石樹(shù)君

(太原礦機(jī)電氣發(fā)展有限公司，山西 太原 030032)

目前，國(guó)內(nèi)所有的大功率皮帶輸送機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)控制都采用變頻器+電機(jī)+減速器，或電機(jī)+液力耦合器+減速器的形式。上述驅(qū)動(dòng)方式雖然可實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，并且都有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但其在安裝、調(diào)試、維護(hù)的復(fù)雜性方面一直困擾著廣大用戶(hù)，需要一種更便捷、可靠的調(diào)速驅(qū)動(dòng)器滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。一種新型的節(jié)能、環(huán)保的綠色調(diào)速控制器電磁調(diào)速器由于其自身突出的優(yōu)勢(shì)，在皮帶輸送機(jī)領(lǐng)域逐步取代其他調(diào)速裝置被廣泛應(yīng)用。

1 永磁調(diào)速器的結(jié)構(gòu)原理

永磁調(diào)速器被安裝于電機(jī)與負(fù)載之間，由主動(dòng)轉(zhuǎn)子、從動(dòng)轉(zhuǎn)子和調(diào)速控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。主動(dòng)轉(zhuǎn)子上裝有強(qiáng)力稀土永磁材料制成的永磁盤(pán)與電機(jī)軸相連接，隨電機(jī)一起運(yùn)動(dòng);從動(dòng)轉(zhuǎn)子由新型合金導(dǎo)體材質(zhì)制成，改變?cè)嫉你~鋁材質(zhì)轉(zhuǎn)子，使調(diào)速平滑穩(wěn)定，安裝在負(fù)載軸上，與負(fù)載軸同心連接;調(diào)速控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于控制主動(dòng)轉(zhuǎn)子和從動(dòng)轉(zhuǎn)子之間距離，達(dá)到主動(dòng)轉(zhuǎn)子和從動(dòng)轉(zhuǎn)子之磁場(chǎng)作用力和傳遞力矩大小的調(diào)整。永磁調(diào)速通過(guò)永磁盤(pán)和合金導(dǎo)體之間的氣隙實(shí)現(xiàn)了電機(jī)與負(fù)載之間的轉(zhuǎn)矩傳輸，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力和負(fù)載之間沒(méi)有機(jī)械連接力傳遞結(jié)構(gòu)。

永磁調(diào)速器是通過(guò)氣隙來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩的革命性傳動(dòng)技術(shù)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)帶動(dòng)裝有強(qiáng)力稀土永磁鐵的主動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從動(dòng)轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中作切割磁力線相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而在從動(dòng)轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生渦流，該渦流在從動(dòng)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生反向感應(yīng)磁場(chǎng)，該感應(yīng)磁場(chǎng)與永磁轉(zhuǎn)子的永磁磁場(chǎng)相作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。拉動(dòng)從動(dòng)轉(zhuǎn)子隨主動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)與負(fù)載之間的無(wú)接觸轉(zhuǎn)矩傳輸。這種轉(zhuǎn)矩傳輸運(yùn)動(dòng)是不同步的，也就是說(shuō)與負(fù)載相連的從動(dòng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)小于與電動(dòng)機(jī)軸相聯(lián)的主動(dòng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，形成的這個(gè)轉(zhuǎn)速差稱(chēng)為滑差。在電動(dòng)機(jī)滿(mǎn)轉(zhuǎn)矩且主動(dòng)轉(zhuǎn)子與從動(dòng)轉(zhuǎn)子作用力最大時(shí)，該滑差在1% ～4%。如果改變主動(dòng)轉(zhuǎn)子與從動(dòng)轉(zhuǎn)子兩者之間的距離時(shí)，也就改變了兩者之間的作用力，其結(jié)果也就改變了滑差和傳遞的力矩。距離近，作用力大，滑差小，傳遞的力矩大;距離遠(yuǎn)，作用力小，滑差大，傳遞的力矩小。主動(dòng)轉(zhuǎn)子和從動(dòng)轉(zhuǎn)子兩者之間的距離稱(chēng)為“氣隙”，通過(guò)氣隙調(diào)整可以獲得可調(diào)整的、可控制的、可以重復(fù)的負(fù)載轉(zhuǎn)速，永磁調(diào)速器就是通過(guò)調(diào)整這個(gè)氣隙的大小來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的。其調(diào)速范圍可達(dá)0～98%電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。在自動(dòng)控制設(shè)備中，氣隙的調(diào)節(jié)是通過(guò)一套電動(dòng)執(zhí)行器來(lái)控制的。執(zhí)行器接收由DCS系統(tǒng)或PLC控制箱提供4～20 mA的控制信號(hào)，調(diào)節(jié)調(diào)速器的氣隙，以在線調(diào)節(jié)負(fù)載的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)控制。

