永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)在煤礦井下帶式傳輸機(jī)中的應(yīng)用

張 敏

（國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)公司上灣煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

在我國(guó)，煤礦井下運(yùn)輸煤炭所用設(shè)備主要為帶式傳輸機(jī)，這就需要帶式傳輸機(jī)具備安全可靠的驅(qū)動(dòng)，以不斷滿(mǎn)足煤礦井下高效生產(chǎn)要求，煤礦井下設(shè)備拖動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，為避免由于直接啟動(dòng)導(dǎo)致啟動(dòng)力矩過(guò)大對(duì)設(shè)備接頭部位與電機(jī)產(chǎn)生沖擊力，應(yīng)通過(guò)軟啟動(dòng)技術(shù)，以滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)控制需求，保證啟動(dòng)加速度控制在最佳范圍[1]。當(dāng)前煤礦井下帶式傳輸機(jī)主要選擇液力耦合驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)極易受到電壓的影響，所以在實(shí)際應(yīng)用期間會(huì)產(chǎn)生機(jī)械故障，且長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)磨損傳輸機(jī)傳動(dòng)裝置與減速裝置，導(dǎo)致輸送卡頓、啟動(dòng)困難等問(wèn)題。永磁電機(jī)存在低轉(zhuǎn)速、大扭矩等特性，可直接與輸送帶相連接，以對(duì)滾筒產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)作用，同時(shí)配備變頻驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，可以精準(zhǔn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速[2]。本文為精簡(jiǎn)輸送流程，智能化控制煤礦井下帶式傳輸機(jī)，應(yīng)用永磁直驅(qū)電機(jī)當(dāng)作動(dòng)力系統(tǒng)，以期能夠?yàn)槊旱V井下作業(yè)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)原理

永磁電機(jī)是根據(jù)磁阻轉(zhuǎn)矩功能，滿(mǎn)足動(dòng)力傳輸需求，通過(guò)永磁材料創(chuàng)建磁場(chǎng)，以達(dá)到儲(chǔ)能目的。從永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)層面分析，主要包括3 部分，即定子、轉(zhuǎn)子及機(jī)座。其中，定子中含有繞組與鐵芯，鐵芯主要由0.5 mm 厚度的硅鋼片疊壓制作而成；轉(zhuǎn)子內(nèi)含有轉(zhuǎn)軸、鐵芯、支架及永磁體，選擇內(nèi)置方式布置永磁體。機(jī)座選擇鑄鋼澆注，端蓋分別配置在電機(jī)兩端，主要用于對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的支撐與保護(hù)。三相電流通入后，會(huì)在定子繞組內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，此時(shí)的固定永磁體會(huì)基于異極相吸、同極相斥原理循環(huán)運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，同時(shí)和定子磁極轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)化磁場(chǎng)能為機(jī)械能，由此實(shí)現(xiàn)扭矩輸出。

負(fù)荷相同的情況下，與以往異步電機(jī)相比，永磁電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩能夠達(dá)到額定值29%，基于負(fù)載情況調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)過(guò)載能力的提升[3]。驅(qū)動(dòng)控制環(huán)節(jié)，異步電機(jī)需通過(guò)CST 設(shè)備與液力耦合器等達(dá)到軟啟動(dòng)與減速控制目標(biāo)。永磁電機(jī)能夠通過(guò)高精度傳感器采集轉(zhuǎn)子絕對(duì)位置信號(hào)，并向變頻控制器傳遞信號(hào)，以實(shí)時(shí)掌控磁極運(yùn)動(dòng)情況，同時(shí)加入矢量電流，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，具體如圖1 所示。不需要增加減速器就能夠達(dá)到功率、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的平衡，所以永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，能夠?yàn)橄嚓P(guān)設(shè)備穩(wěn)定安全運(yùn)行提供保障。

圖1 永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制原理

2 永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)

永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式傳輸機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)主要為驅(qū)動(dòng)滾筒、永磁直驅(qū)電機(jī)及變頻器等。與傳統(tǒng)傳輸機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，該新型傳輸方式省去了極易發(fā)生故障的液力耦合器、減速機(jī)等結(jié)構(gòu)，能夠隨時(shí)軟停車(chē)或軟啟動(dòng)。永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)主要表現(xiàn)如下。

