刮板輸送機(jī)永磁同步一體機(jī)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用研究

周建平

（山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司王家?guī)X煤礦，山西 忻州 036600）

1 工程概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)王家?guī)X煤礦18106 工作面現(xiàn)場配置刮板輸送機(jī)型號(hào)為SGZ1250/3×1200，基本參數(shù)如下：供貨長度320 m；輸送量≥3500 t/h；總裝機(jī)功率3×1200 kW；刮板鏈速0～2.0 m/s；供電電壓3300 V；槽內(nèi)寬1250 mm；中部槽長度2050 mm，刮板鏈規(guī)格為Φ52/128×170 mm 超扁平鏈；銷軌型式為整體鍛造（節(jié)距172 mm）；卸載方式為交叉?zhèn)刃?；緊鏈方式為液壓馬達(dá)緊鏈+伸縮機(jī)尾輔助緊鏈（手動(dòng)加自動(dòng)）。

18106 工作面SGZ1250/3×1200 型刮板輸送機(jī)2021 年2 月前采用傳統(tǒng)的普通鼠籠式電機(jī)+液力耦合器+減速器的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式。耦合器采用閥控型液力耦合器，其主要結(jié)構(gòu)如圖1。該驅(qū)動(dòng)方式啟動(dòng)后電機(jī)一直維持在一個(gè)恒定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，基本不隨負(fù)載的變化而變化。因此，該傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)踐應(yīng)用中存在傳動(dòng)效率低、能耗高、電流大、發(fā)熱高、存在無功功率、網(wǎng)側(cè)功率因素低等問題，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行永磁同步變頻一體機(jī)的優(yōu)化改進(jìn)[1-2]。

圖1 閥控型液力耦合器結(jié)構(gòu)示意圖

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)配置

18106 工作面刮板運(yùn)輸機(jī)使用3 臺(tái)1200 kW/3300 V 礦用隔爆兼本質(zhì)安全型永磁同步變頻一體機(jī)驅(qū)動(dòng)，永磁變頻一體機(jī)均由一根3300 V 主動(dòng)力電纜供電，整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)可通過KXJ-0.5/127 智能控制箱實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備主從控制運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖2。

圖2 永磁同步變頻一體機(jī)智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖

2.2 系統(tǒng)供電

變頻一體機(jī)供電可通過組合開關(guān)或由3300 V 移動(dòng)變電站直接供電，每臺(tái)一體機(jī)供電僅需一根輸入電纜即可，電源側(cè)輸入電纜推薦選用MVFP-1.9/3.3 3×95+3×50/3 型變頻裝置用橡套軟電纜。

2.3 設(shè)計(jì)方案配置明細(xì)

刮板輸送機(jī)永磁同步變頻一體機(jī)智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案設(shè)備配置明細(xì)見表1。

表1 設(shè)備配置明細(xì)表

2.4 變頻一體機(jī)設(shè)備選型

根 據(jù)18106 工 作 面SGZ1250/3×1200 型 刮 板輸送機(jī)的工作現(xiàn)場實(shí)況，選用TYJVFT1-450M4-6（1200/3300）型礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓永磁同步變頻調(diào)速一體機(jī)，完全適用于1200 kW 功率范圍及以下三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制。

2.4.1 技術(shù)參數(shù)

外 形 尺 寸 長× 寬× 高=2522 mm×950 mm×1220 mm；組合形式為驅(qū)動(dòng)變頻器及永磁電機(jī)一體化設(shè)計(jì)；電動(dòng)機(jī)類型為三相永磁同步電動(dòng)機(jī)；額定功率1200 kW；額定效率≥95%；功率因數(shù)≥0.95；額定轉(zhuǎn)速1500 r/min；最大轉(zhuǎn)速1800 r/min；電機(jī)額定扭矩7640 N·m；堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩≥2.5；最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩≥2.2；額定輸入電壓3AC3300V（-15%～+10%）；額定輸入電流228 A；輸入頻率50 Hz；逆變形式及逆變?cè)镻WM、IGBT；控制模塊為西門子/倍福PLC 等同品質(zhì)產(chǎn)品；變頻主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為三電平拓?fù)?；通信接口為CAN總線。

2.4.2 結(jié)構(gòu)特征

該變頻一體機(jī)外形分為電動(dòng)機(jī)部分和變頻部分。電動(dòng)機(jī)為單獨(dú)的隔爆腔體，變頻部分又分為變頻主腔和電源輸入腔兩個(gè)獨(dú)立的隔爆腔體。變頻主隔爆腔位于電動(dòng)機(jī)上部，電源輸入腔安裝于電動(dòng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)端。動(dòng)力電纜通過電纜連接器引入，控制電由內(nèi)部控制變壓器提供，不需要外部供電。冷卻方式為水冷，永磁同步電動(dòng)機(jī)與變頻主腔均有獨(dú)立的冷卻水道，通過軟管連接形成整體冷卻。一體機(jī)冷卻水進(jìn)水口在變頻部分的水冷板上，出水口在電動(dòng)機(jī)上。

變頻一體機(jī)電氣系統(tǒng)主要由變頻部分和電動(dòng)機(jī)部分組成，其中變頻部分又由主電路、控制單元、驅(qū)動(dòng)單元、顯示屏等組成，如圖3。

