永磁同步變頻電動(dòng)滾筒在主煤流系統(tǒng)帶式輸送機(jī)上的應(yīng)用

尹夢(mèng)哲

(河南永錦能源有限公司云蓋山煤礦二礦，河南 禹州 452570)

1 傳統(tǒng)滾筒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

在所使用的傳統(tǒng)帶式輸送系統(tǒng)中，滾筒驅(qū)動(dòng)裝置涉及滾筒、減速器、異步電機(jī)。內(nèi)置電動(dòng)滾筒能夠在滾筒中安裝減速器以及異步電動(dòng)機(jī)，其具有良好的封閉性，可將其用于潮濕環(huán)境和井下粉塵環(huán)境中。但內(nèi)置電動(dòng)滾筒輸出功率較大，存在散熱大等問題，無論采用風(fēng)冷或自然冷方式散熱，其效果均不明顯，因此會(huì)使電機(jī)繞組溫度較高，出現(xiàn)過熱故障問題。對(duì)于該問題一般采取大馬拉小車的方式。此外，減速機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，成本高，無論在設(shè)備投產(chǎn)初期或后期設(shè)備運(yùn)行維護(hù)中，其需要花費(fèi)的成本和工作量是比較大的，會(huì)從一定程度上提升煤礦生產(chǎn)企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，提高員工工作強(qiáng)度。帶式輸送機(jī)其滾筒需要按照最大負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，但正常運(yùn)行條件下設(shè)備很少能夠達(dá)到額定負(fù)載，在處于輕載或空載條件下，但設(shè)備運(yùn)行功率為30%額定功率，其運(yùn)行不符合國(guó)家節(jié)能減排相關(guān)要求。

圖1 風(fēng)冷電動(dòng)滾筒

圖2 自然冷電動(dòng)滾筒

2 永磁同步電動(dòng)滾筒運(yùn)行原理及優(yōu)勢(shì)

為有效改善傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)在運(yùn)行中存在的問題，減少設(shè)備運(yùn)行中的能耗，很多煤礦生產(chǎn)企業(yè)目前推出了新的產(chǎn)品和技術(shù)，即永磁直驅(qū)系統(tǒng)。它能夠?qū)捷斔蜋C(jī)進(jìn)行直驅(qū)改造，是由變頻控制器與永磁同步電動(dòng)滾筒構(gòu)成的。從其系統(tǒng)運(yùn)行原理來看，相對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)來說，該設(shè)備基本不存在轉(zhuǎn)子電阻損耗。因此，該設(shè)備的總損耗相比傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)有顯著降低，并且減少風(fēng)扇等設(shè)備的損耗，相對(duì)應(yīng)同規(guī)格感應(yīng)電動(dòng)機(jī)來說，其功率能夠提升10%。除此之外，在額定負(fù)載達(dá)25%～120%條件下，在運(yùn)行永磁同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于其具有良好的運(yùn)行效率和較高功率因數(shù)，因此在空載或輕載條件下節(jié)能效果相對(duì)明顯。比如驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)其主要采用的控制系統(tǒng)型號(hào)為PLC，可將其作為上位機(jī)，具體涉及模擬量輸出和模擬量輸入，即給定電機(jī)速度和電機(jī)軸承繞組溫度等，其所采集的信息能夠通過485通信系統(tǒng)將其傳遞至顯示屏中，變頻器能夠利用電機(jī)軸承的編碼器進(jìn)行速度信息快速采集，同時(shí)采用閉環(huán)矢量控制模式，能夠穩(wěn)定運(yùn)行電機(jī)并使其快速達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，進(jìn)而有效保護(hù)電機(jī)過欠壓，過載，短路等相關(guān)問題。根據(jù)皮帶機(jī)機(jī)尾滾筒運(yùn)行要求和永磁同步電動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)，將原有異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)經(jīng)過減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，將其優(yōu)化為外轉(zhuǎn)子低轉(zhuǎn)速同步電機(jī)連接驅(qū)動(dòng)模式，相對(duì)原有的系統(tǒng)來說經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)之后，主煤流系統(tǒng)其驅(qū)動(dòng)方式能夠省略減速箱等相關(guān)傳動(dòng)裝置的設(shè)置，并且用永磁同步電機(jī)來代替異步電機(jī)，即可滿足代式輸送要求，進(jìn)一步滿足高扭矩和低轉(zhuǎn)速的傳統(tǒng)需求。對(duì)于主煤流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來說其具備特點(diǎn)如下：第一，具有良好的系統(tǒng)運(yùn)行效率；第二，具有良好的系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能和控制性能；第三，能夠有效減少系統(tǒng)的內(nèi)部元部鍵，以減少后續(xù)系統(tǒng)維護(hù)量以及停運(yùn)時(shí)間；第四，安裝相對(duì)便捷；第五，具有較高的系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，能夠延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命；第六，可縮短系統(tǒng)的起停時(shí)間，減小起停電流和配電電容量；第七，能夠有效設(shè)定和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行模式及啟動(dòng)模式，以滿足不同運(yùn)行條件和啟動(dòng)條件相關(guān)要求。除此之外，采用該主流煤流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠縮短在井下電動(dòng)滾筒軸向長(zhǎng)度，進(jìn)一步能夠用于一些空間狹小的井下位置中，相對(duì)含減速箱的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)來說，整體電機(jī)重量有所減輕，鉆井內(nèi)可鑲嵌轉(zhuǎn)子勵(lì)磁是通過永磁材料為其提供的，即由電網(wǎng)吸收粒子電流較小?；诖?，相比相同轉(zhuǎn)速異步電機(jī)來說，該永磁電機(jī)具有較高的功率因數(shù)，從一定程度上來看，其系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)所需電源容量和變頻器容量較小，相比相同轉(zhuǎn)速同步電機(jī)能夠有效減少轉(zhuǎn)子勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和華還，且無勵(lì)磁損耗。

