新型礦用永磁同步電動(dòng)機(jī)在煤礦企業(yè)的應(yīng)用分析

摘要：針對(duì)煤礦企業(yè)機(jī)電設(shè)備中交流異步電動(dòng)機(jī)存在電動(dòng)機(jī)能效低、電能消耗量大的問題，引進(jìn)了一種新型礦用永磁同步電動(dòng)機(jī)，以改善電動(dòng)機(jī)功效、降低電能消耗，實(shí)現(xiàn)煤礦企業(yè)降本增效及技術(shù)轉(zhuǎn)型的目的。

關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī);交流異步電動(dòng)機(jī);諧波抑制

1 概述

1.1? ? 研究背景

電動(dòng)機(jī)是設(shè)備旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主要構(gòu)成部件之一，在煤礦企業(yè)中的應(yīng)用尤為廣泛，絕大多數(shù)煤礦機(jī)電設(shè)備依靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

從我國能源現(xiàn)狀角度出發(fā)，煤炭占我國能源生產(chǎn)總量的77%左右，占能源消耗總量的68%左右，我國在不斷加大對(duì)煤炭行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整力度，以優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。無論是煤炭生產(chǎn)企業(yè)，還是煤化工、煤化油等煤炭深加工企業(yè)，都不可避免地需要對(duì)生產(chǎn)設(shè)備、技術(shù)進(jìn)行更新和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，降低企業(yè)運(yùn)行成本，同時(shí)提高企業(yè)生產(chǎn)效率，增強(qiáng)企業(yè)競爭力。作為主要配套設(shè)備的電動(dòng)機(jī)，在煤礦企業(yè)的風(fēng)機(jī)、水泵、皮帶輸送設(shè)備、提升裝置和掘進(jìn)開采機(jī)等設(shè)備中應(yīng)用廣泛，數(shù)量巨大，是節(jié)能降耗的主要對(duì)象。隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略的實(shí)施，礦用電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的集成化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，將成為未來煤炭及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用電動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。煤炭企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境特殊，尤其井下生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，對(duì)機(jī)電設(shè)備的安全性、可靠性和環(huán)境適應(yīng)性等方面提出了嚴(yán)格要求。永磁同步電動(dòng)機(jī)盡管在其他工業(yè)領(lǐng)域先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備的初步應(yīng)用中已體現(xiàn)出極大優(yōu)勢(shì)，但以煤炭生產(chǎn)、加工設(shè)備為應(yīng)用對(duì)象，對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行理論和應(yīng)用技術(shù)方面的研究目前還處于起步階段，對(duì)井下環(huán)境中集成化數(shù)控永磁同步電機(jī)的研究更是鮮有報(bào)道。

1.2? ? 項(xiàng)目意義

永磁同步電動(dòng)機(jī)作為永磁交流電動(dòng)機(jī)的典型類型，具有諸多優(yōu)勢(shì)，在一些高精度場合已經(jīng)開始取代傳統(tǒng)交流異步電動(dòng)機(jī)。相對(duì)于永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等其他永磁交流電動(dòng)機(jī)而言，永磁同步電動(dòng)機(jī)具有效率更高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、電動(dòng)流諧波小、控制精度高、運(yùn)行原理和控制策略更接近交流異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，因此，永磁同步電動(dòng)機(jī)成了高效、高性能、節(jié)能電動(dòng)機(jī)的首選類型。由此可見，將永磁同步電動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)與礦用機(jī)電設(shè)備的需求及發(fā)展趨勢(shì)相結(jié)合，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、運(yùn)行可靠性技術(shù)、電磁干擾抑制技術(shù)和控制策略優(yōu)化等方面進(jìn)行研究，解決集成數(shù)控永磁同步電動(dòng)機(jī)在礦用設(shè)備中的應(yīng)用適應(yīng)性問題，就能充分發(fā)揮數(shù)控永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，大大提高煤礦企業(yè)的節(jié)能降耗水平，為礦用設(shè)備的自動(dòng)化、智能化建設(shè)奠定良好基礎(chǔ)。

2 國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

煤炭行業(yè)作為我國的能源支柱型產(chǎn)業(yè)，正處于轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵期，亟需促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的先進(jìn)技術(shù)和裝備。作為礦用機(jī)電設(shè)備重要組成部分的電動(dòng)機(jī)，主要呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)：

2.1? ? 高效、節(jié)能技術(shù)

新一代礦用電動(dòng)機(jī)以高效、節(jié)能、環(huán)保為目標(biāo)，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展，如新型電動(dòng)機(jī)繞組設(shè)計(jì)、低損耗高導(dǎo)磁材料的應(yīng)用研究、通風(fēng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、先進(jìn)稀土永磁材料的應(yīng)用研究、降低振動(dòng)噪聲和提高運(yùn)行性能的先進(jìn)控制技術(shù)等，以此推動(dòng)環(huán)保型“綠色電機(jī)”產(chǎn)品的發(fā)展。

2.2? ? 高可靠性技術(shù)

礦用電機(jī)作為生產(chǎn)一線設(shè)備的主要驅(qū)動(dòng)部件，直接關(guān)系到企業(yè)生產(chǎn)安全和效益，因此，必須保證礦用電動(dòng)機(jī)的可靠、平穩(wěn)運(yùn)行，保證生產(chǎn)的連續(xù)、安全進(jìn)行。為此，安全防護(hù)技術(shù)、故障檢測及容錯(cuò)運(yùn)行技術(shù)、完備的保護(hù)技術(shù)等影響礦用電動(dòng)機(jī)安全、可靠運(yùn)行的相關(guān)技術(shù)格外受到研究者的重視。

