永磁系統(tǒng)控制的大流量皮帶機(jī)研究

◎ 溫宏杰，王 磊，閆發(fā)宣，史緯琦，陳厚斌

（山東港口集團(tuán)青島港董家口分公司，山東 青島 266000）

1 主要存在問題

目前，碼頭糧食的運(yùn)輸主要依賴皮帶機(jī)，皮帶機(jī)使用的電機(jī)一般為傳統(tǒng)電機(jī)。傳統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍寬，但調(diào)速不精確，且不平滑，并且隨轉(zhuǎn)速的降低功率也會(huì)降低，隨之帶來的是轉(zhuǎn)矩降低。步進(jìn)電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速要求更加苛刻，轉(zhuǎn)速過低時(shí)會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)和爬行現(xiàn)象；速度高時(shí)扭矩會(huì)大幅度降低，因而步進(jìn)電機(jī)僅適用于中速運(yùn)行情況。傳統(tǒng)電機(jī)因?yàn)椴捎媚M量控制模式，所以無法保證精度；步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)采用數(shù)字信號(hào)控制模式，其精度要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電機(jī)。同時(shí)，伺服電機(jī)自帶編碼器，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)閉環(huán)控制，能有效減少掉步的情況。通常情況下，伺服電機(jī)步距角要遠(yuǎn)小于步進(jìn)電機(jī)，因此精度更高。傳統(tǒng)電機(jī)含有減速器和耦合器等，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。一般來說，卸船機(jī)和門機(jī)將糧食從船上卸載到皮帶上，皮帶上的皮帶秤可對(duì)糧食進(jìn)行稱重計(jì)量。然而，傳統(tǒng)電機(jī)在工作的過程中無法進(jìn)行調(diào)速，進(jìn)而無法配合皮帶秤對(duì)糧食進(jìn)行精確的稱重計(jì)量。

針對(duì)上述問題，改造皮帶電機(jī)的結(jié)構(gòu)，使皮帶在轉(zhuǎn)運(yùn)糧食的過程中能配合皮帶秤對(duì)糧食進(jìn)行精準(zhǔn)的稱重計(jì)量，是皮帶結(jié)構(gòu)研究改造的重點(diǎn)方向。

2 設(shè)計(jì)方案

本研究基于糧食轉(zhuǎn)運(yùn)工藝中的常見問題，研究設(shè)計(jì)永磁電機(jī)在糧食系統(tǒng)中的應(yīng)用。改造糧食系統(tǒng)中的皮帶與傳統(tǒng)糧食系統(tǒng)中的皮帶結(jié)構(gòu)基本相同，不同點(diǎn)在于將傳統(tǒng)糧食系統(tǒng)中的皮帶電機(jī)更改為永磁電機(jī)。永磁電機(jī)直驅(qū)設(shè)備轉(zhuǎn)速控制區(qū)間大、輸出恒扭矩，可提升皮帶整體性能。此外，永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備轉(zhuǎn)速控制更便捷，恒功率、恒扭矩更穩(wěn)定，制動(dòng)更可靠，減少了機(jī)械減速傳動(dòng)環(huán)節(jié)，能耗更低，安裝尺寸更小，為糧食系統(tǒng)中的皮帶節(jié)省了更大的操作空間，能夠在糧食轉(zhuǎn)運(yùn)過程中對(duì)糧食進(jìn)行稱重計(jì)量[1]。

工業(yè)生產(chǎn)中皮帶機(jī)的使用比較廣泛，皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部分是電動(dòng)機(jī)。本研究主要將糧食系統(tǒng)中皮帶的電機(jī)改造為低速直連永磁變頻調(diào)速一體機(jī)，通過聯(lián)軸器和滾筒連接，輸出即為傳動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)速，組合形式采用動(dòng)變頻器及電機(jī)一體化設(shè)計(jì)，無需減速器和耦合器。該系統(tǒng)去掉減速機(jī)和耦合器等部件，無中間傳動(dòng)件，傳動(dòng)效率提高，故障點(diǎn)減少，噪音降低，安裝方便，運(yùn)行平穩(wěn)[2]。同時(shí)，永磁電機(jī)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)速，進(jìn)而配合皮帶秤，對(duì)糧食進(jìn)行實(shí)時(shí)的稱重計(jì)量。

