低速大扭矩永磁同步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在主斜井帶式輸送機(jī)上的應(yīng)用

郭正達(dá),孟俊文

(山西西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦,山西 古交 030203)

1 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)

傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用異步電動(dòng)機(jī)+調(diào)速型液力偶合器(或+液粘軟起動(dòng)裝置)+減速器,或采用變頻器+變頻三相異步電動(dòng)機(jī)+減速器,鎮(zhèn)城底礦礦采用三相異步電動(dòng)機(jī)+CST軟啟動(dòng)裝置的方式,將動(dòng)力傳送給滾筒帶動(dòng)輸送帶運(yùn)動(dòng),這些傳統(tǒng)的傳動(dòng)方式都或多或少存在明顯的缺點(diǎn),如表1所示,如驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高耗能,啟動(dòng)不平穩(wěn),重載啟動(dòng)困難,維護(hù)量大,維護(hù)成本高,影響著驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體效率[1-2]。

綜合考慮以上5種驅(qū)動(dòng)技術(shù), 鎮(zhèn)城底礦在主斜井運(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CST軟驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),永磁電機(jī)變頻直驅(qū)系統(tǒng)在煤礦井下采區(qū)順槽帶式輸送機(jī)已有少量應(yīng)用,但是在煤礦主斜井帶式輸送機(jī)這一礦井原煤運(yùn)輸系統(tǒng)“咽喉要塞”上的應(yīng)用還是國(guó)內(nèi)第一次。通過(guò)這一改造進(jìn)一步完善了鎮(zhèn)城底礦的主提升系統(tǒng),徹底解決了頻繁重載啟停困難等問(wèn)題。

表1 五種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)及不足比較Table 1 Advantages and disadvantages of five drive modes

2 鎮(zhèn)城底礦CST驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述

鎮(zhèn)城底礦主斜井帶式輸送機(jī)參數(shù)如表2所示,其中CST驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),見(jiàn)圖1,2003年安裝投運(yùn)至今,運(yùn)行已有14年之久,三臺(tái)減速器均出現(xiàn)不同程度的疲勞磨損,進(jìn)入后期運(yùn)行階段,故障多,重載起動(dòng)困難,修理周期長(zhǎng),維修費(fèi)用高,已難以保證礦井主斜井帶式輸送機(jī)的正常運(yùn)行,為礦井的安全生產(chǎn)造成了極大的困難。加之井口所用電氣設(shè)備大多為老舊開(kāi)關(guān)柜,不符合“井口20 m范圍嚴(yán)禁使用非防爆電氣設(shè)備”的相關(guān)規(guī)定。所以考慮采用一種較先進(jìn)的方案對(duì)主斜井帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行改造[3]。

表2 改造前主斜井帶式輸送機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Major technical parameters of belt conveyor of main inclined shaft before modification

圖1 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Asynchronous motor drive system

3 永磁變頻直驅(qū)系統(tǒng)概述

改造后主井帶式輸送機(jī)采用3套永磁直驅(qū)系統(tǒng)示意圖,見(jiàn)圖2,每套永磁直驅(qū)系統(tǒng)由1臺(tái)TBVF-315/40YC(660/1140)型礦用隔爆型永磁同步變頻電動(dòng)機(jī)、1臺(tái)BPJ-400/1140型礦用隔爆兼本質(zhì)安全型低壓交流變頻器、驅(qū)動(dòng)裝置底座組成。

礦用隔爆型永磁同步變頻電動(dòng)機(jī)額定功率315 kW,額定轉(zhuǎn)矩54 695 N·m,額定轉(zhuǎn)速48 r/min,調(diào)速范圍0～48 r/min。配套礦用隔爆兼本質(zhì)安全型低壓交流變頻器額定功率400 kW。

圖2 永磁同步電動(dòng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Variable frequency drive system of permanent magnet synchronous motor

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況配置兩套水冷裝置,其中一臺(tái)給1#、3#電機(jī)散熱,另一臺(tái)給2#電機(jī)散熱。

3.1 主斜井帶式輸送機(jī)負(fù)載匹配性分析

鎮(zhèn)城底礦主斜井帶式輸送機(jī)低速大扭矩永磁電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)改造主要是驅(qū)動(dòng)電機(jī)及配電、監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)的更新,輸送機(jī)小時(shí)輸送量不變,所以只對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制系統(tǒng)及其它配套進(jìn)行選型。

依據(jù)改造前后驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率、輸送機(jī)運(yùn)量不變的原則,仍然選用單臺(tái)電機(jī)功率為315 kW,3臺(tái)電機(jī)功率為3×315 kW,可以滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求。

帶式輸送機(jī)所需扭矩:

T=9550×P2/n=143051 N·m .