2.1 轉(zhuǎn)矩大

煤礦井下生產(chǎn)中，永磁電機(jī)借助其轉(zhuǎn)矩功能，有效控制煤礦井下傳輸帶動(dòng)力，在實(shí)際應(yīng)用期間，需要基于應(yīng)用要求，對(duì)轉(zhuǎn)矩參數(shù)進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，明確電機(jī)級(jí)數(shù)與永磁體安裝數(shù)量，保證永磁電機(jī)能夠滿(mǎn)足應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。永磁電機(jī)過(guò)載支撐能力比較強(qiáng)，而且存在強(qiáng)大的轉(zhuǎn)矩負(fù)載能力。以往輸送機(jī)在負(fù)荷情況下，啟動(dòng)電機(jī)后的轉(zhuǎn)矩參數(shù)是未啟動(dòng)前額定參數(shù)的50%，很難全面負(fù)載，而永磁電機(jī)具有較大轉(zhuǎn)矩參數(shù)，其轉(zhuǎn)矩參數(shù)為額定參數(shù)的250%。煤礦生產(chǎn)人員可借助速度調(diào)節(jié)功能，使輸送機(jī)能夠負(fù)載不同質(zhì)量的物質(zhì)，而且具備重載啟動(dòng)功能，實(shí)際應(yīng)用時(shí)的靈活性較大[4]。

2.2 功率高

以往電機(jī)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子繞組大多采用銅制材料，該材料在磁場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中往往會(huì)消耗大量熱能，造成能量功率消耗量的增加，使得煤礦井下生產(chǎn)中的能源浪費(fèi)非常嚴(yán)重。而永磁電機(jī)所用材料主要為永磁體，在運(yùn)轉(zhuǎn)期間所消耗熱能較少，所以永磁電機(jī)功率因數(shù)優(yōu)勢(shì)較為明顯，特別是在額定功率和輸出功率保持一致的情況下，該優(yōu)勢(shì)就更為突出[5]。以往電機(jī)功率比較大，且功率因數(shù)低，必須在通電后應(yīng)用，此時(shí)的電機(jī)會(huì)吸引更多電流能量，導(dǎo)致電能?chē)?yán)重浪費(fèi)，必須通入更多電流方可運(yùn)轉(zhuǎn)輸送機(jī)，過(guò)電流負(fù)載狀態(tài)下，很容易引發(fā)電機(jī)運(yùn)行故障。由于受磁力性質(zhì)影響，永磁電機(jī)功率存在恒定屬性，且運(yùn)行效率較高，所以不會(huì)產(chǎn)生異步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)電流問(wèn)題。

2.3 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

在煤礦井下作業(yè)中應(yīng)用永磁直驅(qū)電機(jī)，無(wú)須安裝減速器，且運(yùn)行期間也不會(huì)有機(jī)械噪聲產(chǎn)生，能夠最大程度上降低齒輪磨損程度[6]。所以，煤礦井下運(yùn)輸工作不需要潤(rùn)滑處理永磁電機(jī)，而且能有效節(jié)約永磁電機(jī)后續(xù)維護(hù)成本，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)有助于縮短設(shè)備安裝與拆卸時(shí)間。

2.4 壽命長(zhǎng)

與傳統(tǒng)電機(jī)相比，永磁直驅(qū)電機(jī)具有較長(zhǎng)的使用壽命，因?yàn)橛来胖彬?qū)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中很容易受到永磁體磁力影響，只有借助磁力才能夠達(dá)到傳動(dòng)目的，以對(duì)傳輸帶運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生推動(dòng)作用，可有效降低材料損耗程度[7]。此外，永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)繞組長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)也不會(huì)消耗電阻，能夠完全轉(zhuǎn)化為電流能量。與傳統(tǒng)電機(jī)比較，永磁電機(jī)存在較低的消耗率，且使用壽命也相對(duì)較長(zhǎng)。

