建北煤礦主斜井帶式輸送機永磁驅動技術分析

馬香玲

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

陜西黃陵建北煤礦生產能力為7.00 Mt/a，生產的煤炭是良好的動力用煤及氣化、液化等化工原料。井下“一井兩區，一區一面”生產，現井下三、四盤區同時生產。目前煤炭主運輸系統出現以下問題：井下2個綜采工作面同時生產時，工作面峰值輸送量到主斜井帶式輸送機時，主斜井帶式輸送機頻繁出現過載保護停機、輸送機壓死情況以及重載無法啟動工況，嚴重影響礦井正常生產及設備安全運行。為此，急需對主斜井帶式輸送機進行升級改造，提高過載能力，實現重載啟動，保證礦井正常生產。

1 驅動改造方案

1.1 現有主斜井帶式輸送機設備

建北煤礦主斜井帶式輸送機屬于大型帶式輸送機，驅動采用隔爆電機+CST可控軟啟動方式，主要技術參數見表1。

表1 主斜井帶式輸送機主要技術參數

1.2 改造原則

在現有主斜井井筒和驅動機房設備基礎、空間中挖潛改造，盡量利用現有設備[9]；采用先進的新技術提升主斜井帶式輸送機智能驅動能力，實現重載啟動，保證礦井主運輸的可控、高效和節能生產；不改變主斜井帶式輸送機的帶寬以保證現有主斜井井筒斷面和設備基礎預埋件不變。

1.3 驅動改造方案

1.3.1 永磁變頻調速驅動方式的確定

傳統帶式輸送機異步電機驅動系統存在的啟動困難、維修費用高以及日常生產中突發故障多等問題，其啟動特性如圖1所示。永磁變頻直驅系統具有啟動轉矩大、過載能力強、效率和功率因數高、結構簡單、免維護、溫升低以及使用壽命長，便于實現智能化等優點，極大地提升了運輸系統的生產效率[12，4]，其啟動特性如圖2所示。

圖1 異步電機啟動特性Fig.1 Starting characteristics of asynchronous motors

圖2 永磁電機啟動特性Fig.2 Starting characteristics of permanent magnet motor

智能永磁直驅系統融合變頻矢量控制技術、低速直驅大轉矩永磁同步電動機技術和智能控制技術，解決早期設備在主斜井帶式輸送機上出現逆轉找磁極的問題。永磁同步變頻電動機革命性的拋棄三相異步電動機、減速機、機械軟起裝置，采用電動機與傳動滾筒直聯的方式，具有重載軟啟動和多機動態功率平衡的功能。永磁同步電機采用永磁體勵磁而不會產生轉子損耗，總損耗相對于異步電機可降低40%～60%[6]，在啟動過程中永磁直驅式帶式輸送機具有更小的張力峰值，同時在整個啟動過程中比異步驅動式帶式輸送機降低了約8%的能耗[15]。永磁直驅系統日常基本免維護和檢修，節約大量的人力物力成本，減輕生產過程中的環境污染，有效減少碳排放。其智能調速功能滿足主煤流系統智能化建設要求，解決了大型主斜井帶式輸送的軟啟動，重載啟動和多機動態功率平衡問題。

建北煤礦主斜井帶式輸送機驅動方式改造采用目前技術先進的智能永磁直驅系統替代傳統的驅動裝置直接驅動帶式輸送機方案。

1.3.2 智能永磁同步變頻調速設備選型及比選

永磁同步變頻調速設備：目前，隨著永磁驅動技術的發展，國內外帶式輸送機永磁變頻調速驅動設備主要有智能永磁直驅滾筒、智能永磁同步變頻調速一體機和智能永磁同步變頻調速分體機3大類。煤礦井下帶式輸送機設備，用于煤塵、爆炸性氣體危險環境的設備必須有煤安證。智能永磁直驅滾筒有煤安證的最大功率為315 kW；智能永磁同步變頻調速一體機目前1 140 V設備較為成熟，但沒有高壓設備；智能永磁同步變頻調速分體機目前低壓660 V/1 140 V，高壓6 kV/10 kV較為成熟，設備組成和適用條件見表2。

表2 智能永磁驅動設備組成和適用條件

永磁同步變頻調速設備計算選型及方案比選：礦方實測井下2個工作面同時生產時的峰值煤量約為1 700 t/h，大約持續1 h。根據改造設計原則和設計依據。計算設計輸送量，計算帶式輸送機所需總圓周力和驅動功率。永磁電機根據轉矩要求進行設計選型，異步電機按照功率進行設計。