2 永磁調(diào)速器在皮帶輸送機(jī)的控制過(guò)程分析研究

在皮帶輸送機(jī)配套設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)皮帶的長(zhǎng)度、皮帶的運(yùn)量、地質(zhì)條件，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為單電機(jī)驅(qū)動(dòng)、多電機(jī)單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)及多電機(jī)分布驅(qū)動(dòng)的方式。對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求主要體現(xiàn)在啟動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程中能最大限度的降低系統(tǒng)的慣性力，并能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)和負(fù)載平衡，將帶式輸送機(jī)的加速啟動(dòng)、減速停車(chē)和運(yùn)行時(shí)的膠帶張力減到最小。永磁調(diào)速器的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)為“一拖一”的形式，即一臺(tái)電動(dòng)機(jī)+一臺(tái)永磁調(diào)速器+一臺(tái)負(fù)載設(shè)備。當(dāng)需要多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，通過(guò)程序控制器對(duì)各電機(jī)發(fā)出分步啟動(dòng)控制即可解決多臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊影響。電機(jī)啟動(dòng)后電機(jī)在工頻下由零速迅速達(dá)到額定速度，電機(jī)的效率達(dá)到最高，當(dāng)控制系統(tǒng)接收到電機(jī)全速信號(hào)后，對(duì)氣隙控制執(zhí)行器發(fā)出控制信號(hào)，調(diào)節(jié)氣隙由大逐漸減小，皮帶機(jī)負(fù)載側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩逐漸增大，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩克服皮帶機(jī)阻力時(shí)，皮帶機(jī)皮帶逐漸張緊由靜止逐漸加速到全速運(yùn)行。這樣就避免了啟動(dòng)沖擊對(duì)皮帶的損壞。皮帶輸送機(jī)停車(chē)時(shí)，控制系統(tǒng)逐漸增大每臺(tái)調(diào)速器的氣隙，皮帶機(jī)負(fù)載側(cè)的牽引力矩逐漸減小，皮帶機(jī)的控制速度緩慢降低至零轉(zhuǎn)速。永磁調(diào)速器在系統(tǒng)控制中能穩(wěn)定的控制多驅(qū)動(dòng)的負(fù)載平衡，將系統(tǒng)采集到的各負(fù)載電流傳輸?shù)接蒁CS系統(tǒng)或PLC組成的控制箱中，控制器將各負(fù)載電流進(jìn)行比較，根據(jù)負(fù)載的不同調(diào)節(jié)輸出4～20 mA的控制信號(hào)，調(diào)節(jié)調(diào)速器的氣隙，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載平衡控制。

皮帶輸送機(jī)啟動(dòng)和停止的運(yùn)行特性是由加速時(shí)間和減速時(shí)間來(lái)確定的。在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，加速時(shí)間和減速時(shí)間需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況通過(guò)程序控制進(jìn)行調(diào)整，如皮帶長(zhǎng)度、皮帶的運(yùn)量、皮帶驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的布局、皮帶工作面的起伏程度。可控的加減速時(shí)間調(diào)整，為皮帶機(jī)提供了優(yōu)良的起、停斜坡曲線，極大的疏緩了皮帶機(jī)的動(dòng)態(tài)張力，減輕了對(duì)機(jī)械設(shè)備的損傷。