2.3? ? 集成化、數(shù)字化技術(shù)

礦用電動(dòng)機(jī)的集成化、數(shù)字化是電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、電動(dòng)機(jī)技術(shù)等工業(yè)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。高密度集成技術(shù)有利于提高系統(tǒng)的可靠性，便于設(shè)備的安裝、維護(hù)。數(shù)字化技術(shù)有利于提高系統(tǒng)的可靠性、信息交互性。

3 工作原理及創(chuàng)新方向

3.1? ? 工作原理

隔爆型集成數(shù)控永磁同步電動(dòng)機(jī)主要包括進(jìn)線部分、殼體、驅(qū)動(dòng)部分、永磁轉(zhuǎn)子等。從結(jié)構(gòu)上看，系統(tǒng)將永磁同步電動(dòng)機(jī)本體、驅(qū)動(dòng)器、控制器、信號(hào)調(diào)理電路集成為一體，以獲得高功率體積比，以提高系統(tǒng)可靠性;電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用由全控器件構(gòu)成的三相橋式有源逆變器，為提高功率因數(shù)、抑制諧波和進(jìn)一步提高工作效率奠定了基礎(chǔ)。隔爆型集成數(shù)控永磁同步電動(dòng)機(jī)研究思路如圖1所示。

3.2? ? 創(chuàng)新方向

3.2.1? ? 理論創(chuàng)新

通過對(duì)系統(tǒng)諧波進(jìn)行分析，研究諧波抑制理論，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)，研究礦井生產(chǎn)環(huán)境下電抗器的設(shè)計(jì)理論，采用電流最大變化率與電流平均變化率加權(quán)平均法，對(duì)電抗器參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，獲取最佳濾波效果。通過對(duì)轉(zhuǎn)子位置檢測理論的研究，將傳感器位置檢測方法與轉(zhuǎn)子位置估算方法相結(jié)合，考慮系統(tǒng)非線性特性和故障類型，提出非線性自適應(yīng)平方根無跡卡爾曼濾波方法，提高轉(zhuǎn)子位置檢測的可靠性和自適應(yīng)性。

3.2.2? ? 技術(shù)創(chuàng)新

集成數(shù)控永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)將系統(tǒng)主要熱源、電磁源的永磁同步電動(dòng)機(jī)和功率變換器集中在一個(gè)有限的空間中，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的三維電磁熱分析設(shè)計(jì)，以系統(tǒng)級(jí)效率為目標(biāo)，更有利于系統(tǒng)級(jí)效率和電氣性能指標(biāo)的提高。針對(duì)礦井生產(chǎn)環(huán)境的安全性需求，將全控器件有源逆變電路、空間矢量控制技術(shù)和高效永磁同步電動(dòng)機(jī)集成一體，構(gòu)建防爆數(shù)控永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，有利于提高防爆電動(dòng)機(jī)的電氣性能、效率、集成度等。

3.2.3? ? 應(yīng)用創(chuàng)新

永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)相對(duì)于交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)而言，具有效率高、節(jié)能性能好、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在礦井生產(chǎn)環(huán)境下的應(yīng)用很少有人研究，對(duì)礦用集成數(shù)控永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的研究更是鮮有報(bào)道。應(yīng)用集成數(shù)控永磁同步電動(dòng)機(jī)，提高電機(jī)的電氣性能指標(biāo)、降低能耗，將為礦用機(jī)電設(shè)備的應(yīng)用帶來巨大變革。

4 效益和推廣前景分析

集成數(shù)控永磁同步電動(dòng)機(jī)相對(duì)于其他礦用電動(dòng)機(jī)而言，具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在：

（1）節(jié)能。高效節(jié)能是集成數(shù)控永磁同步電動(dòng)機(jī)最突出的特點(diǎn)，系統(tǒng)效率可達(dá)到95%，同時(shí)四象限運(yùn)行的功率變換器結(jié)構(gòu)，可將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔莛佀突毓╇娤到y(tǒng)，節(jié)能效果更明顯。

（2）與電動(dòng)機(jī)的滿載工作狀態(tài)相比，其效率、功率因數(shù)、力能變化不大。相對(duì)于其他電動(dòng)機(jī)而言，永磁同步電動(dòng)機(jī)具有更大的調(diào)速比和更高的控制精度。

（3）可靠性高。永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子無繞組，結(jié)構(gòu)簡單。集成數(shù)控永磁同步電動(dòng)機(jī)將電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器集成為一體后，可有效減少外部干擾，并降低現(xiàn)場安裝、維護(hù)的復(fù)雜性。此外，集成數(shù)控永磁同步電動(dòng)機(jī)更有利于信息交互，組建控制網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié)語

隨著新型礦用永磁同步電動(dòng)機(jī)在煤礦企業(yè)的應(yīng)用，煤礦企業(yè)將會(huì)迎來新一輪的技術(shù)革新，促使煤炭企業(yè)在節(jié)能降耗、降低成本、高效發(fā)展等發(fā)面取得重大突破，對(duì)于能源發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 賈衛(wèi)國.稀土永磁發(fā)電機(jī)在工程車自發(fā)電中的應(yīng)用研究[J].移動(dòng)電源與車輛，2016（3）：25-30.

收稿日期：2020-06-22

作者簡介：朱二明（1980—），男，陜西西安人，研究生，工程師，研究方向：機(jī)電控制。