設計輸送量

Q=3 600ψStANυρ

(1)

式中，ψSt為傾斜輸送時輸送帶承載物料的理論橫截面積縮減系數[3]，ψSt=0.91；AN為輸送帶承載物料的設計橫截面積，AN=0.165 m2；v為帶速，v=4 m/s；ρ為堆積密度，ρ=0.9 t/m3。

Q=1 946.94 t/h>1 700 t/h，輸送能力滿足運煤要求。

所需總圓周力

FTr=CFH+FS+FSt

(2)

式中，C為附加阻力系數，選取C=1.09；FH為主要阻力，計算為116 907 N；FS為特種阻力，計算為11 403 N；FSt為提升阻力，計算為229 558 N。

所需總圓周力FTr=368 390 N

則所需單臺傳動滾筒軸功率PM=FTrυ/2 000=736.78 kW，2臺。

永磁電動機轉速確定

驅動轉矩確定(富裕系數k，取1.2[7])

T=k×9 550×PM=140 725 N·m

在永磁同步變頻電動機選型時，應由關注電動機額定輸出功率的傳統慣性思維逐漸回歸到電動機本質，將關注點放在電動機輸出額定扭矩上[7]。

經設計計算，建北煤礦主斜井帶式輸送機采用2套永磁直驅電機。對于多電機驅動方式，最關鍵問題在于實現各個電機的動態功率平衡問題，從而達到節能的效果[14]，永磁驅動具有多機動態功率平衡功能。依據現有10 kV電壓和改造后的驅動功率要求，改造方案可選2套低壓1 140 V永磁變頻一體機和6 kV高壓的永磁變頻分體機。兩者對比見表3。

表3 分體機和一體機對比

建北煤礦主斜井帶式輸送機運輸距離長，總機功率大，屬于大型帶式輸送機，目前國內外應用永磁驅動設備越來越多，但在主斜井帶式輸送機上采用永磁電機變頻驅動技術實例較少，尤其2臺額定扭矩約159 kN·m(相當于功率約為1 000 kW)的一體機，目前還沒有應用案例，考慮到主斜井帶式輸送機為煤礦運輸的提升咽喉環節，結合目前永磁一體機和分體機的技術發展，改造方案優選永磁分體機方案。但隨著永磁控制、變頻控制技術進一步發展完善，一體機將電動機和變頻器融合為一體，必將在主斜井帶式輸送機系統中得到廣泛應用。

2 經濟效益分析

煤礦機電設備大多為大功率用電設備，節能可以創造顯著的經濟效益[10]。帶式輸送機是煤礦井下主要運輸設備同時也是主要的能耗設備，恒速運行雖然可滿足煤炭的運輸要求[12]，但從井下工作面來看煤往往不均衡。

在倡導綠色節能的歷史背景下，通過煤量監控，實時進行帶式輸送機智能變頻調速控制，從而實現節約電量消耗[11]，而永磁變頻直驅系統必將成為帶式輸送機的主流配置[4]。永磁直驅系統傳動效率近似1，從而降低了維護和運行成本[13]。永磁變頻直驅系統可根據負載情況進行速度調節，能在任意頻率下低速運行[8]，可滿足綠色礦山建設節能要求。

建北主斜井帶式輸送機采用傳統驅動方式與永磁變頻驅動方式的節能減排和維護效益對比分析見表4。以帶式輸送機運行每年330 d，每天18 h，生產用電價格0.8元/度，負載按額定60%計算。

表4 節能對比

傳統帶式輸送機驅動系統更替為新型的永磁變頻調速直驅系統后，節能減排和經濟效益顯著[5]。依據表4分析可見，建北煤礦主斜井帶式輸送機每年可節約電能總計約67.6萬元，維修維護人工費節約19.5萬元，年節約總費用約87.1萬元。

3 結語

永磁變頻直驅系統應用在主斜井帶式輸送機，不僅具有結構簡單、免維護、性能可靠和高效節能等特點，而且具有啟動轉矩大、過載能力強，能夠解決大型主斜井帶式輸送的軟啟動，尤其重載啟動問題，且其智能調速功能為實現煤礦主運輸系統智能化控制提供了硬件支撐。