永磁調(diào)速技術(shù)在皮帶輸送機領(lǐng)域的應(yīng)用研究

石樹君

(太原礦機電氣發(fā)展有限公司，山西 太原 030032)

目前，國內(nèi)所有的大功率皮帶輸送機調(diào)速驅(qū)動控制都采用變頻器+電機+減速器，或電機+液力耦合器+減速器的形式。上述驅(qū)動方式雖然可實現(xiàn)電機軟啟動，并且都有較大的啟動轉(zhuǎn)矩，但其在安裝、調(diào)試、維護的復(fù)雜性方面一直困擾著廣大用戶，需要一種更便捷、可靠的調(diào)速驅(qū)動器滿足用戶的需求。一種新型的節(jié)能、環(huán)保的綠色調(diào)速控制器電磁調(diào)速器由于其自身突出的優(yōu)勢，在皮帶輸送機領(lǐng)域逐步取代其他調(diào)速裝置被廣泛應(yīng)用。

1 永磁調(diào)速器的結(jié)構(gòu)原理

永磁調(diào)速器被安裝于電機與負(fù)載之間，由主動轉(zhuǎn)子、從動轉(zhuǎn)子和調(diào)速控制執(zhí)行機構(gòu)三部分組成。主動轉(zhuǎn)子上裝有強力稀土永磁材料制成的永磁盤與電機軸相連接，隨電機一起運動;從動轉(zhuǎn)子由新型合金導(dǎo)體材質(zhì)制成，改變原始的銅鋁材質(zhì)轉(zhuǎn)子，使調(diào)速平滑穩(wěn)定，安裝在負(fù)載軸上，與負(fù)載軸同心連接;調(diào)速控制執(zhí)行機構(gòu)用于控制主動轉(zhuǎn)子和從動轉(zhuǎn)子之間距離，達(dá)到主動轉(zhuǎn)子和從動轉(zhuǎn)子之磁場作用力和傳遞力矩大小的調(diào)整。永磁調(diào)速通過永磁盤和合金導(dǎo)體之間的氣隙實現(xiàn)了電機與負(fù)載之間的轉(zhuǎn)矩傳輸，實現(xiàn)了動力和負(fù)載之間沒有機械連接力傳遞結(jié)構(gòu)。

永磁調(diào)速器是通過氣隙來傳遞轉(zhuǎn)矩的革命性傳動技術(shù)，電動機運行時帶動裝有強力稀土永磁鐵的主動轉(zhuǎn)子運動形成旋轉(zhuǎn)磁場，從動轉(zhuǎn)子在磁場中作切割磁力線相對運動，從而在從動轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生渦流，該渦流在從動轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生反向感應(yīng)磁場，該感應(yīng)磁場與永磁轉(zhuǎn)子的永磁磁場相作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。拉動從動轉(zhuǎn)子隨主動轉(zhuǎn)子運動，從而實現(xiàn)電機與負(fù)載之間的無接觸轉(zhuǎn)矩傳輸。這種轉(zhuǎn)矩傳輸運動是不同步的，也就是說與負(fù)載相連的從動轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)小于與電動機軸相聯(lián)的主動轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，形成的這個轉(zhuǎn)速差稱為滑差。在電動機滿轉(zhuǎn)矩且主動轉(zhuǎn)子與從動轉(zhuǎn)子作用力最大時，該滑差在1% ～4%。如果改變主動轉(zhuǎn)子與從動轉(zhuǎn)子兩者之間的距離時，也就改變了兩者之間的作用力，其結(jié)果也就改變了滑差和傳遞的力矩。距離近，作用力大，滑差小，傳遞的力矩大;距離遠(yuǎn)，作用力小，滑差大，傳遞的力矩小。主動轉(zhuǎn)子和從動轉(zhuǎn)子兩者之間的距離稱為“氣隙”，通過氣隙調(diào)整可以獲得可調(diào)整的、可控制的、可以重復(fù)的負(fù)載轉(zhuǎn)速，永磁調(diào)速器就是通過調(diào)整這個氣隙的大小來達(dá)到調(diào)速的目的。其調(diào)速范圍可達(dá)0～98%電動機轉(zhuǎn)速。在自動控制設(shè)備中，氣隙的調(diào)節(jié)是通過一套電動執(zhí)行器來控制的。執(zhí)行器接收由DCS系統(tǒng)或PLC控制箱提供4～20 mA的控制信號，調(diào)節(jié)調(diào)速器的氣隙，以在線調(diào)節(jié)負(fù)載的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制或自動控制。

