永磁直驅(qū)變頻裝置在皮帶運(yùn)輸機(jī)中的應(yīng)用

喬愛(ài)鳳

(山西榆次北山煤業(yè)有限公司技術(shù)科，山西 晉中 030619)

現(xiàn)階段我國(guó)煤礦井下廣泛使用的隔爆型異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，功率因數(shù)低，電能損耗大，運(yùn)行中綜合效率低而且極易燒毀，造成能源的嚴(yán)重浪費(fèi)。為了提高電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量和效率，使電動(dòng)機(jī)高效節(jié)能運(yùn)行，山西榆次北山煤業(yè)公司在主斜井皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)中采用礦用隔爆型永磁直驅(qū)變頻裝置取代原有的異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，運(yùn)行一年來(lái)，大大降低了噪音，明顯提高了啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)啟動(dòng)，減少了維護(hù)量和電耗，節(jié)約了成本，為無(wú)齒永磁同步變頻直驅(qū)系統(tǒng)在煤礦井下皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)塑造了一個(gè)成功范例，筆者預(yù)測(cè)用無(wú)齒永磁同步變頻驅(qū)動(dòng)裝置取代傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置必將成為一種趨勢(shì)。

1 異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)概述

北山煤業(yè)公司主斜井使用DTL100/20型帶式輸送機(jī)一部，輸送長(zhǎng)度為500 m、帶寬為1 000 mm，輸送傾角為16°，最大帶速為2 m/s。采用YBK315M1－4型異步電動(dòng)機(jī)2臺(tái)，轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，功率為132 kW，通過(guò)耦合器、制動(dòng)器、減速器、低速軸聯(lián)軸器與皮帶滾筒相連接，異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。此系統(tǒng)于2009年7月安裝，截止2012年5月運(yùn)行兩年中存在以下問(wèn)題:

1)由于綜采、綜掘的應(yīng)用，產(chǎn)能的增加，工作面的煤不能及時(shí)運(yùn)出坑外。

2)液力耦合器和減速器常出現(xiàn)軸承損壞、液體滲漏、齒輪磨損等故障，維護(hù)工作量大。

3)由于重載啟動(dòng)，皮帶被拉伸而損壞的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，必須使用強(qiáng)度高一級(jí)的皮帶，從而增加了成本。

異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖

2 永磁直驅(qū)變頻調(diào)速裝置概述

永磁直驅(qū)變頻調(diào)速裝置包括皮帶機(jī)及與皮帶機(jī)滾筒連接的驅(qū)動(dòng)裝置，即由ZJT－400/660型礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻器、TBD－630X－32YC稀土低頻永磁三相同步電動(dòng)機(jī)、DSJ100/20皮帶運(yùn)輸機(jī)滾筒組成，見(jiàn)圖2。該裝置的核心部件是稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)，克服了三相異步電動(dòng)機(jī)綜合效率低、易燒毀的缺點(diǎn)。該裝置充分發(fā)揮了永磁同步電動(dòng)機(jī)的自身特點(diǎn)和變頻器的調(diào)速功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)皮帶輸送機(jī)的無(wú)齒永磁同步變頻驅(qū)動(dòng)。

圖2 永磁同步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖

3 永磁直驅(qū)變頻調(diào)速裝置的應(yīng)用效果

永磁直驅(qū)變頻調(diào)速裝置在北山煤業(yè)公司運(yùn)行一年來(lái)，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上都收到了良好的效果。

3.1 節(jié)省了皮帶輸送機(jī)機(jī)頭的安裝空間

永磁直驅(qū)變頻裝置以變頻器和無(wú)齒永磁同步電動(dòng)機(jī)取代了原驅(qū)動(dòng)裝置中的異步電動(dòng)機(jī)、耦合器、制動(dòng)器、減速器、低速軸聯(lián)軸器，大大減少了設(shè)備的投入，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)?？倢挾容^原驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)增加了200 mm，總長(zhǎng)度減少了1 500 mm左右，在空間上給井下皮帶機(jī)的安裝帶來(lái)了很大的方便。

3.2 皮帶機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)

皮帶不論在靜止?fàn)顟B(tài)還是在運(yùn)行狀態(tài)下都儲(chǔ)存有大量勢(shì)能，為了將皮帶內(nèi)部所貯存的能量慢慢地釋放出來(lái)，使皮帶機(jī)在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生較小的張力，皮帶機(jī)的啟動(dòng)必須采用軟啟動(dòng)方式。

變頻器根據(jù)負(fù)載情況的變化，隨時(shí)調(diào)整輸出頻率，能夠從0開(kāi)始緩慢啟動(dòng)，使啟動(dòng)過(guò)程平滑穩(wěn)定，沒(méi)有機(jī)械沖擊。同時(shí)由于TBD－630X－32YC低頻永磁三相同步電動(dòng)機(jī)為32極數(shù)，經(jīng)實(shí)測(cè)最高可獲得2.8倍額定轉(zhuǎn)矩，完全可以直接驅(qū)動(dòng)皮帶機(jī)的傳動(dòng)滾筒。因此，永磁直驅(qū)變頻調(diào)速裝置完全實(shí)現(xiàn)了皮帶機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)，減少了機(jī)械沖擊，降低了皮帶強(qiáng)度要求。