當(dāng)皮帶輸送機(jī)由多臺(tái)永磁調(diào)速器聯(lián)合驅(qū)動(dòng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)保證每臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載平衡。由DCS系統(tǒng)或PLC組成的集控系統(tǒng)對(duì)氣隙執(zhí)行器發(fā)出控制信號(hào)的同時(shí)，接收到來(lái)自驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流互感器的實(shí)時(shí)負(fù)載反饋信號(hào)，在集控系統(tǒng)中進(jìn)行高速運(yùn)算及時(shí)調(diào)整氣隙大小來(lái)調(diào)整負(fù)載的輕重，最終實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡。在多電機(jī)多點(diǎn)分布聯(lián)合驅(qū)動(dòng)時(shí)，永磁調(diào)速器工作中的輕微滑差特性，更能顯現(xiàn)其在調(diào)速系統(tǒng)中的優(yōu)越性，對(duì)負(fù)載的容忍性更強(qiáng)。

永磁調(diào)速器能有效改善系統(tǒng)的運(yùn)行特性完全滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用要求，使大型帶式輸送機(jī)的性能達(dá)到最好。而由傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)、減速器所組成的驅(qū)動(dòng)裝置在啟動(dòng)和停車(chē)過(guò)程當(dāng)中輸送帶的帶速隨著電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化而快速變化，加劇了輸送機(jī)本身的振動(dòng)，縮短了軸承和密封的使用壽命，加大了機(jī)械設(shè)備的疲勞強(qiáng)度，增大了系統(tǒng)的慣性力，特別是在輸送帶滿(mǎn)載情況下啟動(dòng)更為困難，因此，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿(mǎn)足長(zhǎng)距離、大運(yùn)量的大型帶式輸送機(jī)需求。

3 永磁調(diào)速器與變頻器、液力耦合器的性能比較

3.1 設(shè)計(jì)原理

永磁調(diào)速器采用電磁感應(yīng)原理，利用導(dǎo)體切割磁力線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流，同時(shí)帶電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到磁力的作用。運(yùn)行原理是當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)主動(dòng)轉(zhuǎn)子永磁盤(pán)與非鐵導(dǎo)體盤(pán)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁力線，產(chǎn)生渦流進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，來(lái)拉動(dòng)從動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)轉(zhuǎn)子離從動(dòng)轉(zhuǎn)子越近，切割磁力線產(chǎn)生的磁場(chǎng)越強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩就大，負(fù)載的轉(zhuǎn)速越高，反之，負(fù)載的轉(zhuǎn)速越低。驅(qū)動(dòng)裝置無(wú)機(jī)械連接結(jié)構(gòu)，通過(guò)氣隙傳遞扭矩，且對(duì)輸入電壓不敏感，過(guò)載保護(hù)采用滑差保護(hù)。變頻器應(yīng)用電力電子變流技術(shù)，采取可控硅整流輸入，通過(guò)PWM直流斬波實(shí)現(xiàn)輸出頻率變換，通過(guò)改變電機(jī)輸入的電流、頻率、波形來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)控制，系統(tǒng)的保護(hù)由過(guò)電流跳閘來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理復(fù)雜。液力耦合器是一種以液體為介質(zhì)的非剛性聯(lián)軸器，通過(guò)改變?nèi)~輪間液體的容積來(lái)改變傳動(dòng)力矩，調(diào)節(jié)負(fù)載的傳遞速度。不受輸入電網(wǎng)電壓的影響，系統(tǒng)過(guò)載是通過(guò)堵轉(zhuǎn)泄壓進(jìn)行保護(hù)。