2.5 智能控制

所謂智能化控制技術(shù)，就是不需要應(yīng)用矢量控制技術(shù)提取與分析各項(xiàng)參數(shù)，不需要應(yīng)用傳感器設(shè)備，最終合理、有效控制各項(xiàng)參數(shù)。智能控制技術(shù)是借助變頻技術(shù)啟動(dòng)裝置，使輸送帶系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)均勻運(yùn)轉(zhuǎn)。相對(duì)傳統(tǒng)輸送帶所用電機(jī)來(lái)說(shuō)，有效避免電機(jī)啟動(dòng)時(shí)輸送電流太高而引發(fā)過(guò)電流沖擊問(wèn)題，使故障發(fā)生率有所下降。永磁直驅(qū)電機(jī)所具有的智能化控制特性，必須選擇2 臺(tái)電機(jī)當(dāng)作驅(qū)動(dòng)設(shè)備。2 臺(tái)電機(jī)分別發(fā)揮輔助控制和主要控制功能，保證運(yùn)轉(zhuǎn)傳輸時(shí)的電流參數(shù)和功率參數(shù)保持一致[8]。充分發(fā)揮永磁直驅(qū)系統(tǒng)的通信作用，同時(shí)開(kāi)設(shè)相應(yīng)接口，能夠?qū)崟r(shí)傳輸上位機(jī)和電機(jī)的數(shù)據(jù)，借助上位機(jī)發(fā)出相關(guān)指令，以集中控制多個(gè)傳輸機(jī)設(shè)備。

2.6 安全系數(shù)高

不同于以往傳輸帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，選擇智能永磁裝置驅(qū)動(dòng)傳送帶，系統(tǒng)能夠轉(zhuǎn)化磁能為機(jī)械能，以降低中間傳動(dòng)裝置利用率，這樣能簡(jiǎn)化永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)磁力裝置，能夠有效規(guī)避電流與電壓等故障，保證系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)安全運(yùn)行，且在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)電壓過(guò)載與電流沖擊故障[9]。

3 永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)在煤礦井下帶式傳輸機(jī)中的應(yīng)用

3.1 煤礦概況

我國(guó)某煤礦井下運(yùn)輸煤炭配備有槽帶式運(yùn)輸機(jī)，選擇CST 可控軟啟動(dòng)裝置結(jié)合異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，日常工作具有穩(wěn)定的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，然而工作效率比較低。運(yùn)煤傳輸設(shè)備的每次重啟，都會(huì)產(chǎn)生大量的電流，在很大程度上沖擊著電機(jī)，這就提高了電機(jī)故障發(fā)生率。受以上因素影響，維護(hù)成本比較高，且設(shè)備能耗也比較大，嚴(yán)重制約著該煤礦的煤炭生產(chǎn)。基于該情況，需要應(yīng)用永磁技術(shù)改造優(yōu)化煤礦帶式輸送機(jī)，一方面實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)效率的提升，另一方面也能降低生產(chǎn)成本與能源消耗[10]。

3.2 永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用方案

煤礦井下帶式傳輸系統(tǒng)改造階段如圖2 所示，需要拆除在機(jī)頭位置布置的減速器與異步電機(jī)，更換成永磁電機(jī)，同時(shí)配備配套傳輸變頻器。因?yàn)槊旱V生產(chǎn)所用可伸縮式輸送機(jī)的長(zhǎng)度在1.4 m 左右，頭部采用的是雙傳動(dòng)滾筒，并且選擇防爆永磁同步變頻電動(dòng)機(jī)，根據(jù)功率配比1∶1 達(dá)到驅(qū)動(dòng)控制目的。煤礦井下傳輸帶運(yùn)量在2 500 t/h，運(yùn)距為1 900 m，傳輸帶速度達(dá)到3.5 m/s，所選礦用隔爆型永磁電機(jī)的功率為400 kW，額定轉(zhuǎn)速設(shè)置為66.5 r/min，3 倍的過(guò)載倍數(shù)，可以達(dá)到的防護(hù)等級(jí)為IP54，同時(shí)在機(jī)殼中配備智能化筒式水道，通過(guò)引入冷水的方式強(qiáng)化電機(jī)散熱，其效率超過(guò)94%。所選變頻器也屬于礦用隔爆型，是頻率為50 Hz的低壓交流變頻器，可以實(shí)時(shí)控制電機(jī)軟停運(yùn)與軟啟動(dòng)，該過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較小的啟動(dòng)電流，能夠提高輸送帶啟動(dòng)的穩(wěn)定性，而且還可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)短路與過(guò)載等保護(hù)功能的充分發(fā)揮。將電機(jī)固定在輸送帶底座后，彈簧聯(lián)軸器與滾筒相連接，同時(shí)接通電機(jī)變頻器。

