刮板輸送機永磁同步一體機驅動的應用研究

周建平

（山西王家嶺煤業有限公司王家嶺煤礦，山西 忻州 036600）

1 工程概況

晉能控股煤業集團王家嶺煤礦18106 工作面現場配置刮板輸送機型號為SGZ1250/3×1200，基本參數如下：供貨長度320 m；輸送量≥3500 t/h；總裝機功率3×1200 kW；刮板鏈速0～2.0 m/s；供電電壓3300 V；槽內寬1250 mm；中部槽長度2050 mm，刮板鏈規格為Φ52/128×170 mm 超扁平鏈；銷軌型式為整體鍛造（節距172 mm）；卸載方式為交叉側卸；緊鏈方式為液壓馬達緊鏈+伸縮機尾輔助緊鏈（手動加自動）。

18106 工作面SGZ1250/3×1200 型刮板輸送機2021 年2 月前采用傳統的普通鼠籠式電機+液力耦合器+減速器的傳統驅動方式。耦合器采用閥控型液力耦合器，其主要結構如圖1。該驅動方式啟動后電機一直維持在一個恒定的速度運轉，基本不隨負載的變化而變化。因此，該傳統驅動系統在實踐應用中存在傳動效率低、能耗高、電流大、發熱高、存在無功功率、網側功率因素低等問題，對驅動系統進行永磁同步變頻一體機的優化改進[1-2]。

圖1 閥控型液力耦合器結構示意圖

2 方案設計

2.1 系統配置

18106 工作面刮板運輸機使用3 臺1200 kW/3300 V 礦用隔爆兼本質安全型永磁同步變頻一體機驅動，永磁變頻一體機均由一根3300 V 主動力電纜供電，整個運輸系統可通過KXJ-0.5/127 智能控制箱實現多臺設備主從控制運行，驅動系統如圖2。

圖2 永磁同步變頻一體機智能驅動系統示意圖

2.2 系統供電

變頻一體機供電可通過組合開關或由3300 V 移動變電站直接供電，每臺一體機供電僅需一根輸入電纜即可，電源側輸入電纜推薦選用MVFP-1.9/3.3 3×95+3×50/3 型變頻裝置用橡套軟電纜。

2.3 設計方案配置明細

刮板輸送機永磁同步變頻一體機智能驅動系統設計方案設備配置明細見表1。

表1 設備配置明細表

2.4 變頻一體機設備選型

根 據18106 工 作 面SGZ1250/3×1200 型 刮 板輸送機的工作現場實況，選用TYJVFT1-450M4-6（1200/3300）型礦用隔爆兼本質安全型高壓永磁同步變頻調速一體機，完全適用于1200 kW 功率范圍及以下三相永磁同步電動機的變頻調速控制。

2.4.1 技術參數

外 形 尺 寸 長× 寬× 高=2522 mm×950 mm×1220 mm；組合形式為驅動變頻器及永磁電機一體化設計；電動機類型為三相永磁同步電動機；額定功率1200 kW；額定效率≥95%；功率因數≥0.95；額定轉速1500 r/min；最大轉速1800 r/min；電機額定扭矩7640 N·m；堵轉轉矩/額定轉矩≥2.5；最大轉矩/額定轉矩≥2.2；額定輸入電壓3AC3300V（-15%～+10%）；額定輸入電流228 A；輸入頻率50 Hz；逆變形式及逆變元件為PWM、IGBT；控制模塊為西門子/倍福PLC 等同品質產品；變頻主拓撲結構為三電平拓撲；通信接口為CAN總線。

2.4.2 結構特征

該變頻一體機外形分為電動機部分和變頻部分。電動機為單獨的隔爆腔體，變頻部分又分為變頻主腔和電源輸入腔兩個獨立的隔爆腔體。變頻主隔爆腔位于電動機上部，電源輸入腔安裝于電動機非驅動端。動力電纜通過電纜連接器引入，控制電由內部控制變壓器提供，不需要外部供電。冷卻方式為水冷，永磁同步電動機與變頻主腔均有獨立的冷卻水道，通過軟管連接形成整體冷卻。一體機冷卻水進水口在變頻部分的水冷板上，出水口在電動機上。