2 永磁調(diào)速器在皮帶輸送機的控制過程分析研究

在皮帶輸送機配套設(shè)計時，根據(jù)皮帶的長度、皮帶的運量、地質(zhì)條件，驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計為單電機驅(qū)動、多電機單點驅(qū)動及多電機分布驅(qū)動的方式。對驅(qū)動系統(tǒng)的要求主要體現(xiàn)在啟動、制動過程中能最大限度的降低系統(tǒng)的慣性力，并能實現(xiàn)過載保護和負(fù)載平衡，將帶式輸送機的加速啟動、減速停車和運行時的膠帶張力減到最小。永磁調(diào)速器的驅(qū)動結(jié)構(gòu)為“一拖一”的形式，即一臺電動機+一臺永磁調(diào)速器+一臺負(fù)載設(shè)備。當(dāng)需要多電機驅(qū)動時，通過程序控制器對各電機發(fā)出分步啟動控制即可解決多臺電機啟動時對電網(wǎng)的沖擊影響。電機啟動后電機在工頻下由零速迅速達(dá)到額定速度，電機的效率達(dá)到最高，當(dāng)控制系統(tǒng)接收到電機全速信號后，對氣隙控制執(zhí)行器發(fā)出控制信號，調(diào)節(jié)氣隙由大逐漸減小，皮帶機負(fù)載側(cè)的轉(zhuǎn)動力矩逐漸增大，當(dāng)轉(zhuǎn)動力矩克服皮帶機阻力時，皮帶機皮帶逐漸張緊由靜止逐漸加速到全速運行。這樣就避免了啟動沖擊對皮帶的損壞。皮帶輸送機停車時，控制系統(tǒng)逐漸增大每臺調(diào)速器的氣隙，皮帶機負(fù)載側(cè)的牽引力矩逐漸減小，皮帶機的控制速度緩慢降低至零轉(zhuǎn)速。永磁調(diào)速器在系統(tǒng)控制中能穩(wěn)定的控制多驅(qū)動的負(fù)載平衡，將系統(tǒng)采集到的各負(fù)載電流傳輸?shù)接蒁CS系統(tǒng)或PLC組成的控制箱中，控制器將各負(fù)載電流進行比較，根據(jù)負(fù)載的不同調(diào)節(jié)輸出4～20 mA的控制信號，調(diào)節(jié)調(diào)速器的氣隙，實現(xiàn)對負(fù)載平衡控制。

皮帶輸送機啟動和停止的運行特性是由加速時間和減速時間來確定的。在實際應(yīng)用的過程中，加速時間和減速時間需要根據(jù)現(xiàn)場情況通過程序控制進行調(diào)整，如皮帶長度、皮帶的運量、皮帶驅(qū)動點的布局、皮帶工作面的起伏程度?？煽氐募訙p速時間調(diào)整，為皮帶機提供了優(yōu)良的起、停斜坡曲線，極大的疏緩了皮帶機的動態(tài)張力，減輕了對機械設(shè)備的損傷。

當(dāng)皮帶輸送機由多臺永磁調(diào)速器聯(lián)合驅(qū)動時，應(yīng)當(dāng)采用閉環(huán)自動控制系統(tǒng)來保證每臺驅(qū)動電機的負(fù)載平衡。由DCS系統(tǒng)或PLC組成的集控系統(tǒng)對氣隙執(zhí)行器發(fā)出控制信號的同時，接收到來自驅(qū)動電機電流互感器的實時負(fù)載反饋信號，在集控系統(tǒng)中進行高速運算及時調(diào)整氣隙大小來調(diào)整負(fù)載的輕重，最終實現(xiàn)負(fù)載平衡。在多電機多點分布聯(lián)合驅(qū)動時，永磁調(diào)速器工作中的輕微滑差特性，更能顯現(xiàn)其在調(diào)速系統(tǒng)中的優(yōu)越性，對負(fù)載的容忍性更強。

