建北煤礦主斜井帶式輸送機永磁驅(qū)動技術(shù)分析

馬香玲

(中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

陜西黃陵建北煤礦生產(chǎn)能力為7.00 Mt/a，生產(chǎn)的煤炭是良好的動力用煤及氣化、液化等化工原料。井下“一井兩區(qū)，一區(qū)一面”生產(chǎn)，現(xiàn)井下三、四盤區(qū)同時生產(chǎn)。目前煤炭主運輸系統(tǒng)出現(xiàn)以下問題：井下2個綜采工作面同時生產(chǎn)時，工作面峰值輸送量到主斜井帶式輸送機時，主斜井帶式輸送機頻繁出現(xiàn)過載保護停機、輸送機壓死情況以及重載無法啟動工況，嚴(yán)重影響礦井正常生產(chǎn)及設(shè)備安全運行。為此，急需對主斜井帶式輸送機進(jìn)行升級改造，提高過載能力，實現(xiàn)重載啟動，保證礦井正常生產(chǎn)。

1 驅(qū)動改造方案

1.1 現(xiàn)有主斜井帶式輸送機設(shè)備

建北煤礦主斜井帶式輸送機屬于大型帶式輸送機，驅(qū)動采用隔爆電機+CST可控軟啟動方式，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主斜井帶式輸送機主要技術(shù)參數(shù)

1.2 改造原則

在現(xiàn)有主斜井井筒和驅(qū)動機房設(shè)備基礎(chǔ)、空間中挖潛改造，盡量利用現(xiàn)有設(shè)備[9]；采用先進(jìn)的新技術(shù)提升主斜井帶式輸送機智能驅(qū)動能力，實現(xiàn)重載啟動，保證礦井主運輸?shù)目煽?、高效和?jié)能生產(chǎn)；不改變主斜井帶式輸送機的帶寬以保證現(xiàn)有主斜井井筒斷面和設(shè)備基礎(chǔ)預(yù)埋件不變。

1.3 驅(qū)動改造方案

1.3.1 永磁變頻調(diào)速驅(qū)動方式的確定

傳統(tǒng)帶式輸送機異步電機驅(qū)動系統(tǒng)存在的啟動困難、維修費用高以及日常生產(chǎn)中突發(fā)故障多等問題，其啟動特性如圖1所示。永磁變頻直驅(qū)系統(tǒng)具有啟動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強、效率和功率因數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡單、免維護、溫升低以及使用壽命長，便于實現(xiàn)智能化等優(yōu)點，極大地提升了運輸系統(tǒng)的生產(chǎn)效率[12，4]，其啟動特性如圖2所示。

圖1 異步電機啟動特性Fig.1 Starting characteristics of asynchronous motors

圖2 永磁電機啟動特性Fig.2 Starting characteristics of permanent magnet motor

智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)融合變頻矢量控制技術(shù)、低速直驅(qū)大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機技術(shù)和智能控制技術(shù)，解決早期設(shè)備在主斜井帶式輸送機上出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)找磁極的問題。永磁同步變頻電動機革命性的拋棄三相異步電動機、減速機、機械軟起裝置，采用電動機與傳動滾筒直聯(lián)的方式，具有重載軟啟動和多機動態(tài)功率平衡的功能。永磁同步電機采用永磁體勵磁而不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)子損耗，總損耗相對于異步電機可降低40%～60%[6]，在啟動過程中永磁直驅(qū)式帶式輸送機具有更小的張力峰值，同時在整個啟動過程中比異步驅(qū)動式帶式輸送機降低了約8%的能耗[15]。永磁直驅(qū)系統(tǒng)日?；久饩S護和檢修，節(jié)約大量的人力物力成本，減輕生產(chǎn)過程中的環(huán)境污染，有效減少碳排放。其智能調(diào)速功能滿足主煤流系統(tǒng)智能化建設(shè)要求，解決了大型主斜井帶式輸送的軟啟動，重載啟動和多機動態(tài)功率平衡問題。

建北煤礦主斜井帶式輸送機驅(qū)動方式改造采用目前技術(shù)先進(jìn)的智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的驅(qū)動裝置直接驅(qū)動帶式輸送機方案。

1.3.2 智能永磁同步變頻調(diào)速設(shè)備選型及比選

永磁同步變頻調(diào)速設(shè)備：目前，隨著永磁驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外帶式輸送機永磁變頻調(diào)速驅(qū)動設(shè)備主要有智能永磁直驅(qū)滾筒、智能永磁同步變頻調(diào)速一體機和智能永磁同步變頻調(diào)速分體機3大類。煤礦井下帶式輸送機設(shè)備，用于煤塵、爆炸性氣體危險環(huán)境的設(shè)備必須有煤安證。智能永磁直驅(qū)滾筒有煤安證的最大功率為315 kW；智能永磁同步變頻調(diào)速一體機目前1 140 V設(shè)備較為成熟，但沒有高壓設(shè)備；智能永磁同步變頻調(diào)速分體機目前低壓660 V/1 140 V，高壓6 kV/10 kV較為成熟，設(shè)備組成和適用條件見表2。

表2 智能永磁驅(qū)動設(shè)備組成和適用條件

永磁同步變頻調(diào)速設(shè)備計算選型及方案比選：礦方實測井下2個工作面同時生產(chǎn)時的峰值煤量約為1 700 t/h，大約持續(xù)1 h。根據(jù)改造設(shè)計原則和設(shè)計依據(jù)。計算設(shè)計輸送量，計算帶式輸送機所需總圓周力和驅(qū)動功率。永磁電機根據(jù)轉(zhuǎn)矩要求進(jìn)行設(shè)計選型，異步電機按照功率進(jìn)行設(shè)計。

