刮板輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)研究

王 佳

（山西焦煤西山煤電官地礦， 山西 太原 030022）

引言

刮板輸送機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其承擔(dān)綜采工作面的裝運(yùn)任務(wù)外，還與采煤機(jī)和液壓支架統(tǒng)稱為工作面的“三機(jī)”；可見，刮板輸送機(jī)對煤礦生產(chǎn)的重要性。驅(qū)動系統(tǒng)是保證刮板輸送機(jī)穩(wěn)定、高效運(yùn)行的基礎(chǔ)。目前，刮板輸送機(jī)驅(qū)動電機(jī)主要以三相異步電動機(jī)位置，其通過減速器完成傳動能量的傳輸，在實(shí)際應(yīng)用中存在傳動效率不高、故障率高等問題，嚴(yán)重制約著煤礦的高效生產(chǎn)[1]。因此，本文提出采用永磁同步電動機(jī)設(shè)計(jì)一套無減速器的驅(qū)動系統(tǒng)，并對驅(qū)動效果進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究。

1 刮板輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

近年來，隨著采煤機(jī)截割能力的提升，對應(yīng)刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力也提出更高的要求。為適應(yīng)綜采工作面的生產(chǎn)能力，本文將為輸送量為1500 萬t 的刮板輸送機(jī)配套設(shè)計(jì)永磁直驅(qū)系統(tǒng)，主要包括有永磁同步電動機(jī)、變頻控制器以及關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)。

1.1 永磁同步電動機(jī)功率計(jì)算

永磁同步電動機(jī)為刮板輸送機(jī)的核心動力系統(tǒng)，其為整個刮板輸送機(jī)的運(yùn)行提供動力。當(dāng)所選型永磁同步電動機(jī)的功率過大時容易造成能量的浪費(fèi)，使得電動機(jī)運(yùn)行效率較低；而當(dāng)選型的永磁同步電動的過小時，容易導(dǎo)致電動機(jī)經(jīng)常處于超負(fù)荷的狀態(tài)運(yùn)行，從而經(jīng)常出現(xiàn)過熱現(xiàn)象[2]。

結(jié)合MT/T 礦用刮板輸送機(jī)機(jī)型與參數(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合煤礦1500 萬t 運(yùn)輸量的需求，為其配套刮板輸送機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 刮板輸送機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

刮板輸送機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中的運(yùn)行阻力包括有克服運(yùn)輸煤炭的阻力、克服機(jī)頭機(jī)尾彎曲段的附加阻力。通過計(jì)算可知，結(jié)合實(shí)際工況，本文所配套刮板輸送機(jī)的運(yùn)行總阻力為1046505.8 N。根據(jù)式（1）計(jì)算永磁同步電機(jī)的功率：

式中：F 為刮板輸送機(jī)的運(yùn)行總阻力，取1046505.8 N；v 為刮板輸送機(jī)的鏈條速度，取1.5 m/s；η 為聯(lián)軸器的傳遞效率，取0.95。將上述參數(shù)代入式（1）中，并考慮15%～20%的備用功率的基礎(chǔ)上得出，適用于該刮板輸送機(jī)永磁同步電動機(jī)的功率為2×950～2×1000 kW[3]。

基于上述理論計(jì)算結(jié)果，并充分對當(dāng)前市面上永磁同步電動機(jī)性能、成本等進(jìn)行對比調(diào)研分析后，最終確定所選型永磁同步電動機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 永磁同步電動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

分別在刮板輸送機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾各配置一套表2參數(shù)的永磁同步電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)對刮板輸送機(jī)的雙電動機(jī)驅(qū)動控制。

1.2 變頻器的選型

變頻調(diào)速技術(shù)為當(dāng)前煤礦生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的核心技術(shù)[4]。因此，針對刮板輸送機(jī)惡劣的生產(chǎn)工況（存在滿載啟動），采用變頻器實(shí)現(xiàn)對刮板輸送機(jī)軟啟動，從而降低對刮板輸送機(jī)零部件以及電動機(jī)的沖擊，對延長刮板輸送機(jī)的使用壽命和運(yùn)輸效率具有重要意義。

