永磁直驅(qū)滾筒在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用探討*

白文飛

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)煤炭洗選分公司 精煤分公司燕子山選煤廠，山西 大同 037000)

0 引 言

帶式輸送機(jī)是廣泛應(yīng)用于煤礦、金屬礦、選煤廠等領(lǐng)域的重要物料輸送設(shè)備，在選煤廠散煤輸送過程中發(fā)揮著重要的作用[1]。隨著當(dāng)前煤礦開采量的不斷增加，選煤廠面臨著生產(chǎn)任務(wù)重、運量大、能耗較大且維護(hù)成本較高等問題[2]。目前國內(nèi)選煤廠使用的帶式輸送機(jī)大多使用三相異步電動機(jī)、聯(lián)軸器和減速器驅(qū)動滾筒傳動，整個傳動過程中機(jī)械損耗比較大，且使用的設(shè)備比較多，非常容易出現(xiàn)各種故障，導(dǎo)致傳動系統(tǒng)的維護(hù)成本比較高，多臺設(shè)備同時工作消耗的電能比較大且對環(huán)境的污染比較嚴(yán)重[3-5]。

為了解決傳統(tǒng)選煤廠帶式輸送機(jī)傳動系統(tǒng)存在的機(jī)械效率低、故障率較高、系統(tǒng)能耗大、維護(hù)成本高等問題，筆者提出了永磁直驅(qū)滾筒應(yīng)用方案，利用永磁直驅(qū)技術(shù)使三相交變電流驅(qū)動空間磁場產(chǎn)生驅(qū)動力矩，直接將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能實現(xiàn)直驅(qū)，省去了電動機(jī)、減速器和聯(lián)軸器等部件，使得整個傳動系統(tǒng)的效率大大提高，此方案占地面積減小、故障率降低、維護(hù)成本降低，經(jīng)工業(yè)應(yīng)用驗證，其節(jié)能效果可觀，具有良好的市場前景。

1 傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點分析

對于選煤廠帶式輸送機(jī)而言，驅(qū)動滾筒的系統(tǒng)主要由電動機(jī)、聯(lián)軸器和減速器組成，電動機(jī)將電力轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，通過聯(lián)軸器和減速器將動力傳遞到驅(qū)動滾筒，由驅(qū)動滾筒和輸送帶之間的摩擦力實現(xiàn)輸送帶的運動[6-9]。如圖1所示為永磁同步電動機(jī)驅(qū)動滾筒結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 永磁同步電機(jī)驅(qū)動方式組成示意圖

從圖1中可以看出，永磁同步電動機(jī)驅(qū)動三相異步電機(jī)實現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，隨后通過中間傳動裝置實現(xiàn)機(jī)械能的傳遞。通過減速器、聯(lián)軸器等機(jī)械部件將動力傳遞給驅(qū)動滾筒，通過變頻器對電動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)傳動系統(tǒng)使用的三相異步電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用壽命長以及保養(yǎng)維護(hù)簡單等優(yōu)點，但對于整個傳動系統(tǒng)存在如下問題。

(1) 三相異步電動機(jī)效率低，功率因數(shù)低。

三相異步電動機(jī)啟動過程中，需要通過三相繞組在空中產(chǎn)生磁場從而與內(nèi)壁的定子磁場作用產(chǎn)生驅(qū)動力矩，所以實際運行中三相異步電機(jī)有90%是工作在額定功率的70%以下，負(fù)載率70%時效率是在80%左右。由于異步電動機(jī)在磁場中會吸收無功功率，所以最后導(dǎo)致總的功率因數(shù)比較低，并且當(dāng)負(fù)載率出現(xiàn)下降時，電機(jī)的功率和效率都會下降。