3.3 啟動(dòng)設(shè)置

基于永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的煤礦井下傳輸系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，必須先對(duì)輸送帶實(shí)施預(yù)張緊，也就是說(shuō)，啟動(dòng)前，控制電機(jī)輸送帶在60～70 kN，運(yùn)行張力控制在40～50 kN。初始化完成后，需要做好自檢工作，從而為電機(jī)提供電能。啟動(dòng)準(zhǔn)備工作完成后，需要提前啟動(dòng)曲線(xiàn)變頻器，以有效控制傳輸帶的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速。自0 Hz 慢慢啟動(dòng)，能夠有效避免沖擊到其他電氣部件。選擇雙驅(qū)配置模式，應(yīng)設(shè)置2 臺(tái)設(shè)備為多電機(jī)運(yùn)行，根據(jù)一主一從模式運(yùn)行，再檢測(cè)各設(shè)備輸出參數(shù)，明確主從設(shè)備是否有偏差出現(xiàn)。運(yùn)算后，重新調(diào)整輸出功率，以達(dá)到同步運(yùn)行控制目標(biāo)，使電機(jī)運(yùn)行功率達(dá)到自平衡狀態(tài)?；诿旱V生產(chǎn)需求，日常會(huì)反復(fù)啟動(dòng)與運(yùn)行輸送帶，這就需要與物料用量相結(jié)合，實(shí)施閉環(huán)控制，如果物料量比較大，需要降低運(yùn)行速度，防止電機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，以延長(zhǎng)電機(jī)設(shè)備運(yùn)行壽命。如果物料量較小，則可適當(dāng)提升轉(zhuǎn)動(dòng)速度，保證設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)高效運(yùn)行。

3.4 性能測(cè)試

正式投入使用基于永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的煤礦井下傳輸系統(tǒng)之前，有必要對(duì)其展開(kāi)性能測(cè)試。可在某煤礦的巷道內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，該巷道運(yùn)段長(zhǎng)度為700 m，將高度提高至45 m，后續(xù)運(yùn)段的長(zhǎng)度為1 100 m。接線(xiàn)調(diào)試工作結(jié)束后，確認(rèn)該井下傳輸系統(tǒng)正確安裝，可先展開(kāi)直線(xiàn)度檢驗(yàn)，保證滾筒、托輥等部件平行度滿(mǎn)足傳輸要求。此外，需要將冷盤(pán)制動(dòng)安裝在滾筒一側(cè)的出軸處，和主機(jī)制動(dòng)保持協(xié)調(diào)性，通過(guò)壓力表與開(kāi)關(guān)測(cè)試指示閘運(yùn)行狀態(tài)。

整機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)先開(kāi)展空載試驗(yàn)，檢測(cè)功率與帶速等相關(guān)指標(biāo)是否能通過(guò)常規(guī)檢驗(yàn)，再進(jìn)行帶載測(cè)試。通過(guò)分析測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電機(jī)啟動(dòng)具有合理、有效的加速度，可以使?jié)L筒轉(zhuǎn)速自0 緩慢提高到最大值，該過(guò)程中所產(chǎn)生沖擊振動(dòng)比較小，可見(jiàn)基于永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的煤礦井下傳輸系統(tǒng)重載啟動(dòng)性能良好。輸送機(jī)帶速平均在3.45 m/s，與額定值較為接近，驅(qū)動(dòng)裝置處于穩(wěn)定狀態(tài)的情況下，主副電機(jī)功率分別為480、483 kW，兩者差值不足5%。