3.3 降低了設(shè)備的維護(hù)量，實(shí)現(xiàn)了重載啟動(dòng)

由于采用直接驅(qū)動(dòng)方式，省去了對(duì)液力耦合器、減速器和齒輪等的維護(hù)，系統(tǒng)壽命的決定因素僅為變頻器電子元件的壽命，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，啟動(dòng)過(guò)程中對(duì)機(jī)械基本無(wú)沖擊，也大大減少了皮帶機(jī)系統(tǒng)機(jī)械部分的檢修量。

在異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，啟動(dòng)時(shí)最大輸出50%的額定轉(zhuǎn)矩(見(jiàn)圖3)，而電流則高達(dá)額定電流的4～7倍，極易使電機(jī)內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力發(fā)生較大變化，因此，在重載啟動(dòng)中燒毀電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

圖3 異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性示意圖

相比之下，永磁直驅(qū)變頻裝置具有良好的啟動(dòng)特性(見(jiàn)圖4)，在啟動(dòng)時(shí)可以輸出2倍的額定轉(zhuǎn)矩，電流從0開(kāi)始增加，利用自身的調(diào)速功能實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的緩慢啟動(dòng)，對(duì)設(shè)備機(jī)械部分基本無(wú)沖擊，從而實(shí)現(xiàn)重載啟動(dòng)。

圖4 永磁同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性示意圖

3.4 變頻器的主從接線方式實(shí)現(xiàn)了功率平衡

在異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)滾筒，由于電源的電壓波動(dòng)、電動(dòng)機(jī)參數(shù)隨環(huán)境濕度和溫度改變的差異，引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的不同步，進(jìn)而導(dǎo)致功率不平衡。

在永磁變頻直驅(qū)系統(tǒng)中，兩套直驅(qū)變頻裝置分別與皮帶機(jī)的主動(dòng)滾筒1和主動(dòng)滾筒2相連接，變頻器接線采用主從控制接線方式(見(jiàn)圖5)，實(shí)現(xiàn)了皮帶機(jī)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的功率平衡和同步運(yùn)行。

圖5 變頻器主從接線圖

3.5 提高了皮帶輸送系統(tǒng)的效率

在異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，啟動(dòng)不平穩(wěn)，重載啟動(dòng)困難，直接影響著驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體效率，理想狀態(tài)僅為94%，實(shí)際運(yùn)行效率在80%以下(見(jiàn)圖6)。

圖6 效率對(duì)比特性曲線圖

由圖6可知，在永磁直驅(qū)變頻系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)與滾筒直接連接，理想狀態(tài)系統(tǒng)總體效率為1，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效率均在93%以上。

3.6 提高了皮帶輸送系統(tǒng)的功率因數(shù)

使用異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶輸送機(jī)在工頻下運(yùn)行時(shí)，絕大部分不是滿(mǎn)載運(yùn)行，負(fù)載經(jīng)常很小、甚至有時(shí)會(huì)出現(xiàn)空載的現(xiàn)象，但是電動(dòng)機(jī)卻始終在滿(mǎn)電壓、滿(mǎn)速度的狀態(tài)下工作。由電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性可知(見(jiàn)圖7)，異步電動(dòng)機(jī)只有在接近滿(mǎn)載時(shí)功率因數(shù)才是最大的，輕載時(shí)定子電流有功分量很小，大部分為無(wú)功分量，功率因數(shù)很低，造成電能的在浪費(fèi)。

而采用永磁同步電動(dòng)機(jī)后，定子結(jié)構(gòu)中加入稀土永磁體，無(wú)需勵(lì)磁電流，從電網(wǎng)吸收的能量幾乎全部為有功分量，在整個(gè)過(guò)程中的功率因數(shù)達(dá)0.93以上，大大節(jié)約了電能。

圖7 功率因素對(duì)比特性曲線圖

3.7 杜絕了“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象

永磁直驅(qū)變頻裝置內(nèi)置多機(jī)軟件功率平衡和智能切換功能，這樣機(jī)械結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，而且通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)功率平衡，對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)更加可靠。當(dāng)功率較小時(shí)，可單機(jī)運(yùn)行或多機(jī)冗余切換運(yùn)行，保證系統(tǒng)多機(jī)備用，根據(jù)皮帶上物料的多少實(shí)現(xiàn)閉環(huán)速度控制。當(dāng)物料較少時(shí)，降低皮帶輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速，避免“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象的發(fā)生，與未使用閉環(huán)系統(tǒng)相比較，可實(shí)現(xiàn)10%到60%的節(jié)能(由皮帶輸送機(jī)的工況點(diǎn)所決定，輕負(fù)載運(yùn)行時(shí)，節(jié)能效果更明顯)，這樣既保證了設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間使用，又可實(shí)現(xiàn)空載情況時(shí)不運(yùn)行，不但有利于設(shè)備保養(yǎng)，還可大大節(jié)省電能消耗。