設(shè)計輸送量

Q=3 600ψStANυρ

(1)

式中，ψSt為傾斜輸送時輸送帶承載物料的理論橫截面積縮減系數(shù)[3]，ψSt=0.91；AN為輸送帶承載物料的設(shè)計橫截面積，AN=0.165 m2；v為帶速，v=4 m/s；ρ為堆積密度，ρ=0.9 t/m3。

Q=1 946.94 t/h>1 700 t/h，輸送能力滿足運煤要求。

所需總圓周力

FTr=CFH+FS+FSt

(2)

式中，C為附加阻力系數(shù)，選取C=1.09；FH為主要阻力，計算為116 907 N；FS為特種阻力，計算為11 403 N；FSt為提升阻力，計算為229 558 N。

所需總圓周力FTr=368 390 N

則所需單臺傳動滾筒軸功率PM=FTrυ/2 000=736.78 kW，2臺。

永磁電動機轉(zhuǎn)速確定

驅(qū)動轉(zhuǎn)矩確定(富裕系數(shù)k，取1.2[7])

T=k×9 550×PM=140 725 N·m

在永磁同步變頻電動機選型時，應(yīng)由關(guān)注電動機額定輸出功率的傳統(tǒng)慣性思維逐漸回歸到電動機本質(zhì)，將關(guān)注點放在電動機輸出額定扭矩上[7]。

經(jīng)設(shè)計計算，建北煤礦主斜井帶式輸送機采用2套永磁直驅(qū)電機。對于多電機驅(qū)動方式，最關(guān)鍵問題在于實現(xiàn)各個電機的動態(tài)功率平衡問題，從而達(dá)到節(jié)能的效果[14]，永磁驅(qū)動具有多機動態(tài)功率平衡功能。依據(jù)現(xiàn)有10 kV電壓和改造后的驅(qū)動功率要求，改造方案可選2套低壓1 140 V永磁變頻一體機和6 kV高壓的永磁變頻分體機。兩者對比見表3。

表3 分體機和一體機對比

建北煤礦主斜井帶式輸送機運輸距離長，總機功率大，屬于大型帶式輸送機，目前國內(nèi)外應(yīng)用永磁驅(qū)動設(shè)備越來越多，但在主斜井帶式輸送機上采用永磁電機變頻驅(qū)動技術(shù)實例較少，尤其2臺額定扭矩約159 kN·m(相當(dāng)于功率約為1 000 kW)的一體機，目前還沒有應(yīng)用案例，考慮到主斜井帶式輸送機為煤礦運輸?shù)奶嵘屎憝h(huán)節(jié)，結(jié)合目前永磁一體機和分體機的技術(shù)發(fā)展，改造方案優(yōu)選永磁分體機方案。但隨著永磁控制、變頻控制技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展完善，一體機將電動機和變頻器融合為一體，必將在主斜井帶式輸送機系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

2 經(jīng)濟效益分析

煤礦機電設(shè)備大多為大功率用電設(shè)備，節(jié)能可以創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟效益[10]。帶式輸送機是煤礦井下主要運輸設(shè)備同時也是主要的能耗設(shè)備，恒速運行雖然可滿足煤炭的運輸要求[12]，但從井下工作面來看煤往往不均衡。

在倡導(dǎo)綠色節(jié)能的歷史背景下，通過煤量監(jiān)控，實時進(jìn)行帶式輸送機智能變頻調(diào)速控制，從而實現(xiàn)節(jié)約電量消耗[11]，而永磁變頻直驅(qū)系統(tǒng)必將成為帶式輸送機的主流配置[4]。永磁直驅(qū)系統(tǒng)傳動效率近似1，從而降低了維護和運行成本[13]。永磁變頻直驅(qū)系統(tǒng)可根據(jù)負(fù)載情況進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，能在任意頻率下低速運行[8]，可滿足綠色礦山建設(shè)節(jié)能要求。

建北主斜井帶式輸送機采用傳統(tǒng)驅(qū)動方式與永磁變頻驅(qū)動方式的節(jié)能減排和維護效益對比分析見表4。以帶式輸送機運行每年330 d，每天18 h，生產(chǎn)用電價格0.8元/度，負(fù)載按額定60%計算。

表4 節(jié)能對比

傳統(tǒng)帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)更替為新型的永磁變頻調(diào)速直驅(qū)系統(tǒng)后，節(jié)能減排和經(jīng)濟效益顯著[5]。依據(jù)表4分析可見，建北煤礦主斜井帶式輸送機每年可節(jié)約電能總計約67.6萬元，維修維護人工費節(jié)約19.5萬元，年節(jié)約總費用約87.1萬元。

3 結(jié)語

永磁變頻直驅(qū)系統(tǒng)應(yīng)用在主斜井帶式輸送機，不僅具有結(jié)構(gòu)簡單、免維護、性能可靠和高效節(jié)能等特點，而且具有啟動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強，能夠解決大型主斜井帶式輸送的軟啟動，尤其重載啟動問題，且其智能調(diào)速功能為實現(xiàn)煤礦主運輸系統(tǒng)智能化控制提供了硬件支撐。