 套低速逆止器（型號(hào)NJ1000）。

古城礦主東翼主運(yùn)輸巷內(nèi)帶式輸送機(jī)在使用過(guò)程中不同程度存在故障率高、能耗大以及機(jī)械沖擊等問(wèn)題，已不能滿(mǎn)足煤炭高效運(yùn)輸需要。為此，提出采用智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)代替現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)方式提高帶式輸送機(jī)運(yùn)行效率以及運(yùn)行可靠性。

2 智能直驅(qū)系統(tǒng)

2.1 直驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括有變頻器、電控系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)以及永磁直驅(qū)電機(jī)等構(gòu)成。變頻器控制永磁同步電機(jī)運(yùn)行，永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾筒（具體見(jiàn)圖1 所示），相對(duì)于傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)省去了液力耦合器、減速機(jī)以及同步齒輪等結(jié)構(gòu)[6]。變頻器（同步伺服控制器）是針對(duì)永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)以及工作特點(diǎn)開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用控制器，并內(nèi)嵌有專(zhuān)用的控制軟件，可提高永磁同步電機(jī)工作性能。

圖1 智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式

2.2 系統(tǒng)工作原理

永磁直驅(qū)電機(jī)采用低速聯(lián)軸器直接與轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒連接，采用的變頻器通過(guò)伺服直接轉(zhuǎn)矩控制或者同步伺服矢量控制方式調(diào)整永磁電機(jī)運(yùn)行。永磁直驅(qū)電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)矩控制可輸出額定轉(zhuǎn)矩2 倍以上的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并通過(guò)變頻控制方式實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，降低電機(jī)啟動(dòng)初期給供電系統(tǒng)帶來(lái)的沖擊[7]。

2.3 永磁直驅(qū)系統(tǒng)性能分析

2.3.1 啟動(dòng)特征

傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)采用的異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩一般為額定轉(zhuǎn)矩的55%，無(wú)法實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)滿(mǎn)載（重載）啟動(dòng)；直驅(qū)系統(tǒng)使用的永磁直驅(qū)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的220 %以上，當(dāng)帶式輸送機(jī)處于滿(mǎn)載（重載）狀態(tài)時(shí)，無(wú)需人員卸載即可實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)。永磁直驅(qū)電機(jī)與異步電機(jī)啟動(dòng)曲線見(jiàn)圖2 所示。

圖2 永磁直驅(qū)電機(jī)與異步電機(jī)啟動(dòng)曲線

2.3.2 功率因數(shù)及傳動(dòng)效率

異步電機(jī)功率因數(shù)一般在75%～85%間，而永磁直驅(qū)電機(jī)功率因數(shù)要遠(yuǎn)高于異步電機(jī)，可達(dá)95%。具體2 種不同電機(jī)間功率因數(shù)特征曲線見(jiàn)圖3。

圖3 不同電機(jī)間功率因數(shù)特征曲線

傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多耦合器、減速機(jī)以及電動(dòng)機(jī)組合方式，受到傳動(dòng)環(huán)節(jié)多、設(shè)備能效消耗等因素影響，傳動(dòng)效率較低；而智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從而系統(tǒng)傳動(dòng)效率得以有所提升，傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率即為永磁直驅(qū)電機(jī)傳動(dòng)效率，傳動(dòng)效率可達(dá)95%，比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率高20%以上。具體不同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)間傳動(dòng)效率特征曲線見(jiàn)圖4 所示。

圖4 不同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)間傳動(dòng)效率特征曲線

2.4 智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)特點(diǎn)

1）故障發(fā)生率低、后續(xù)維護(hù)簡(jiǎn)單。由于智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)通過(guò)永磁電機(jī)直接與轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒連接，系統(tǒng)內(nèi)部無(wú)減速機(jī)、液力耦合器等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，故障點(diǎn)以及故障發(fā)生率降低。傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要定期對(duì)減速機(jī)、聯(lián)軸器以及電機(jī)軸承等進(jìn)行檢查并補(bǔ)充、更換潤(rùn)滑油；智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)日常維護(hù)時(shí)僅需定期加注潤(rùn)滑油即可，維護(hù)工作簡(jiǎn)單、維護(hù)費(fèi)用低。

2）調(diào)速范圍更寬。永磁電動(dòng)較異步電機(jī)、變頻電機(jī)調(diào)速范圍更寬，可實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩、超低速（0.5 m/s 以?xún)?nèi)）運(yùn)行，最高可實(shí)現(xiàn)2 倍額定轉(zhuǎn)矩軟啟動(dòng)。