4 永磁直驅(qū)變頻調(diào)速裝置的經(jīng)濟(jì)分析

永磁直驅(qū)變頻調(diào)速裝置在北山煤業(yè)公司運(yùn)行一年來(lái)產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，主要從皮帶機(jī)空載運(yùn)行、半載運(yùn)行和滿(mǎn)載運(yùn)行三個(gè)方面加以比較分析，假定一年工作 300天，每天 20 h，每 kW/h電費(fèi)為0.65元。

4.1 空載運(yùn)行時(shí)經(jīng)濟(jì)分析

當(dāng)皮帶輸送機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，對(duì)315 kW永磁直驅(qū)變頻系統(tǒng)與同等功率的異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接入相同的電源電壓710 V，輸入功率相差10.93 kW，各項(xiàng)實(shí)測(cè)參數(shù)見(jiàn)表1。

4.2 半載運(yùn)行時(shí)經(jīng)濟(jì)分析

當(dāng)皮帶輸送機(jī)半載運(yùn)行時(shí)，對(duì)315 kW永磁直驅(qū)變頻系統(tǒng)與同等功率的異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接入相同的電源電壓710 V，輸入功率相差37.86 kW，各項(xiàng)實(shí)測(cè)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 永磁直驅(qū)變頻系統(tǒng)空載運(yùn)行節(jié)能表

表2 315 kW永磁直驅(qū)變頻系統(tǒng)半載運(yùn)行節(jié)能表

4.3 滿(mǎn)載運(yùn)行時(shí)經(jīng)濟(jì)分析

當(dāng)皮帶輸送機(jī)滿(mǎn)載運(yùn)行時(shí)，對(duì)315 kW永磁直驅(qū)變頻系統(tǒng)與同等功率的異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接入相同的電源電壓710 V，輸入功率相差84.63 kW，各項(xiàng)實(shí)測(cè)參數(shù)見(jiàn)表3。

通過(guò)以上分析可以看出，永磁直驅(qū)變頻裝置應(yīng)用于煤礦井下皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)，不但可以減少直接成本，而且可以大大減少間接運(yùn)行費(fèi)用，所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

表3 315 kW永磁直驅(qū)變頻系統(tǒng)滿(mǎn)載運(yùn)行節(jié)省費(fèi)用表

5 結(jié)論

北山煤業(yè)公司投入運(yùn)行永磁直驅(qū)變頻調(diào)速裝置一年來(lái)，降低了噪音、大大減少了維護(hù)量，皮帶機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)，解決了多年來(lái)重載啟動(dòng)的難題，結(jié)束了異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低速運(yùn)行時(shí)“大馬拉小車(chē)”的狀態(tài)，節(jié)省了電能，節(jié)約了初期投資和運(yùn)行費(fèi)用，提高了經(jīng)濟(jì)效益。因此，永磁直驅(qū)變頻調(diào)速裝置是煤礦井下皮帶運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置中的最佳裝置。

［1］韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000:55－144，146－357.

［2］吳忠智，吳加林.變頻器手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000:1 －7，68－130，275 －333.

［3］牛云鵬.中壓變頻器礦用膠帶輸送機(jī)中的應(yīng)用［C］//第十七屆全國(guó)煤礦自動(dòng)化學(xué)術(shù)年會(huì)、中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)委員會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2007:168－170.

［4］董大仟.大型帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)特性研究及其應(yīng)用［D］.華北電力大學(xué)(北京)博士論文，2008.

［5］張 敏.談變頻技術(shù)在皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)中的意義［J］.價(jià)值工程，2012(11):62－63.

［6］王寶恒，吳存良.永磁同步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在膠帶輸送機(jī)上的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2012(05):82+86.

［7］羅 麒.現(xiàn)代電力電子技術(shù)與電力傳動(dòng)技術(shù)在煤礦的應(yīng)用［J］.機(jī)電產(chǎn)品市場(chǎng)，2007(03):34－35.

［8］張麗崢.無(wú)齒輪永磁同步變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在井下膠帶輸送機(jī)中的應(yīng)用［J］.山西煤炭，2011(03):44－45.

［9］馮建通.邢臺(tái)礦皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)節(jié)能應(yīng)用探討［J］.河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012(02):50－51.

［10］陳修虎.變頻器在礦井應(yīng)用中的節(jié)能效果［J］.科技傳播，2011(16):153－154.

［11］馮阿濤，秦 建.變頻調(diào)速技術(shù)在礦用膠帶輸送機(jī)上的應(yīng)用［J］.煤礦現(xiàn)代化，2008，87(06):68－69.

［12］黨永變.防爆變頻調(diào)速裝置在屯蘭礦帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用［J］.科技傳播，2010(24):238－247.

［13］張可程，郭福偉，劉 濤.變頻調(diào)速在煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2008(12):39－56.

［14］彭發(fā)旺.高壓變頻器在600MW火電機(jī)組輸煤皮帶機(jī)上的應(yīng)用［J］.變頻器世界，2012(06):94－96.

［15］葛錫東.變頻技術(shù)在煤礦皮帶機(jī)改造中的應(yīng)用［J］.山東煤炭科技，2008(05):66－68.