(2) 傳動系統(tǒng)機(jī)械功率較低，能耗較大。

帶式輸送機(jī)傳動系統(tǒng)主要由三相異步電動機(jī)、減速器和聯(lián)軸器等部分組成，其中減速器的效率為0.94，為降低能耗使用的液力耦合器效率為0.96，機(jī)械傳動效率為0.94×0.96=0.90。電壓降系統(tǒng)效率為0.92，多電機(jī)功率不平衡系數(shù)為0.93，則可計算出傳動系統(tǒng)總效率為77%。系統(tǒng)效率低，消耗電力能源較大，液力耦合器的效率<97%，至少會浪費總電力的3%，故整個傳動系統(tǒng)每年損耗電量非常大。

(3) 故障率高，維護(hù)量大，成本較高。

傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)部件較多，使用過程中易受煤礦井下復(fù)雜工況以及惡劣環(huán)境的影響，機(jī)械設(shè)備非常容易損壞，比如常見的液力耦合器軸承損壞、工作液體泄漏、葉片損壞以及減速器齒輪損壞、潤滑不良、密封漏油等，這些問題導(dǎo)致整個傳動系統(tǒng)的故障率較高，維護(hù)量較大，造成整個傳動系統(tǒng)的維護(hù)成本較高。

2 永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒方案設(shè)計

為了解決傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)存在的問題，文中創(chuàng)新性提出了永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒設(shè)計方案，將電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，從而省去了減速器、聯(lián)軸器以及液力耦合器等動力傳遞機(jī)械裝置。圖2所示為永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒由驅(qū)動滾筒本體、定子主軸、軸承座以及內(nèi)置電動機(jī)等部分組成，其中主軸是固定不動的，定子鐵芯由硅鋼片疊加固定在主軸上，在定子主軸上有三相繞組。當(dāng)外部通入三相對稱電流時，將會在空間中形成三相磁場，電流產(chǎn)生的磁場與固定永磁體產(chǎn)生的磁場相互作用將會產(chǎn)生驅(qū)動力矩，驅(qū)動外轉(zhuǎn)子滾筒轉(zhuǎn)動。通過控制輸入三相電流的大小控制卷筒的轉(zhuǎn)速，通過控制三相電流的方向來控制轉(zhuǎn)向與啟停。圖3所示為永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒驅(qū)動原理圖。

圖3 永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)

如圖3所示，文中提出的永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒是將電動機(jī)置于滾筒內(nèi)部，主要由定子主軸、永磁體、定子鐵芯以及滾筒部件等組成。在滾筒內(nèi)壁安裝有永磁體，永磁體分為N極和S極，滾筒作為永磁同步電機(jī)的外轉(zhuǎn)子，當(dāng)電流通過導(dǎo)線時將會產(chǎn)生磁場并與固定永磁體磁場作用產(chǎn)生驅(qū)動電磁力矩，從根本上改變傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)的驅(qū)動和傳動方式，減少傳動環(huán)節(jié)，從而顯著提高傳動效率，結(jié)構(gòu)緊湊、安全，可靠性高，高效節(jié)能，此外采用永磁直驅(qū)技術(shù)可同時實現(xiàn)超低頻大扭矩啟動、低速運轉(zhuǎn)，該技術(shù)還具備無高速軸承，無諧波等特點。

3 永磁直驅(qū)滾筒變頻控制關(guān)鍵技術(shù)研究

永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒可將電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，通過對輸入電流的控制從而驅(qū)動外轉(zhuǎn)子滾筒牽引輸送帶實現(xiàn)物料輸送。將電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能需要對電流進(jìn)行變頻控制，因而控制系統(tǒng)受外部擾動的響應(yīng)會比較強(qiáng)烈，這就導(dǎo)致永磁直驅(qū)滾筒的控制難度加大。為此，提出了永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒變頻調(diào)速控制系統(tǒng)方案，如圖4所示。

圖4 永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒控制系統(tǒng)模型

如圖4所示，直驅(qū)控制系統(tǒng)是利用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)來直接控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，此系統(tǒng)可以保持恒定的定子磁場。利用直接轉(zhuǎn)矩的控制方式可將電動機(jī)定子磁鏈的幅值通過電壓空間矢量進(jìn)行控制并使其變?yōu)楹愣ㄖ担诟淖冝D(zhuǎn)矩大小時需控制定子與轉(zhuǎn)子之間夾角。在Simulink中搭建控制系統(tǒng)模型，并對其進(jìn)行仿真分析，得到如圖5所示的仿真分析曲線。