(1)

式中:P2為軸功率,原設(shè)計(jì)為719 kW;N為滾筒轉(zhuǎn)數(shù),n=60×S/(πD)=48 (r/min);其 中S為帶速3.15 m/s;D為滾筒直徑，取1.25 m。

根據(jù)傳動(dòng)滾筒所需扭矩T=143 051 N·m,則單臺(tái)電機(jī)所需扭矩為47 683 N·m,選擇三臺(tái)額定扭矩為54 695 N·m永磁同步電機(jī),永磁同步電機(jī)的性能參數(shù)如表3所示。

表3 永磁同步電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of permanent magnet synchronous motor

永磁材料使用范圍較廣的有釹鐵硼、鋁鎳鈷、鐵氧體永磁材料,其中釹鐵硼為稀土類(lèi)永磁材料。目前,稀土永磁材料的生產(chǎn)已發(fā)展成一大產(chǎn)業(yè),此次改造所用的永磁同步電機(jī)其主體材料永磁體即為稀土永磁材料釹鐵硼所制[4-5]。

3.2 電機(jī)熱管理技術(shù)及冷卻系統(tǒng)分析

隨著電機(jī)單機(jī)容量的日益增大,電機(jī)的發(fā)熱和冷卻問(wèn)題研究顯得日益重要,已經(jīng)成為當(dāng)前電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的問(wèn)題之一,它直接關(guān)系到電機(jī)的使用壽命和運(yùn)行的可靠性。本改造采用有限元分析軟件如Ansoft和Ansys 等對(duì)電機(jī)建模,采用瞬態(tài)聯(lián)合仿真技術(shù)進(jìn)行分析,同時(shí)利用溫度場(chǎng)計(jì)算電機(jī)各部溫度,以便對(duì)電機(jī)的銅耗、鐵耗、機(jī)械耗、雜散損耗以及高次諧波在永磁體表面產(chǎn)生的渦流損耗等進(jìn)行深入研究。分析溫度分布規(guī)律,研究電機(jī)的各個(gè)局部過(guò)熱點(diǎn),合理設(shè)計(jì)電機(jī)的繞組端部結(jié)構(gòu)、繞組環(huán)氧樹(shù)脂真空灌封、冷卻系統(tǒng),以降低溫升和消除局部過(guò)熱點(diǎn)。

永磁同步電動(dòng)機(jī)的冷卻方式為水冷,現(xiàn)場(chǎng)可采用直接水冷和封閉式內(nèi)循環(huán)水冷卻方式。直接水冷冷卻效果好,但水質(zhì)要求高且水量需求大。封閉式內(nèi)循環(huán)水冷卻方式具有較好的冷卻效果且經(jīng)濟(jì)性高。

由于現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)較差如采用直接水冷長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)有結(jié)垢的問(wèn)題,而且長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)浪費(fèi)大量的水?，F(xiàn)場(chǎng)最終采用封閉式內(nèi)循環(huán)水冷卻方式。考慮到冬季現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度較低,采用防凍液作為設(shè)備冷卻液。

3.3 控制器電氣兼容性分析

礦用永磁傳動(dòng)裝置中控制器中包含變頻器裝置,變頻器由于本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)勢(shì)必在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生諧波。其產(chǎn)生的原理為三相輸入側(cè)由于采用三相不可控整流電路,電壓波形為正弦而電流為非正弦波;三相輸出端由于電機(jī)屬于感性負(fù)載,變頻器輸出的PWM波形為非正弦波,電流為類(lèi)似正弦波。波形的非正弦化即可以分解為基波與諧波,諧波會(huì)導(dǎo)致一系列問(wèn)題。第一,對(duì)配電網(wǎng)的危害;第二,對(duì)它所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)的危害。另外,由于變頻器輸出為高頻的PWM波,高頻信號(hào)在傳輸中易對(duì)鄰近設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。

為了解決以上三個(gè)問(wèn)題,設(shè)計(jì)過(guò)程中系統(tǒng)采用了輸入、輸出電抗器,通過(guò)合理的選擇電抗器參數(shù)有效減少了以上三種危害,由于輸入輸出電抗器存在阻抗和感抗在變頻器工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的壓降。從系統(tǒng)性能和電磁兼容兩方面均衡考慮,選擇合適的電抗器,使電壓降即不影響系統(tǒng)性能又能使諧波含量控制在4%以?xún)?nèi)。

4 改造后永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益分析

4.1 高效節(jié)能

永磁電機(jī)在節(jié)能方面主要體現(xiàn)在:不需要無(wú)功勵(lì)磁電流,沒(méi)有轉(zhuǎn)子電阻損耗;功率因素接近1,減少了定子電流和定子電阻損耗,大大節(jié)約了電能;全功率范圍內(nèi)高效運(yùn)行;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)行效率在93%以上[6-7]。

改造前,單臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)(銘牌為315 kW)實(shí)際運(yùn)行功率為260 kW左右,同時(shí)每臺(tái)CST減速器還配備有18.5 kW油泵電機(jī)和5.5 kW冷卻風(fēng)扇電機(jī),總功率約278 kW;改造后每臺(tái)電機(jī)和輔助設(shè)備的實(shí)際總功率約為230 kW,比改造前減少負(fù)荷48 kW,按照每天開(kāi)機(jī)20 h,一年按330 d計(jì)算,每年可節(jié)約316 800 kW·h,每度電平均按0.6元計(jì)算,每年可節(jié)約19萬(wàn)余元,三臺(tái)電機(jī)一年可節(jié)約電費(fèi)約57萬(wàn)余元。在實(shí)際運(yùn)行中還可根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況或檢修工作需要,自動(dòng)或人工調(diào)節(jié)輸送帶速度,大大減少能量的浪費(fèi)和托輥的消耗,節(jié)能效果明顯。由此可見(jiàn)永磁電機(jī)不僅具有很高的功率因數(shù),而且還具有極佳的經(jīng)濟(jì)效益,電機(jī)效率與功率因數(shù)對(duì)見(jiàn)圖3。