永磁調(diào)速器能有效改善系統(tǒng)的運行特性完全滿足實際應(yīng)用要求，使大型帶式輸送機的性能達(dá)到最好。而由傳統(tǒng)的電動機、減速器所組成的驅(qū)動裝置在啟動和停車過程當(dāng)中輸送帶的帶速隨著電動機的轉(zhuǎn)速變化而快速變化，加劇了輸送機本身的振動，縮短了軸承和密封的使用壽命，加大了機械設(shè)備的疲勞強度，增大了系統(tǒng)的慣性力，特別是在輸送帶滿載情況下啟動更為困難，因此，傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足長距離、大運量的大型帶式輸送機需求。

3 永磁調(diào)速器與變頻器、液力耦合器的性能比較

3.1 設(shè)計原理

永磁調(diào)速器采用電磁感應(yīng)原理，利用導(dǎo)體切割磁力線運動產(chǎn)生電流，同時帶電導(dǎo)體在磁場中受到磁力的作用。運行原理是當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)時，帶動主動轉(zhuǎn)子永磁盤與非鐵導(dǎo)體盤之間相對運動切割磁力線，產(chǎn)生渦流進而產(chǎn)生感應(yīng)磁場，來拉動從動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，主動轉(zhuǎn)子離從動轉(zhuǎn)子越近，切割磁力線產(chǎn)生的磁場越強，驅(qū)動負(fù)載的轉(zhuǎn)矩就大，負(fù)載的轉(zhuǎn)速越高，反之，負(fù)載的轉(zhuǎn)速越低。驅(qū)動裝置無機械連接結(jié)構(gòu)，通過氣隙傳遞扭矩，且對輸入電壓不敏感，過載保護采用滑差保護。變頻器應(yīng)用電力電子變流技術(shù)，采取可控硅整流輸入，通過PWM直流斬波實現(xiàn)輸出頻率變換，通過改變電機輸入的電流、頻率、波形來實現(xiàn)電機速度的調(diào)節(jié)控制，系統(tǒng)的保護由過電流跳閘來實現(xiàn)，系統(tǒng)的設(shè)計原理復(fù)雜。液力耦合器是一種以液體為介質(zhì)的非剛性聯(lián)軸器，通過改變?nèi)~輪間液體的容積來改變傳動力矩，調(diào)節(jié)負(fù)載的傳遞速度。不受輸入電網(wǎng)電壓的影響，系統(tǒng)過載是通過堵轉(zhuǎn)泄壓進行保護。

3.2 對工況的要求

永磁調(diào)速器在±100℃的極限環(huán)境溫度下設(shè)備的特征和性能不會發(fā)生變化，仍然能正常工作。永磁調(diào)速器是無直接機械連接的調(diào)速裝置，最小氣隙為3 mm，它可以用于空氣中粉塵較高的環(huán)境，可用水沖洗設(shè)備，同時永磁調(diào)速器是非接觸式、磁力矩傳遞的調(diào)速驅(qū)動設(shè)備，沒有強電流源。氣隙電動執(zhí)行器采用0～20 mA控制信號，在煤礦、化工以及粉塵嚴(yán)重易燃易爆環(huán)境下使用，只需對控制執(zhí)行信號進行本安隔離或隔爆性能處理就能適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境。

變頻器為電力電子設(shè)備，為保證設(shè)備的穩(wěn)定可靠運行，必須保證溫度和濕度恒定在某個范圍內(nèi)，通常情況下溫度在－10～40℃，濕度在40% ～90%，可正常工作，電子調(diào)速裝置必須在潔凈環(huán)境工作。對設(shè)備的安裝空間要求較高，必須安裝在大型防爆箱體內(nèi)，整體按照防爆使用要求設(shè)計才能在易燃易爆環(huán)境下使用，對周圍的環(huán)境要求很高。

液力耦合器以礦物油為介質(zhì)，環(huán)境溫度不低于－10℃，沒有電氣連接，可用于危險場所，在潮濕、粉塵、炎熱、易燃易爆等特殊環(huán)境下使用，必須進行特殊設(shè)計。

3.3 安裝、調(diào)試、使用、維護

永磁調(diào)速器電動機和負(fù)載之間是非接觸式動力傳遞結(jié)構(gòu)，對中精度要求較低，安裝調(diào)試快捷。而且永磁調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)簡單，無復(fù)雜的電路設(shè)備，經(jīng)過短期培訓(xùn)后，用戶使用人員可以熟練操作，而且可以頻繁啟動，用戶維護人員能快速確定故障原因，并能自行解決。永磁調(diào)速器基本是免維護的，無須儲備維護備件，整套設(shè)備占用的空間很小，使用壽命可長達(dá)20年。