比如某煤礦將原有帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行拆除，具體涉及聯(lián)軸節(jié)，減速機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)和膠帶滾筒，在原有位置可適當(dāng)增加墊片部件，重新進(jìn)行尺寸調(diào)整和優(yōu)化安裝，即可改造永磁同步電動(dòng)滾筒。同時(shí)，將配套的變頻柜安裝在滾筒附近，整體改造流程相對(duì)簡(jiǎn)單，經(jīng)過改造之后的永磁同步電動(dòng)滾筒可優(yōu)化原有的減速機(jī)，聯(lián)軸節(jié)，異步電動(dòng)機(jī)將其整合為驅(qū)動(dòng)組，減少空間設(shè)計(jì)，能夠有效簡(jiǎn)化原有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的連接方式，具有較大節(jié)能優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。如下圖3所示為經(jīng)改造后的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 經(jīng)改造后的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)過改造之后，該系統(tǒng)額定電流和額定電壓分別為37 A和380 V，額定功率大小為16.7 Hz，運(yùn)行效率達(dá)92%，功率因數(shù)為0.98，該設(shè)備成本為7萬元。變頻器采用矢量控制的方式，其成本為1.5萬元。安裝設(shè)備后在室溫條件下用500 vm歐姆表進(jìn)行電機(jī)絕緣電阻的測(cè)量。在具體測(cè)量中，相間電阻和對(duì)地電阻分別為500 MΩ，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，變頻柜中的各個(gè)連接線和儀表源部件可實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。設(shè)備在處于負(fù)載運(yùn)行時(shí)，經(jīng)2 h運(yùn)行后，該設(shè)備的輸出電壓，噪聲，振動(dòng)，轉(zhuǎn)速等指標(biāo)可滿足設(shè)備運(yùn)行相關(guān)要求。在處于負(fù)載運(yùn)行過程中，變頻器給定頻率達(dá)到16 Hz，滾筒轉(zhuǎn)速為50 r/min，基本能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦企業(yè)帶式輸送機(jī)材料運(yùn)輸需求。對(duì)比改造前后帶式輸送機(jī)，在負(fù)載運(yùn)行過程中的輸出電流可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過改造之后，其負(fù)載過程中輸出電流可降低至14 A，電流降低率達(dá)30%，所改造的永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，省略減速機(jī)等設(shè)備的安裝，每年能夠幫助煤礦企業(yè)節(jié)約減速機(jī)，聯(lián)軸節(jié)等設(shè)備維護(hù)費(fèi)用達(dá)1萬元。

3 永磁同步電動(dòng)滾筒在主煤流系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值分析

對(duì)于永磁同步電動(dòng)滾筒來說，可將其用于不同類型主煤流系統(tǒng)的帶式輸送機(jī)尾中，從國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況來看，可以說該系統(tǒng)為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，相比傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)功能來說，具有較高的運(yùn)行穩(wěn)定性，且能夠縮小系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)間和維護(hù)量，需要提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)該帶式輸送機(jī)采用的是變頻調(diào)速的方式，具有良好節(jié)能效果。在一些大型煤礦進(jìn)行推廣使用之后，獲得了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可將該設(shè)備廣泛推廣于全國(guó)范圍，在煤礦行業(yè)中具有較大的推廣意義。通過對(duì)永磁同步變頻電動(dòng)滾筒進(jìn)行節(jié)能效果分析，該系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)化傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)的元部件和機(jī)械裝置，可進(jìn)一步提升系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，穩(wěn)定性，具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)等綜合效益。比如對(duì)于日產(chǎn)量達(dá)到5000 t的煤礦來說，如果煤礦停產(chǎn)一天需損耗成本達(dá)100萬元以上，對(duì)電動(dòng)滾筒的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造后，能夠?qū)崿F(xiàn)維護(hù)減少。由于設(shè)備維護(hù)使煤礦出現(xiàn)停運(yùn)的時(shí)間，盡可能減少煤礦由于停產(chǎn)導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在使用過程中維護(hù)費(fèi)用較少，基本能夠?qū)崿F(xiàn)一次投入終身受益的目標(biāo)。目前，永磁同步變頻電動(dòng)滾筒的帶式輸送機(jī)及驅(qū)動(dòng)裝置，運(yùn)輸距離以及輸送量功率顯著提高，并且更多場(chǎng)合運(yùn)用了電動(dòng)滾筒，其運(yùn)行效率達(dá)90%以上，在處于空載或輕載運(yùn)行時(shí)電能為機(jī)械能損耗，具有良好的節(jié)能效果。

4 總結(jié)

總而言之，相比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來說，經(jīng)改造后的永磁同步變頻電動(dòng)滾筒其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)利用高頻率，永磁同步電動(dòng)滾筒以及變頻調(diào)速的方式具有良好節(jié)能效果。隨著目前煤礦資源整合，大、中型煤礦需進(jìn)行機(jī)械化改造，其對(duì)于長(zhǎng)距離和大功率帶式輸送機(jī)具有較大的需求量，因此整體來看，永磁同步電動(dòng)滾筒具有良好的市場(chǎng)發(fā)展前景。