選煤廠帶式輸送機(jī)能耗優(yōu)化控制研究

吳濤

（中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710055）

1 帶式輸送機(jī)基本構(gòu)成和優(yōu)點(diǎn)

帶式運(yùn)輸機(jī)是一種以輸送帶為牽引部件和承載部件，由托輥支承，通過(guò)主動(dòng)滾筒與傳送帶之間的摩擦傳遞牽引力的連續(xù)輸送設(shè)備。可在一定的輸送線，從裝料點(diǎn)到卸載點(diǎn)，不間斷地流動(dòng)各種粉末、粒狀、塊狀等散狀物料。在工業(yè)企業(yè)內(nèi)部運(yùn)輸中起著重要作用，也是企業(yè)對(duì)外運(yùn)輸?shù)闹匾侄?。皮帶輸送機(jī)在化工、煤炭、冶金、礦山、建材、電力、輕工、食品、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。和其他大件運(yùn)輸飛機(jī)、汽車(chē)、鐵路運(yùn)輸相比，有許多優(yōu)點(diǎn)。

1.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

帶式輸送機(jī)由滾筒、托輥、機(jī)架、驅(qū)動(dòng)裝置及輸送帶等主要部件組成，安裝相對(duì)簡(jiǎn)單。

1.2 輸送物料種類(lèi)廣泛

帶式輸送機(jī)輸送物料的范圍可以從很細(xì)的粉狀、顆粒狀物料到大塊的煤炭、礦石等，由于特殊用途的輸送帶具有耐磨、耐酸堿、耐熱、耐油抗腐蝕、阻燃等性能，可滿足各種條件下輸送多種物料。

1.3 輸送能力大

帶式輸送機(jī)的輸送能力可以滿足任何要求的輸送任務(wù)，既有輕型的，也有大型的，由于高帶速和大帶寬的應(yīng)用，每小時(shí)可輸送數(shù)千噸甚至上萬(wàn)噸物料。

1.4 輸送距離長(zhǎng)

由于帶式輸送機(jī)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，可更經(jīng)濟(jì)地將物料輸送到較遠(yuǎn)的距離。在國(guó)外已有應(yīng)用單機(jī)長(zhǎng)度10～20km的帶式輸送機(jī)，采用中間驅(qū)動(dòng)方式使帶式輸送機(jī)單機(jī)長(zhǎng)度得到更大的延伸，輸送系統(tǒng)總長(zhǎng)度可達(dá)上百千米。

1.5 輸送線路適應(yīng)性強(qiáng)

帶式輸送機(jī)輸送路線的選擇具有很大的靈活性，輸送線路可根據(jù)需要進(jìn)行延長(zhǎng)和縮短，且移置方便。根據(jù)地形條件，帶式輸送機(jī)可沿地面、地下或高架及空間曲線進(jìn)行布置，水平、傾斜布置或者成凸弧、凹弧段布置，從而降低基建投資，免受鐵路、公路以及社區(qū)、河流等因素的干擾。

1.6 輸送角度大

帶式輸送機(jī)比卡車(chē)等輸送設(shè)備具有更大的輸送角度。散狀物料的性質(zhì)，如密度、內(nèi)摩擦角、粒度、外形等決定著普通帶式輸送機(jī)能夠向上或向下輸送的最大傾斜角，過(guò)大的傾角會(huì)造成物料在輸送帶上下滑，通用帶式輸送機(jī)提升角度可為16～18°，甚至可超過(guò)25°。

1.7 靈活地裝卸料

帶式輸送機(jī)可設(shè)在地面、井下或設(shè)備上，根據(jù)工廠的流程需求，可由多個(gè)點(diǎn)向一條帶式輸送機(jī)上裝料，形成干線輸送機(jī)輸送?？梢酝ㄟ^(guò)供料設(shè)備在輸送機(jī)的任意點(diǎn)統(tǒng)一加料，也可以向多點(diǎn)或多個(gè)區(qū)域卸料。

2 選煤廠帶式輸送機(jī)能耗影響因素

選煤廠皮帶輸送機(jī)的能源消耗主要取決于整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行阻力和傳動(dòng)系統(tǒng)的效率。目前，變頻器的使用已逐步普及。大型帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置通常是由變頻器、電動(dòng)機(jī)和減速器組合而成。在大功率帶式輸送機(jī)中，傳統(tǒng)的軟起動(dòng)比例逐年下降。為此，筆者主要對(duì)現(xiàn)有的變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改造，選用PMSM代替電機(jī)與減速機(jī)的傳動(dòng)組合，提高電機(jī)效率，減少傳能環(huán)節(jié)，從而進(jìn)一步增加能耗。

3 選煤廠帶式輸送機(jī)能耗優(yōu)化策略

作者對(duì)現(xiàn)有變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了改造，選用 PMSM代替電機(jī)和減速器的驅(qū)動(dòng)組合，在提高電機(jī)工作效率的同時(shí)，降低了能量傳遞這一環(huán)節(jié)，從而更好地提高帶式輸送機(jī)的整體傳動(dòng)效率，從而減少帶式輸送機(jī)在系統(tǒng)上所產(chǎn)生的能耗，進(jìn)一步提高選煤廠的經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 將永磁同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用在帶式輸送機(jī)上