變頻一體機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)化元件和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，直流電容采用具有自愈功能的金屬薄膜電容，變頻部分直流濾波回路使用高質(zhì)量的無極性高耐壓自恢復(fù)電力電容，直流母排采用疊層母排，變頻器和電機(jī)采用一體機(jī)結(jié)構(gòu)，無內(nèi)置減速器，使變頻一體機(jī)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)在（-15%～+10%）額定電壓波動(dòng)范圍內(nèi)能夠正常工作，變頻一體機(jī)的調(diào)速誤差≤0.5%，速度穩(wěn)定度≤0.1%。變頻一體機(jī)配置標(biāo)準(zhǔn)CAN總線接口，與控制箱構(gòu)成一體機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)可通過通信等方式，將整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳至集控臺(tái)或地面調(diào)度室。變頻一體機(jī)可以檢測電機(jī)定子和軸承的溫度并進(jìn)行保護(hù)，具有繞組（3用3備）、軸承（左右軸承各1個(gè)）的溫度檢測和保護(hù)功能，保護(hù)溫度可設(shè)置，且具有腔體溫度檢測功能及左右軸承振動(dòng)監(jiān)測功能。一體機(jī)繞組采用變頻永磁電機(jī)專用變頻耐電暈高壓扁銅線，耐溫200 ℃以上，相比于圓銅線電機(jī)，相同功率下扁銅線電機(jī)的體積更小、用材更少、成本更低。此外，相同體積下的槽滿率和功率密度也均有所提升，理論上，在空間不變的前提下，扁銅線電機(jī)可以做到70%的槽滿率，填充的銅可增加20%～30%，產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場強(qiáng)度，從某種程度上等同于增加20%～30%的功率，扁線與扁線之間的接觸面積大，散熱和熱傳導(dǎo)就更好。

多機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，皮帶具有多機(jī)聯(lián)動(dòng)自動(dòng)負(fù)載平衡功能，具備主、從機(jī)2套參數(shù)，每臺(tái)一體機(jī)均可設(shè)置為主、從機(jī)。變頻器器芯具備主從通訊接口，無需PLC參與，即可完成多機(jī)主從驅(qū)動(dòng)控制，可根據(jù)負(fù)載自動(dòng)調(diào)整各滾筒輸出功率，實(shí)現(xiàn)功率平衡穩(wěn)態(tài)誤差在3%之內(nèi)，同時(shí)，在啟動(dòng)的時(shí)候具有啟動(dòng)防沖擊控制功能（“S”型給定曲線）。皮帶采用SVC無傳感器矢量控制方式，可準(zhǔn)確地維持給定的轉(zhuǎn)矩，在低頻啟動(dòng)過程中，0 Hz時(shí)可以提供出電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，保證對(duì)電機(jī)100%控制，運(yùn)行穩(wěn)定，在設(shè)備重載的啟動(dòng)條件下均能順利啟動(dòng)。同時(shí)，電機(jī)采用高可靠性的絕緣軸承和杜邦絕緣材料，可提高電機(jī)絕緣性能和耐電暈性能；電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極采用內(nèi)置切向式結(jié)構(gòu)，隔磁結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的隔磁套隔磁，可降低軸向渦流損耗，降低磁極溫度，改善氣隙磁密波形，降低諧波含量。此外，永磁體采用抗震動(dòng)沖擊較好的鍍鎳銅鎳環(huán)氧鍍層，材質(zhì)采用N38UH釹鐵硼燒結(jié)永磁體，有效提高了永磁體的耐腐蝕能力；定子沖片采用武鋼產(chǎn)50WW470硅鋼片，轉(zhuǎn)子磁極采用武鋼產(chǎn)50WW800硅鋼片，電機(jī)軸采用42CrMo優(yōu)質(zhì)合金鋼，且變頻電動(dòng)機(jī)采用導(dǎo)電環(huán)或其他絕緣措施，具有防止軸電流功能。

設(shè)備采用VPI真空浸漆，浸漬漆采用絕緣的納米改性聚酯亞胺浸漬樹脂，納米級(jí)的小顆粒具有很好的滲透效果，可保證定子整體絕緣效果的一致性，防止局部浸漆不徹底導(dǎo)致的絕緣擊穿問題。

本研究將傳統(tǒng)皮帶中的電機(jī)改造為永磁電機(jī)系統(tǒng)，主要具有欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、瞬間過流、接地故障保護(hù)、過載保護(hù)、電機(jī)過溫保護(hù)、通訊中斷、數(shù)據(jù)校驗(yàn)及故障保護(hù)、缺相保護(hù)、超頻保護(hù)、功率器件的過熱保護(hù)和短路保護(hù)等作用。改良后的電動(dòng)機(jī)具有完善的自我診斷能力，能夠在線監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，變頻器可迅速找到故障原因，自動(dòng)采取相應(yīng)措施，幫助維護(hù)人員排除故障，并根據(jù)現(xiàn)場工況要求，對(duì)變頻器軟件、硬件升級(jí)，實(shí)時(shí)滿足不斷變化的現(xiàn)場要求。

系統(tǒng)的控制箱有多路模擬量和數(shù)字量I/O接口，可以完成對(duì)外部的控制功能及接收外部控制信號(hào)，端口可以根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展。設(shè)備具有高壓帶電顯示以及直流母線帶電顯示功能，可明顯顯示高壓帶電狀態(tài)，以及其基本的運(yùn)行、報(bào)警和故障信息；具有直流母線放電功能，前級(jí)電源斷電后能可靠地對(duì)直流母線進(jìn)行放電。同時(shí)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低磁場在鐵芯中產(chǎn)生的磁滯、渦流損耗和諧波損耗，降低系統(tǒng)的發(fā)熱量。