圖5 控制系統(tǒng)仿真分析結(jié)果

從圖5中可以看出，設(shè)定的轉(zhuǎn)速為50 r/min，在固定仿真時間段內(nèi)滾筒速度曲線表現(xiàn)比較平穩(wěn)；在梯形速度模式下，啟動瞬間產(chǎn)生一定的速度超調(diào)，但是在經(jīng)過短暫的0.4 s之后速度恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，從中可以看出變頻控制系統(tǒng)方案魯棒性較強(qiáng)，抵抗外部干擾的能力較強(qiáng)并且能充分利用控制器自身優(yōu)點實現(xiàn)對運行過程控制。圖中速度曲線平滑控制下速度波動比較小，運行比較平穩(wěn)。

4 應(yīng)用與能效分析

為了驗證此永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒的應(yīng)用效果和優(yōu)勢，在山西某煤礦主斜井進(jìn)行現(xiàn)場安裝和調(diào)試，圖6所示為永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒實物圖。表1所列為此次應(yīng)用的斜井帶式輸送機(jī)參數(shù)特征，其中使用永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電動機(jī)、減速器和聯(lián)軸器驅(qū)動。

圖6 永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒實物圖

表1 帶式輸送機(jī)參數(shù)表

圖6所示為永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒。應(yīng)用表明：此次提出的永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒實現(xiàn)了軟啟動，滿載運行工況下的實際啟動電流未超過額定電流的2倍。其中永磁電機(jī)的過載能力可達(dá)到2倍以上的額定轉(zhuǎn)矩。永磁直驅(qū)系統(tǒng)高效、節(jié)能，節(jié)電效果可達(dá)20%以上，整臺設(shè)備的維修費用非常低，人員成本大幅下降。

綜上所述，文中提出的永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒實現(xiàn)了集成化設(shè)計，將電動機(jī)內(nèi)置于滾筒內(nèi)部，整體占地面積更小，機(jī)械傳動效率達(dá)到了95%以上，并且使用變頻器進(jìn)行控制啟動，實現(xiàn)了傳動系統(tǒng)的軟啟動，免維護(hù)，有效避免電動機(jī)啟動瞬間產(chǎn)生的較大電流對電網(wǎng)帶來的沖擊，降低了系統(tǒng)的電網(wǎng)故障以及機(jī)械故障，大大降低了維修成本，同時整個傳動系統(tǒng)鏈條縮短，整個系統(tǒng)的電能消耗大大降低，每年可節(jié)省維護(hù)費用達(dá)到12.85萬元，節(jié)省電費成本大約為190萬元，取得良好的應(yīng)用效果和巨大的經(jīng)濟(jì)價值。

5 結(jié) 語

針對選煤廠帶式輸送機(jī)傳統(tǒng)驅(qū)動方式存在效率低、設(shè)備數(shù)量多、能耗較大、成本較高等問題，提出了一種永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒設(shè)計方案，在組成結(jié)構(gòu)上省去了傳統(tǒng)的電動機(jī)、聯(lián)軸器、減速器等部件，將電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能從而使得機(jī)械效率大大提高，并對其永磁直驅(qū)變頻控制技術(shù)進(jìn)行了研究，得出變頻控制系統(tǒng)魯棒性較強(qiáng)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快、超調(diào)量小。經(jīng)某煤礦工業(yè)性應(yīng)用表明，此次提出的選煤廠帶式輸送機(jī)用永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒總占地面積小、模塊化程度較高、驅(qū)動控制系統(tǒng)靈活，通過軟啟動實現(xiàn)了對電路系統(tǒng)的保護(hù)，并且大大降低了系統(tǒng)的運行維護(hù)成本，對于選煤廠而言，每年可節(jié)省電力成本約為190萬元，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，具有很高的推廣價值。