3）實(shí)現(xiàn)多機(jī)功率平衡。智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)采用主從控制方式，可有效避免多機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)由于功率不平衡導(dǎo)致電機(jī)損壞問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)功率平衡。同時(shí)通過(guò)內(nèi)置的各種傳感器實(shí)現(xiàn)電機(jī)過(guò)熱、過(guò)壓、過(guò)流以及欠壓等保護(hù)，提高運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)輸穩(wěn)定性。

4）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。真空灌封后永磁直驅(qū)電機(jī)繞組在耐電暈方面表現(xiàn)優(yōu)異，可解決變頻器供電存在電機(jī)匝間短路問(wèn)題；灌封后的繞組在導(dǎo)熱性、機(jī)械強(qiáng)度方面均有所提升，并在防塵、防水以及防污染效果明顯。

5）冷卻方式好。永磁直驅(qū)電機(jī)外殼為雙層設(shè)計(jì)，外殼中間有蛇形散熱通道，冷卻效果好，在有水環(huán)境中即可采用水冷方式降溫，冷卻水要求為：流量＞2.8 t/h，水壓0.3～0.8 MPa。井下壓水管路即可滿(mǎn)足冷卻水需求。具體智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)有傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)有傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)比

3 智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 改造方案

古城礦東翼運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)原采用異步電機(jī)、液力耦合器、減速機(jī)、聯(lián)軸器以及滾筒等組合驅(qū)動(dòng)方式，在此基礎(chǔ)上對(duì)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造。將機(jī)頭位置液力耦合器、減速機(jī)以及異步電機(jī)拆除，更換為2 臺(tái)型號(hào)TBVF-500/80YC（660/1140）永磁同步電機(jī)，配備2 臺(tái)型號(hào)BPJ-630/1140 專(zhuān)用變頻器（伺服控制器）。

變頻器通過(guò)2 臺(tái)型號(hào)KBSGZY-1600/10/1.14 移動(dòng)電源供電。KTC101 控制系統(tǒng)通過(guò)可編輯控制控制組合開(kāi)關(guān)以及變頻器運(yùn)行，具體智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5 所示。

圖5 智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

KTC101 智能控制系統(tǒng)可接收帶式輸送機(jī)沿線布置的溫度、跑偏、堆煤、煙霧等傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)，當(dāng)各信號(hào)均在正常范圍時(shí)表明帶式輸送機(jī)具備啟動(dòng)條件，按下啟動(dòng)鍵后將控制指令發(fā)送給可編程控制器；可編程控制器在確定組合開(kāi)關(guān)及其冷卻系統(tǒng)正常、變頻器正常、永磁同步電機(jī)無(wú)故障時(shí)，先啟動(dòng)1 號(hào)及2 號(hào)冷卻系統(tǒng)，后通過(guò)光纖通信將啟動(dòng)信號(hào)傳輸給變頻器，變頻器給永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)供電并在預(yù)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)先設(shè)定速度。在帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行后，KTC101 智能控制系統(tǒng)通過(guò)沿線布置的電子稱(chēng)實(shí)時(shí)獲取輸送機(jī)載荷，并依據(jù)載荷測(cè)定結(jié)果通過(guò)變頻器控制帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度，從而實(shí)現(xiàn)“煤少慢轉(zhuǎn)、煤多快轉(zhuǎn)”，達(dá)到運(yùn)行速度與載荷的協(xié)同控制，降低帶式輸送機(jī)運(yùn)行能耗。

3.2 應(yīng)用效果

智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)在2019 年12 月在古城礦東翼運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)上改造應(yīng)用，帶式輸送機(jī)每天按照16 h、年運(yùn)行360 d、電費(fèi)每度1 元計(jì)算，智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)與異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)比情況見(jiàn)表2，從表中可看出，帶式輸送機(jī)采用智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)后，在整個(gè)生命周期內(nèi)（設(shè)定10a），節(jié)省電能費(fèi)用約4 140 萬(wàn)元；同時(shí)在生命周期內(nèi)每月可減少油脂消耗約340 kg，油脂費(fèi)用1 萬(wàn)元/t，則可降低油脂費(fèi)用約17 萬(wàn)元。

表2 直驅(qū)系統(tǒng)與傳統(tǒng)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)比表

4 總 結(jié)

1）文中智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理以及功能特征等進(jìn)行探討，智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言在重載啟動(dòng)、設(shè)備運(yùn)行能耗以及后期維護(hù)保養(yǎng)等方面均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，可為重載帶式輸送機(jī)高效運(yùn)行提供可靠保障。

2）依據(jù)古城礦東翼運(yùn)輸巷實(shí)際情況，對(duì)智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)布置方案以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果進(jìn)行分析，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)在整個(gè)生命周期內(nèi)（10a）可減少電費(fèi)投入約4 140 萬(wàn)元，降低潤(rùn)滑油脂投入約17 萬(wàn)元，同時(shí)可顯著降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)后期維護(hù)、保養(yǎng)等工作量。