首先，永磁同步變頻調(diào)速一體機(jī)采用通訊加開關(guān)量控制方式進(jìn)行控制，可保證隨意關(guān)機(jī)與啟動(dòng)。當(dāng)前級(jí)電源有電時(shí)，可保證母線電壓水平，確?？焖匍_機(jī)啟動(dòng)，且具備WiFi無線傳輸功能，能夠在不開蓋情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備調(diào)試，配備智能App，可無線讀取設(shè)備數(shù)據(jù)形成運(yùn)行分析報(bào)告，包括電機(jī)溫度、軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)，給維護(hù)人員提供數(shù)據(jù)依據(jù)。其次，可實(shí)現(xiàn)故障的精準(zhǔn)定位和在線診斷，便于快速維護(hù)；遠(yuǎn)端設(shè)備可自動(dòng)讀取運(yùn)行數(shù)據(jù)，并形成運(yùn)行分析及故障診斷報(bào)告，移動(dòng)端App可查看電機(jī)完整的技術(shù)資料，具備接入智能傳動(dòng)在線專家檢測系統(tǒng)能力，可根據(jù)所配置的傳感器感知設(shè)備各種狀態(tài)。最后，數(shù)據(jù)采集完成后，可上傳至云服務(wù)平臺(tái)，存儲(chǔ)后通過系統(tǒng)智能分析，可根據(jù)所運(yùn)輸物料數(shù)量自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行速度，做到物料多增速、物料少減速，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

變頻一體機(jī)控制箱具備機(jī)側(cè)手動(dòng)控制功能，帶有輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的全部控制裝置，包括起、停按鈕，就地/遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)換開關(guān)，急停按鈕、警鈴啟停按鈕等機(jī)側(cè)操作箱所具備的全部功能，以及與中央控制系統(tǒng)連接的外引端子。變頻一體機(jī)與中央控制系統(tǒng)傳送的信號(hào)有（數(shù)據(jù)和硬線常開無源觸點(diǎn)）中央控制系統(tǒng)至變頻一體機(jī)的變頻一體機(jī)啟?？刂菩盘?hào)、變頻一體機(jī)至控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換開關(guān)機(jī)側(cè)控制信號(hào)、變頻一體機(jī)至控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換開關(guān)遠(yuǎn)程控制信號(hào)、變頻一體機(jī)至控制系統(tǒng)的運(yùn)行信號(hào)、變頻一體機(jī)至控制系統(tǒng)的電源通信號(hào)和變頻一體機(jī)至控制系統(tǒng)的故障信號(hào)。變頻一體機(jī)PLC控制系統(tǒng)能與中央PLC控制系統(tǒng)(AB)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通訊，可以提供工業(yè)以太網(wǎng)光口和網(wǎng)口，提供與中央PLC控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)所需協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊等。變頻一體機(jī)PLC控制系統(tǒng)在完成輸送機(jī)控制的同時(shí)，還可以完成對(duì)輸送機(jī)制動(dòng)器的控制，以及對(duì)輸送機(jī)沿線警鈴的控制。此外，主機(jī)和存儲(chǔ)器帶有失電保護(hù)，并留有存儲(chǔ)器容量20%的余量，I/O模塊留有所需I/O數(shù)量20%的余量，并與控制器之間采用光電隔離。

3 效益分析

以山東省青島市董家口港區(qū)為例，原有的糧食進(jìn)倉工藝主要通過大料斗將糧食放到皮帶上，皮帶再將糧食轉(zhuǎn)運(yùn)到料倉里。然而，由于皮帶采用傳統(tǒng)電機(jī)，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)速，進(jìn)而不能配合皮帶秤對(duì)糧食進(jìn)行實(shí)時(shí)稱重計(jì)量。采用永磁電機(jī)可以很好地解決這個(gè)問題，永磁電機(jī)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)速，進(jìn)而配合皮帶對(duì)糧食實(shí)時(shí)稱重。除此之外，我國大部分企業(yè)采用的皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大傳動(dòng)效率無法達(dá)到70%，所用電動(dòng)機(jī)的能耗水平大多屬于國家三級(jí)能耗[3]，而永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的皮帶機(jī)，運(yùn)行效率高，控制系統(tǒng)優(yōu)越，能耗低，節(jié)能效果顯著，傳動(dòng)效率達(dá)到 93%，而且可以避免橡膠輸送帶撕裂和跑偏的故障率，延長橡膠輸送帶的使用壽命，降低安全成本[4-5]。

4 結(jié)語

皮帶機(jī)傳輸裝置廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，本研究通過改造皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，將傳統(tǒng)電機(jī)更換為永磁電機(jī)，在永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)條件下，不僅可以使皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制更加簡捷，而且可以實(shí)時(shí)調(diào)速，從而配合皮帶秤對(duì)傳送的糧食進(jìn)行實(shí)時(shí)稱重，實(shí)現(xiàn)糧食運(yùn)輸和稱重的全自動(dòng)化。