變頻器選型的主要依據(jù)為其容量和額定電流，且與永磁同步電動機(jī)相配套。變頻器容量計(jì)算公式如式（2）所示：

式中：UMN為永磁同步電動機(jī)的額定電壓；IMN為永磁同步電動機(jī)的額定電流。

將上頁表2 中的參數(shù)值代入式（2）得出，適用于該永磁同步電動機(jī)的變頻器的容量應(yīng)大于1120.3 kW。此外，考慮電流波形修正系數(shù)，對應(yīng)的變頻器的額定電流為205.8 A。

鑒于變頻器在實(shí)際運(yùn)行過程中存在3%左右的能量損耗。因此，采用水冷卻的方式對變頻器進(jìn)行冷卻。

2 刮板輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)研究

2.1 模擬實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建

為驗(yàn)證刮板輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)能夠真正應(yīng)用解決三相異步電動機(jī)+減速器驅(qū)動方式的問題；同時，考慮到工業(yè)性試驗(yàn)的成本且難度較大，本節(jié)基于測功機(jī)為刮板輸送機(jī)添加模擬負(fù)載的方式對永磁直驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)[5]。所構(gòu)建的試驗(yàn)平臺如圖1所示。

圖1 刮板輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)平臺

如圖1 所示的模擬實(shí)驗(yàn)平臺，并結(jié)合本文“1”中永磁同步電動機(jī)和變頻器的計(jì)算結(jié)果，所配套永磁同步電動機(jī)的型號為TYVZ-380-280M-16，與其相配套控制器的型號為HSV-180AD-450；測功機(jī)選用磁粉式測功機(jī)，具體型號為4PB15；扭矩傳感器的型號為TQ-660 動態(tài)扭矩傳感器，該傳感器的最大量程可達(dá)1500 N·m，且測量精度可為±0.5%。

2.2 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

基于如圖1 所搭建的模擬實(shí)驗(yàn)平臺，對刮板輸送機(jī)在空載和滿載工況下的性能進(jìn)行驗(yàn)證。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果闡述如下：

2.2.1 空載啟動工況的性能實(shí)驗(yàn)分析

刮板輸送機(jī)在空載啟動工況下，基于永磁直驅(qū)系統(tǒng)的控制下，對應(yīng)電機(jī)的輸出扭矩和輸出轉(zhuǎn)速的變化情況如圖2 所示。

圖2 空載工況對應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖2 所示，在空載啟動工況下，永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速經(jīng)過1.6 s 的時間段才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在波動狀態(tài)的最大轉(zhuǎn)速為57 r/min，最終電機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為42 r/min。對于電機(jī)輸出扭矩也呈現(xiàn)類似的變化趨勢，在1.6 s 后達(dá)到穩(wěn)定輸出扭矩約為300 N·m；在波動范圍可達(dá)到的最大扭矩為560 N·m。

2.2.2 滿載啟動工況的性能實(shí)驗(yàn)分析

刮板輸送機(jī)在滿載啟動工況下，基于永磁直驅(qū)系統(tǒng)的控制下，對應(yīng)電機(jī)的輸出扭矩、和輸出轉(zhuǎn)速的變化情況如圖3 所示。

由圖3 可知，在滿載啟動工況下電機(jī)輸出扭矩的波動較為劇烈，受到扭矩波動的影響，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的波動幅度也很大，最大可波動到55.5 r/min，最小波動量為26 r/min；而在14 s 后才能達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 滿載工況對應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語

刮板輸送機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其不僅承擔(dān)煤炭的裝運(yùn)任務(wù)，而且還為采煤機(jī)提供運(yùn)行軌道，為液壓支架推溜提供支撐點(diǎn)。為解決刮板輸送傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)三相異步電動機(jī)+減速器的方式存在驅(qū)動功率不足和故障率高的問題，本文設(shè)計(jì)了基于永磁同步電動機(jī)的刮板輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)，完成了永磁同步電動機(jī)的選型和變頻器容量的計(jì)算。最后，對所設(shè)計(jì)永磁直驅(qū)系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證，其在滿載工況下趨于穩(wěn)態(tài)時間還需進(jìn)一步優(yōu)化。