中國(guó)是永磁材料產(chǎn)量最大的國(guó)家之一。釹鐵硼等稀土永磁體資源十分豐富。我國(guó)以“稀土之國(guó)”著稱(chēng)。國(guó)內(nèi)研究和開(kāi)發(fā)稀土永磁電機(jī)的技術(shù)水平處于世界領(lǐng)先水平。PMSM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、損耗小、效率高。與直流電機(jī)相比，PMSM沒(méi)有換向刷等缺點(diǎn)。PMSM自身的矢量控制系統(tǒng)不但具有高精度、高動(dòng)態(tài)特性，而且可以實(shí)現(xiàn)大范圍的調(diào)速及定位。因此，PMSM矢量控制系統(tǒng)已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多學(xué)者的重視。軟起動(dòng)技術(shù)是解決帶式輸送機(jī)大功率傳動(dòng)系統(tǒng)中遇到問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)。隨著帶式輸送機(jī)的不斷發(fā)展，對(duì)其本身系統(tǒng)的需求也越來(lái)越高。

3.2 將驅(qū)動(dòng)單元升級(jí)成變頻器與永磁電動(dòng)機(jī)組合

3.2.1 新型帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）安全性上更加可靠。①?zèng)]有專(zhuān)門(mén)的減速系統(tǒng)，系統(tǒng)在運(yùn)行方面更加平穩(wěn)，振動(dòng)會(huì)更小，同時(shí)，噪聲相對(duì)較低，可靠性也得到了提高。②無(wú)齒輪傳動(dòng)，使用的壽命變得更長(zhǎng)。③變頻器匹配電抗器以及濾波等裝置，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染以及對(duì)其他設(shè)備工作產(chǎn)生影響。④部件在數(shù)量上也得到了減少，在安裝的過(guò)程中更加方便。（2）不需要進(jìn)行維護(hù)。①無(wú)減速系統(tǒng)及附屬的液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，在維護(hù)方面的難度得到了降低。②維護(hù)的周期變得更長(zhǎng)，停機(jī)的時(shí)間也在一定程度上減少，因此其生產(chǎn)的效率也會(huì)大大提高。（3）可進(jìn)行智能化的控制。①具備零速滿轉(zhuǎn)矩輸出特性；②長(zhǎng)時(shí)間低速驗(yàn)帶功能；③矢量控制，實(shí)現(xiàn)多驅(qū)功率平銜；④變頻控制，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的“S”曲線啟動(dòng)，停車(chē)；⑤采用四象限運(yùn)行方式能解決下運(yùn)制動(dòng)及緊急停運(yùn)問(wèn)題。

3.2.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)功耗對(duì)比

PMSM與異步電機(jī)在功耗方面相比，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，它的運(yùn)行效率也比較高，同時(shí)，其功率因數(shù)較高，可以進(jìn)一步優(yōu)化電網(wǎng)的品質(zhì)等。（1）工作效率。PMSM的磁場(chǎng)來(lái)自永磁體，因此避免了在勵(lì)磁電流中產(chǎn)生磁場(chǎng)所引起的勵(lì)磁損耗。從節(jié)能角度看，永磁電機(jī)的效率可達(dá)96%(IE4)，而異步電機(jī)的能耗大約是90%。（2）功率因數(shù)。因?yàn)楦袘?yīng)電機(jī)系統(tǒng)的功率因數(shù)比較低，在使用過(guò)程中，隨著電流的不斷增加，將造成線纜損耗很大，從而使電網(wǎng)及輸變電設(shè)備在發(fā)電過(guò)程中的負(fù)荷進(jìn)一步增大。PMSM系統(tǒng)將較先進(jìn)的轉(zhuǎn)子工藝融入傳輸系統(tǒng)中，期間將能夠更好地促使高性能永磁體材料嵌入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，而后利用永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)替代電勵(lì)磁，使其內(nèi)部的感應(yīng)電流激勵(lì)能夠得到實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，促使電機(jī)功率因數(shù)接近于1。

3.3 取消減速器環(huán)節(jié)降低能量傳遞損耗

（1）實(shí)施減速器失效的可行性分析。它是一種 PMSM系統(tǒng)，它在設(shè)計(jì)時(shí)可以對(duì)其功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)整，其中成功率可以設(shè)計(jì)為1，與電機(jī)極數(shù)無(wú)關(guān)，但是，它與電機(jī)極數(shù)有密切關(guān)系，它的勵(lì)磁特性必然導(dǎo)致功率因數(shù)的逐步下降。PMSM自身功率因數(shù)能夠更好地突破電機(jī)極數(shù)的限制，期間通過(guò)配合機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展的方式，將能夠促使電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)級(jí)數(shù)得到提升，以此最終實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩輸出配置的目的。（2）取消減速器能耗分析。減速機(jī)是連接在驅(qū)動(dòng)電機(jī)和膠帶輸送機(jī)滾筒之間的機(jī)械連桿，以放大扭矩?，F(xiàn)在市場(chǎng)上質(zhì)量好的減速器使用效率不會(huì)超過(guò)96%，所以減速器在這一環(huán)節(jié)會(huì)有一些耗能，所以在這個(gè)環(huán)節(jié)會(huì)有一些能耗。

4 結(jié)語(yǔ)

永磁直驅(qū)帶式輸送機(jī)在系統(tǒng)上有明顯的優(yōu)越性。它主要包括永磁同步電動(dòng)機(jī)和變頻器。它們沒(méi)有安裝減速器和液力耦合器，其節(jié)能、效率高、運(yùn)行穩(wěn)定、噪音相對(duì)小。PMSM具有高極數(shù)、大輸出轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，不僅大大提高了運(yùn)行效率，而且節(jié)約了大量的成本。PMSM作為一種新型驅(qū)動(dòng)方式，具有高效、節(jié)能、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，符合當(dāng)前選煤廠發(fā)展的趨勢(shì)。本電動(dòng)機(jī)已在選煤廠推廣應(yīng)用。