變頻調(diào)速系統(tǒng)安裝時要求電動機和負(fù)載之間需精密對中，對設(shè)備的安裝位置的環(huán)境溫度、濕度要求較高。調(diào)試過程中，為保證多驅(qū)動的負(fù)載平衡和多點驅(qū)動的同步性能，需要花費較多人力和時間才能實現(xiàn)。使用過程中，雖然起停操作較簡單，但操作過程中注意事項較多且不能頻繁啟動，否則易導(dǎo)致故障發(fā)生。變頻調(diào)速系統(tǒng)由復(fù)雜的電力電子設(shè)備組成，對維護人員專業(yè)性要求極高。目前，國內(nèi)的變頻器使用單位普遍都缺乏專業(yè)的維修隊伍，一旦有電氣故障發(fā)生，對高產(chǎn)高效的自動化生產(chǎn)產(chǎn)生很大的影響。變頻器為保證生產(chǎn)需要配套齊全的備件，占用一定的備件資金，同時變頻器故障的不確定性和電子元器件的時效性，也造成了維護費用的浪費，設(shè)備的使用壽命為5～10年。在大型皮帶輸送機的整體配套過程，必須留有很大的空間安裝變頻調(diào)速裝置。

液力耦合器安裝難度較大，需要對中，設(shè)備占用的空間較大，調(diào)試時間短，操作使用簡單。目前，大型系統(tǒng)配套液力耦合器全部為進口設(shè)備，生產(chǎn)人員只能進行簡單的維護，而且液壓系統(tǒng)維護需要較長的時間。液力耦合器一旦發(fā)生故障，查找難度較大，由于是進口件，備件費用昂貴，維護費用很高，訂貨周期長，對高效生產(chǎn)影響大，設(shè)備的使用壽命為5～10年。

3.4 節(jié)能、環(huán)保

永磁調(diào)速器的調(diào)速效率與變頻器和液力耦合器相比，調(diào)速效率最高達(dá)到97%，變頻器為95%，液力耦合器約為85%。永磁調(diào)速器的平均無故障時間與變頻器和液力耦合器相比要長的多，給用戶帶來了可觀的經(jīng)濟效益。

永磁調(diào)速器對環(huán)境友好，不產(chǎn)生污染物，不產(chǎn)生諧波，通過空間磁場傳遞扭矩，實現(xiàn)了電機和負(fù)載之間的柔性連接，降低了設(shè)備在運行過程中由于負(fù)載的突變所產(chǎn)生的強烈的振動和噪音，是一種綠色的調(diào)速裝置。變頻器在高效節(jié)能的同時，也在污染著周圍的環(huán)境，一方面將產(chǎn)生的高次諧波沿輸電線路送回電網(wǎng)，使電網(wǎng)的質(zhì)量下降，影響其他用電設(shè)備穩(wěn)定工作;另一方面在變頻的同時，在其周圍產(chǎn)生強烈的電磁輻射，功率越大，供電電源電壓越高，其輻射強度越強，嚴(yán)重時可導(dǎo)致周圍的電氣設(shè)備工作中斷甚至系統(tǒng)癱瘓。在安全要求苛刻的環(huán)境中，需投入大量的配套設(shè)備進行系統(tǒng)處理，資金投入大。液力耦合器無法回收的廢棄油漬，對周圍環(huán)境也造成一定的污染。

4 結(jié)論

國家大力提倡綠色、環(huán)保、節(jié)能、高產(chǎn)高效，永磁調(diào)速器以其結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠和操作維護便捷等顯著的性能優(yōu)勢在國內(nèi)逐步得到推廣，2011年元月，陽泉煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司陽煤一礦，率先在皮帶輸送機應(yīng)用領(lǐng)域最復(fù)雜的煤礦井下使用，替換2×2×315 kW兩地雙驅(qū)變頻皮帶驅(qū)動系統(tǒng)，實踐表明，系統(tǒng)基本實現(xiàn)免維護，一年零故障。同年6月，進行了對另一套液力耦合器的改造。通過對比，永磁調(diào)速器給用戶帶來巨大的經(jīng)濟效益，是皮帶輸送機調(diào)速驅(qū)動的最佳選擇。

［1］張 宏.新型節(jié)能調(diào)速設(shè)備永磁磁力耦合調(diào)速器的原理及應(yīng)用［J］.中國電力教育，2009(12):17－18.