圖3 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該變頻一體機(jī)采用礦用隔爆兼本質(zhì)安全型可編程控制箱。變頻一體機(jī)控制箱技術(shù)參數(shù)：長×寬×高=740 mm×330 mm×538 mm；臥裝或掛裝；額定輸入電壓127 VAC ；額定輸入電流0.5 A。一體機(jī)控制箱可控制不少于10 臺(tái)一體機(jī)的啟停及速度，控制方式采用CAN 總線通信控制加先導(dǎo)控制模式。一體機(jī)控制箱可實(shí)現(xiàn)對(duì)一體機(jī)的控制模式選擇、速度調(diào)整、啟動(dòng)加速度調(diào)整、停機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)目并脫機(jī)控制的功能?？刂葡渚邆銻S485 硬件接口和以太網(wǎng)接口，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳及遠(yuǎn)程控制功能。一體機(jī)控制箱具備的檢測及保護(hù)功能：通過通信讀取每臺(tái)一體機(jī)的繞組、前后軸、腔室溫度、腔室濕度等，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能且保護(hù)值可設(shè)定。

2.4.3 變頻一體機(jī)冷卻

一體機(jī)采用水冷進(jìn)行散熱，一體機(jī)有左右兩側(cè)對(duì)稱的進(jìn)出水口，根據(jù)電機(jī)的安裝形式可以將變頻部分一側(cè)作為進(jìn)水口，另一側(cè)與電機(jī)一側(cè)進(jìn)出水口相連，作為電機(jī)進(jìn)水口，剩余為出水口，一體機(jī)應(yīng)從變頻部分進(jìn)水電機(jī)出水。一體機(jī)單臺(tái)冷卻要求：流量≥3 m3/h、水溫15～40 ℃、水壓≤3 MPa。進(jìn)出水口如圖4。

圖4 變頻一體機(jī)冷卻系統(tǒng)示意圖

3 應(yīng)用效果分析

18106 工作面SGZ1250/3×1200 型刮板輸送機(jī)于2021 年3 月完成了永磁同步一體機(jī)驅(qū)動(dòng)的升級(jí)改造后，投入到了實(shí)踐應(yīng)用當(dāng)中，應(yīng)用情況如下：

（1）重載啟動(dòng)性能好

永磁同步一體機(jī)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)SGZ1250/3×1200 型刮板輸送機(jī)重載調(diào)速啟動(dòng)，減少機(jī)械和電氣沖擊，延長設(shè)備使用壽命。永磁變頻一體機(jī)零速啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩更大，重載啟動(dòng)條件下有效降低啟動(dòng)電流（2 倍額定電流以內(nèi)），減少設(shè)備啟動(dòng)對(duì)網(wǎng)側(cè)的壓降影響，提升系統(tǒng)供電效率。

（2）結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝快捷，安裝及改造周期短

永磁同步一體機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配置簡單，布置空間小，拆裝快捷，安裝及改造周期短。對(duì)比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式，每臺(tái)電機(jī)接線省去一根動(dòng)力電纜，降低成本及工人維護(hù)量。

（3）生命周期長

異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場通過交變電流產(chǎn)生，形成轉(zhuǎn)子熱源；永磁體轉(zhuǎn)子無電流，不產(chǎn)生熱源，軸承溫度低、壽命長。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，700 kW永磁一體機(jī)滿載情況下，軸承溫升較異步一體機(jī)低40～50 ℃。永磁一體機(jī)軸承溫升優(yōu)勢明顯，作為電機(jī)的關(guān)鍵器件，電機(jī)轉(zhuǎn)子和軸承溫升低會(huì)顯著延長電機(jī)的生命周期。

（4）遠(yuǎn)距離供電的最佳解決方案

煤礦工作面遠(yuǎn)距離供電供液將成為現(xiàn)場機(jī)電設(shè)備發(fā)展的趨勢之一，一是為減少甚至取消設(shè)備列車使用，二是實(shí)現(xiàn)供電設(shè)備的靜態(tài)放置，有利于檢修和維護(hù)。同時(shí)，礦井底板壓力比較大的工作面，遠(yuǎn)距離供電供液已成為必要的選擇。

常規(guī)變頻器遠(yuǎn)距離供電受兩方面制約：① 變頻器自身輸出距離存在限制，目前尚不能實(shí)現(xiàn)5000 m（1140 V 產(chǎn)品為1500 m）以上供電距離；② 變頻輸出電源為高頻PWM 波形，即便通過各種諧波抑制措施，仍會(huì)存在不同程度的電磁干擾，影響第三方系統(tǒng)正常使用。

變頻一體機(jī)遠(yuǎn)距離供電的優(yōu)勢：① 不需考慮遠(yuǎn)距離供電的壓降因素，一體機(jī)啟動(dòng)時(shí)，前級(jí)供電電纜電流很小，不會(huì)產(chǎn)生明顯的壓降；② 完全消除了電磁干擾影響，且對(duì)遠(yuǎn)距離供電電纜無特殊要求。

（5）滿足未來升級(jí)需要

永磁同步一體機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)除本身自帶的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)、CAN 等通信接口外，同時(shí)具備DDS 智慧礦山標(biāo)準(zhǔn)通信接口。能夠滿足煤礦后期智能化升級(jí)改造的需求。

4 節(jié)能效益分析

SGZ1250/3×1200 型刮板輸送機(jī)按每天運(yùn)行20 h 計(jì)算，平均有功功率占70%，永磁同步一體機(jī)驅(qū)動(dòng)總的電能節(jié)省率為25%。經(jīng)計(jì)算，該設(shè)備每天節(jié)約電能為12 600 kW·h，每年可節(jié)約電能4.536×106kW·h，即每年能節(jié)約電費(fèi)約270 萬元。對(duì)比永磁同步一體機(jī)驅(qū)動(dòng)改造之前，SGZ1250/3×1200 型刮板輸送機(jī)設(shè)備的維護(hù)、沖擊、磨損以及人工成本每年可節(jié)約20 萬元左右。永磁同步一體機(jī)驅(qū)動(dòng)的改造研究，每年可為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益約290 萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。