永磁同步電機在帶式輸送機中的應用研究

楊 清

（華陽新科技材料有限公司一礦，山西 陽泉 045000）

引言

近年來，隨著綜采工作面采煤機截割能力的提升，采煤工藝不斷改進，綜采工作面的煤炭生產能力不斷提高。刮板輸送機作為綜采工作面的主要運輸設備，在當前形勢下也朝著大運量、長距離以及高運速的方向發展。張緊裝置可保證輸送帶張緊力，避免打滑等故障的發生，其已經從傳統簡單機械結構發展為當前的機電液一體化的自動張緊機構，主要由張緊電機+減速器組成的方式對裝置進行驅動[1]。但是，在實際應用中上述驅動方式存在傳動效率低、可靠性低的問題。

鑒于永磁同步電機具有良好的低速大扭矩傳動能力和節能效果，本文將重點開展永磁同步電機在帶式輸送機張緊裝置中的應用研究。

1 帶式輸送機張緊裝置概述

在實際運輸過程中，帶式輸送機輸送帶張力會隨著運輸工況的變化而處于動態變化狀態。因此，根據帶式輸送機的運輸工況對輸送帶張力進行實時調整控制是非常有必要的。簡答說，帶式輸送機張緊裝置可保證輸送帶與滾筒之間不打滑；同時，保證相鄰托輥之間輸送帶的垂度滿足相關標準規范的要求。在實際生產中，需要根據帶式輸送機的具體結構參數、運速距離以及輸送帶的相關參數，綜合確定張緊方案、所需的張緊力和張緊行程等[2]。

本文以DJS140/300/3×450 型帶式輸送機為例開展系列研究，該型帶式輸送機系統的基本結構簡圖如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機系統基本結構簡圖

帶式輸送機所需張緊力為后續完成永磁同步電機選型的關鍵依據。結合DJS140/300/3×450 型帶式輸送機的主要技術參數及其運輸要求，得出在系統啟動階段所需的輸送帶的張緊力不得小于404.2 kN。因此，確定基于永磁同步電機張緊裝置的張緊力不得小于450 kN。

2 基于永磁同步電機自動張緊裝置的設計

本節將重點完成對永磁同步電機自動張緊裝置中變頻張緊絞車、電氣控制系統的設計。結合帶式輸送機傳統自動張緊裝置的結構組成，完成基于永磁同步電機自動張緊裝置的結構設計，整體結構布置如圖2 所示。

圖2 永磁同步電動機自動張緊裝置結構示意圖

如圖2 所示，基于永磁同步電機的自動張緊裝置主要包括有永磁變頻張緊絞車、電氣控制系統和制動裝置。其中，電氣控制系統主要實現對永磁同步電動機的變頻調速控制；制動裝置為保證系統安全、穩定運行的基礎；永磁變頻張緊絞車為直接對輸送帶張力進行調節和控制的執行機構；張力傳感器為對輸送帶張力進行實時監測的裝置，所采集的數據為電氣控制系統得出控制指令的依據[3]。

2.1 永磁變頻張緊絞車的設計

永磁變頻張緊絞車為張緊裝置功能實現的直接執行機構，該機構的核心設計為對永磁同步電機的選型。結合DJS140/300/3×450 型帶式輸送機的主要技術參數及其運輸要求完成張緊絞車中鋼絲繩、滑輪以及張緊滾筒的設計。本節重點對永磁同步電機的選型設計進行研究。

根據自動張緊裝置在工作面的工況，確定張緊絞車中配套鋼絲繩為7×18 型鋼芯鋼絲繩，直徑為24 mm；對應滑輪的直徑為500 mm；張緊滾筒的直徑為520 mm，根據張緊行程和相關容繩量的標準要求確定滾筒長度為520 mm。

根據張緊小車的速度為0.1 m/s，帶式輸送機所需張緊力為450 kN，則要求驅動電機的驅動功率不小于0.1 m/s×450 kN=45 kW。由于基于永磁同步電機的驅動系統中，永磁同步電機、聯軸器直接與張緊滾筒實現連接，結合電機軸承機械效率為0.98，聯軸器的機械效率為0.98，滑輪組的機械效率為0.95，得出永磁同步電機直驅系統的機械效率為0.893[4]。

因此，可以得出永磁同步電機的輸出功率不得小于45 kW/0.893=50.4 kW。考慮到1.4 倍的余量要求，最終確定永磁同步電機的輸出功率不得小于50.4 kW×1.4=70.56 kW。結合計算結果，并綜合市面上永磁同步電機的產品，最終確定張緊裝置的永磁同步電機型號為TYZD-110/45（380），該型電機的關鍵參數如表1 所示。

表1 TYZD-110/45（380）永磁同步電機關鍵參數

同時，根據電機的選型結果為其配套型號為KZP-450/25-I 型的盤式制動器。

2.2 電氣控制系統的設計

電氣控制系統根據張力傳感器所采集張力參數和實時工況對應的張力要求得出相應的控制指令；同時，所得控制指令對變頻器進行控制，從而實現對永磁同步電機轉速的控制，直接表現為張緊小車速度和行程的控制[5]。本節重點對電氣控制系統的變頻器和張力傳感器進行選型。

2.2.1 變頻器的選型設計

變頻器選型的主要原則為永磁同步電機相配套。因此，結合TYZD-110/45（380）永磁同步電機的相關參數為其配套型號為ACS550-01-246A-4 型的變頻器，該型變頻器的主要技術參數如表2 所示。

表2 ACS550-01-246A-4 型變頻器技術參數

鑒于變頻器在實際工作中會有部分能量轉換為熱量，而且該型變頻器的最高工作溫度為65 ℃。因此，為保證變頻器在合理溫度范圍之內工作，需為變頻器配套IGBT 底板水套冷卻系統。

2.2.2 張力傳感器的選型設計

根據DJS140/300/3×450 型帶式輸送機在啟動階段所需的張緊力為75kN。本系統選用型號為GAD100 的礦用本安型張力傳感器對輸送帶的實時張力進行檢測。GAD100 型張力傳感器的技術參數如表3 所示。

表3 GAD100 型張力傳感器技術參數

3 結語

帶式輸送機張緊裝置為保證輸送帶張力滿足實際工況的機構，其對保證帶式輸送機的安全、穩定運行具有重要意義。鑒于永磁同步電機具有傳動效率高、節能效果好的優勢，本文基于永磁同步電機完成了永磁直驅張緊裝置的設計，將張緊裝置傳統三相異步電動機+減速器的驅動方式改進為永磁同步電動機直驅的方式。結合帶式輸送機的工況，確定了永磁同步電機的型號為TYZD-110/45（380），配套制動器的型號為KZP-450/25-I，配套變頻器的型號為ACS550-01-246A-4。