4 應(yīng)用效果

國(guó)內(nèi)某地的煤礦井下生產(chǎn)中，通過(guò)傳輸機(jī)裝置運(yùn)輸相關(guān)物品，此時(shí)煤礦井下生產(chǎn)中，所用驅(qū)動(dòng)裝置為異步電機(jī)，輔助選擇減速裝置、滾筒和液力耦合器科學(xué)控制輸送系統(tǒng)。然而，因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用期間會(huì)頻繁發(fā)生故障，且具有較大的功率消耗，因此以永磁直驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)動(dòng)力裝置，優(yōu)化改造了原有動(dòng)力裝置。因?yàn)槊旱V井下有著極為惡劣的作業(yè)環(huán)境，煤礦運(yùn)輸可能會(huì)污染到永磁電機(jī)系統(tǒng)，在很大程度上影響到動(dòng)力系統(tǒng)，所以，需要先明確永磁電機(jī)位置，將永磁電機(jī)裝置安裝在與原有異步電機(jī)距離150 m 的位置，拆除原有耦合器等相關(guān)元件，將其更換為變頻器裝置，以合理優(yōu)化改造驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

應(yīng)用永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的煤礦井下傳輸系統(tǒng)，通過(guò)連接帶式傳輸機(jī)，再通過(guò)脹套連接法有效連接滾筒和電機(jī)系統(tǒng)。變頻器能夠?qū)斔蜋C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行直接控制，同時(shí)有效保護(hù)輸送機(jī)。運(yùn)行期間，輸送帶可依照負(fù)載量有效控制傳輸機(jī)運(yùn)行速度，以達(dá)到智能化控制目的。如果煤炭較多，可提高輸送帶運(yùn)行速度，如果煤炭較少，則可降低輸送帶速度。該煤礦井下選擇永磁直驅(qū)系統(tǒng)，借助永磁電機(jī)達(dá)到運(yùn)輸帶驅(qū)動(dòng)的目的，經(jīng)過(guò)一年的運(yùn)行，與以往異步電機(jī)運(yùn)行效果相比，對(duì)兩者應(yīng)用價(jià)值與效果做出比較，同時(shí)計(jì)算應(yīng)用成本，根據(jù)永磁直驅(qū)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)16 h/d 的速率計(jì)算，電費(fèi)根據(jù)每千瓦時(shí)1 元的價(jià)格計(jì)算，對(duì)兩者投入成本進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 永磁電機(jī)和異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳輸效率

表2 永磁電機(jī)和異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳輸成本

比較異步電機(jī)和永磁電機(jī)的成本投入與功率消耗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在投入應(yīng)用永磁電機(jī)的一年中，該系統(tǒng)在很大程度上節(jié)約了煤礦井下生產(chǎn)成本，同時(shí)也顯著提高了輸送機(jī)傳動(dòng)效率。所以，有必要進(jìn)一步加大研究永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可將永磁電機(jī)當(dāng)作煤礦井下作業(yè)的驅(qū)動(dòng)裝置，通過(guò)智能化方式控制帶式輸送帶，實(shí)現(xiàn)傳輸效率的提升，節(jié)約煤礦井下生產(chǎn)成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，選擇永磁電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)控制煤礦井下帶式傳輸機(jī)，可以為傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的緊湊布局提供重要保障，而且運(yùn)行控制精度也比較高，可有效解決負(fù)載驅(qū)動(dòng)時(shí)存在的功率失衡問(wèn)題，節(jié)約系統(tǒng)運(yùn)行能耗，確保煤礦井下帶式傳輸系統(tǒng)能夠保持長(zhǎng)時(shí)間高效運(yùn)行。通過(guò)分析永磁電機(jī)應(yīng)用效果發(fā)現(xiàn)，基于永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶式傳輸系統(tǒng)運(yùn)行性能平穩(wěn)，且可及時(shí)適應(yīng)煤礦生產(chǎn)環(huán)境，所以其應(yīng)用和發(fā)展前景良好。