3-a 效率特性曲線對(duì)比

3-b 功率因數(shù)特性對(duì)比圖3 電機(jī)效率與功率因數(shù)對(duì)比Fig.3 Comparison between motor efficiency and power factor

4.2 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,過(guò)載能力強(qiáng)

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)矩如圖4-a所示,而電流則高達(dá)額定電流的4倍～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?；?yàn)闈M足系統(tǒng)重載啟動(dòng)要求,需增大電機(jī)容量來(lái)滿足啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行后,就造成了“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象。

相比之下,永磁直驅(qū)變頻裝置具有良好的啟動(dòng)特性如圖4-b所示,在啟動(dòng)時(shí)可以輸出2.2倍額定轉(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)帶式輸送機(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)。

4-a 異步電機(jī)啟動(dòng)特性

4-b 永磁電機(jī)啟動(dòng)特性圖4 電機(jī)啟動(dòng)特性曲線Fig.4 Characteristic curve of motor start

永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的2.2倍,啟動(dòng)過(guò)程中電流是正常運(yùn)行電流的1.2倍以下(加速時(shí)間30 s,正常運(yùn)行電流130A啟動(dòng)過(guò)程中電流在150A左右);現(xiàn)場(chǎng)3臺(tái)電機(jī)運(yùn)行到額定電流172A(重載時(shí))左右,停機(jī)后可順利的實(shí)現(xiàn)啟車(chē),可以滿足帶式輸送機(jī)的重載啟動(dòng)問(wèn)題。在與原正常生產(chǎn)煤量相同的條件下,利用其中2臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行了滿載運(yùn)行和重載起動(dòng)實(shí)驗(yàn),經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了永磁電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、起動(dòng)電流小、電網(wǎng)沖擊小,過(guò)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

4.3 系統(tǒng)“免”維護(hù)

改造前CST每半年都要更換一次潤(rùn)滑油,加上日常的檢修維護(hù),費(fèi)用不僅十分昂貴,而且逐年呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),從2003年—2014年這12年間,主斜井帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)CST減速器更換配件、潤(rùn)滑油以及各類(lèi)檢修費(fèi)用高達(dá)422.62萬(wàn)元。而改造后系統(tǒng)省去減速器等裝置,因此在實(shí)際應(yīng)用中無(wú)需更換潤(rùn)滑油,檢修減速器,而后期維護(hù)只需隔3 000 h給電機(jī)軸承注3號(hào)鋰基脂500 mL,節(jié)約了使用成本,降低了維護(hù)工作量,大約每年可節(jié)約15萬(wàn)余元。

4.4 驅(qū)動(dòng)智能化

主斜井帶式輸送機(jī)、前(后)轉(zhuǎn)載皮帶、煤庫(kù)給煤機(jī)等設(shè)備集中控制運(yùn)行,各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至主控室PLC和上位機(jī)通訊,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)設(shè)備的分析、比較、預(yù)警與控制,結(jié)合視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、在線監(jiān)測(cè),故障診斷等系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)了連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)的智能化運(yùn)行和控制,并為下一步實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守提供了硬件支持。

5 結(jié)束語(yǔ)

鎮(zhèn)城底礦主井帶式輸送機(jī)的永磁直驅(qū)系統(tǒng)改造,技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)智能化、輸出轉(zhuǎn)矩大、過(guò)載能力強(qiáng)、起動(dòng)電流小、低噪音、起動(dòng)平穩(wěn)、恒轉(zhuǎn)矩控制、可頻繁重載啟停的目標(biāo);經(jīng)濟(jì)上不僅做到了高效節(jié)能,而且最大程度降低了維護(hù)工作量,預(yù)估每年可直接節(jié)約成本72萬(wàn)余元,安全上克服了重載啟動(dòng)難需人工清煤的安全隱患問(wèn)題。采用永磁同步變頻技術(shù)來(lái)改造傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),不論在技術(shù)的先進(jìn)性還是帶來(lái)的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益方面都是巨大的。稀土永磁同步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在鎮(zhèn)城底礦主運(yùn)輸提升系統(tǒng)的首次成功應(yīng)用,此舉不僅填補(bǔ)了礦山企業(yè)主提升系統(tǒng)使用稀土永磁電機(jī)的市場(chǎng)空白,更相信,在不久的將來(lái)大轉(zhuǎn)矩永磁同步變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在煤礦井下刮板輸送機(jī)、瓦斯抽采泵站等領(lǐng)域亦可拓展使用,應(yīng)用范圍十分廣闊。該技術(shù)必然隨著科學(xué)技術(shù)的飛速提升而取得更大的研究成果。