變頻一體機電氣系統主要由變頻部分和電動機部分組成，其中變頻部分又由主電路、控制單元、驅動單元、顯示屏等組成，如圖3。

圖3 電氣系統結構示意圖

該變頻一體機采用礦用隔爆兼本質安全型可編程控制箱。變頻一體機控制箱技術參數：長×寬×高=740 mm×330 mm×538 mm；臥裝或掛裝；額定輸入電壓127 VAC ；額定輸入電流0.5 A。一體機控制箱可控制不少于10 臺一體機的啟停及速度，控制方式采用CAN 總線通信控制加先導控制模式。一體機控制箱可實現對一體機的控制模式選擇、速度調整、啟動加速度調整、停機、驅動電機數目并脫機控制的功能。控制箱具備RS485 硬件接口和以太網接口，可實現數據上傳及遠程控制功能。一體機控制箱具備的檢測及保護功能：通過通信讀取每臺一體機的繞組、前后軸、腔室溫度、腔室濕度等，實現保護功能且保護值可設定。

2.4.3 變頻一體機冷卻

一體機采用水冷進行散熱，一體機有左右兩側對稱的進出水口，根據電機的安裝形式可以將變頻部分一側作為進水口，另一側與電機一側進出水口相連，作為電機進水口，剩余為出水口，一體機應從變頻部分進水電機出水。一體機單臺冷卻要求：流量≥3 m3/h、水溫15～40 ℃、水壓≤3 MPa。進出水口如圖4。

圖4 變頻一體機冷卻系統示意圖

3 應用效果分析

18106 工作面SGZ1250/3×1200 型刮板輸送機于2021 年3 月完成了永磁同步一體機驅動的升級改造后，投入到了實踐應用當中，應用情況如下：

（1）重載啟動性能好

永磁同步一體機驅動的應用可實現SGZ1250/3×1200 型刮板輸送機重載調速啟動，減少機械和電氣沖擊，延長設備使用壽命。永磁變頻一體機零速啟動轉矩更大，重載啟動條件下有效降低啟動電流（2 倍額定電流以內），減少設備啟動對網側的壓降影響，提升系統供電效率。

（2）結構緊湊，拆裝快捷，安裝及改造周期短

永磁同步一體機驅動系統配置簡單，布置空間小，拆裝快捷，安裝及改造周期短。對比傳統驅動方式，每臺電機接線省去一根動力電纜，降低成本及工人維護量。

（3）生命周期長

異步電機轉子磁場通過交變電流產生，形成轉子熱源；永磁體轉子無電流，不產生熱源，軸承溫度低、壽命長。通過試驗數據對比分析，700 kW永磁一體機滿載情況下，軸承溫升較異步一體機低40～50 ℃。永磁一體機軸承溫升優勢明顯，作為電機的關鍵器件，電機轉子和軸承溫升低會顯著延長電機的生命周期。

（4）遠距離供電的最佳解決方案

煤礦工作面遠距離供電供液將成為現場機電設備發展的趨勢之一，一是為減少甚至取消設備列車使用，二是實現供電設備的靜態放置，有利于檢修和維護。同時，礦井底板壓力比較大的工作面，遠距離供電供液已成為必要的選擇。

常規變頻器遠距離供電受兩方面制約：① 變頻器自身輸出距離存在限制，目前尚不能實現5000 m（1140 V 產品為1500 m）以上供電距離；② 變頻輸出電源為高頻PWM 波形，即便通過各種諧波抑制措施，仍會存在不同程度的電磁干擾，影響第三方系統正常使用。

變頻一體機遠距離供電的優勢：① 不需考慮遠距離供電的壓降因素，一體機啟動時，前級供電電纜電流很小，不會產生明顯的壓降；② 完全消除了電磁干擾影響，且對遠距離供電電纜無特殊要求。

（5）滿足未來升級需要

永磁同步一體機驅動系統除本身自帶的標準以太網、CAN 等通信接口外，同時具備DDS 智慧礦山標準通信接口。能夠滿足煤礦后期智能化升級改造的需求。

4 節能效益分析

SGZ1250/3×1200 型刮板輸送機按每天運行20 h 計算，平均有功功率占70%，永磁同步一體機驅動總的電能節省率為25%。經計算，該設備每天節約電能為12 600 kW·h，每年可節約電能4.536×106kW·h，即每年能節約電費約270 萬元。對比永磁同步一體機驅動改造之前，SGZ1250/3×1200 型刮板輸送機設備的維護、沖擊、磨損以及人工成本每年可節約20 萬元左右。永磁同步一體機驅動的改造研究，每年可為企業創造經濟效益約290 萬元，經濟效益顯著。