3.2 對(duì)工況的要求

永磁調(diào)速器在±100℃的極限環(huán)境溫度下設(shè)備的特征和性能不會(huì)發(fā)生變化，仍然能正常工作。永磁調(diào)速器是無(wú)直接機(jī)械連接的調(diào)速裝置，最小氣隙為3 mm，它可以用于空氣中粉塵較高的環(huán)境，可用水沖洗設(shè)備，同時(shí)永磁調(diào)速器是非接觸式、磁力矩傳遞的調(diào)速驅(qū)動(dòng)設(shè)備，沒(méi)有強(qiáng)電流源。氣隙電動(dòng)執(zhí)行器采用0～20 mA控制信號(hào)，在煤礦、化工以及粉塵嚴(yán)重易燃易爆環(huán)境下使用，只需對(duì)控制執(zhí)行信號(hào)進(jìn)行本安隔離或隔爆性能處理就能適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境。

變頻器為電力電子設(shè)備，為保證設(shè)備的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，必須保證溫度和濕度恒定在某個(gè)范圍內(nèi)，通常情況下溫度在－10～40℃，濕度在40% ～90%，可正常工作，電子調(diào)速裝置必須在潔凈環(huán)境工作。對(duì)設(shè)備的安裝空間要求較高，必須安裝在大型防爆箱體內(nèi)，整體按照防爆使用要求設(shè)計(jì)才能在易燃易爆環(huán)境下使用，對(duì)周?chē)沫h(huán)境要求很高。

液力耦合器以礦物油為介質(zhì)，環(huán)境溫度不低于－10℃，沒(méi)有電氣連接，可用于危險(xiǎn)場(chǎng)所，在潮濕、粉塵、炎熱、易燃易爆等特殊環(huán)境下使用，必須進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

3.3 安裝、調(diào)試、使用、維護(hù)

永磁調(diào)速器電動(dòng)機(jī)和負(fù)載之間是非接觸式動(dòng)力傳遞結(jié)構(gòu)，對(duì)中精度要求較低，安裝調(diào)試快捷。而且永磁調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，無(wú)復(fù)雜的電路設(shè)備，經(jīng)過(guò)短期培訓(xùn)后，用戶(hù)使用人員可以熟練操作，而且可以頻繁啟動(dòng)，用戶(hù)維護(hù)人員能快速確定故障原因，并能自行解決。永磁調(diào)速器基本是免維護(hù)的，無(wú)須儲(chǔ)備維護(hù)備件，整套設(shè)備占用的空間很小，使用壽命可長(zhǎng)達(dá)20年。

變頻調(diào)速系統(tǒng)安裝時(shí)要求電動(dòng)機(jī)和負(fù)載之間需精密對(duì)中，對(duì)設(shè)備的安裝位置的環(huán)境溫度、濕度要求較高。調(diào)試過(guò)程中，為保證多驅(qū)動(dòng)的負(fù)載平衡和多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的同步性能，需要花費(fèi)較多人力和時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。使用過(guò)程中，雖然起停操作較簡(jiǎn)單，但操作過(guò)程中注意事項(xiàng)較多且不能頻繁啟動(dòng)，否則易導(dǎo)致故障發(fā)生。變頻調(diào)速系統(tǒng)由復(fù)雜的電力電子設(shè)備組成，對(duì)維護(hù)人員專(zhuān)業(yè)性要求極高。目前，國(guó)內(nèi)的變頻器使用單位普遍都缺乏專(zhuān)業(yè)的維修隊(duì)伍，一旦有電氣故障發(fā)生，對(duì)高產(chǎn)高效的自動(dòng)化生產(chǎn)產(chǎn)生很大的影響。變頻器為保證生產(chǎn)需要配套齊全的備件，占用一定的備件資金，同時(shí)變頻器故障的不確定性和電子元器件的時(shí)效性，也造成了維護(hù)費(fèi)用的浪費(fèi)，設(shè)備的使用壽命為5～10年。在大型皮帶輸送機(jī)的整體配套過(guò)程，必須留有很大的空間安裝變頻調(diào)速裝置。

液力耦合器安裝難度較大，需要對(duì)中，設(shè)備占用的空間較大，調(diào)試時(shí)間短，操作使用簡(jiǎn)單。目前，大型系統(tǒng)配套液力耦合器全部為進(jìn)口設(shè)備，生產(chǎn)人員只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的維護(hù)，而且液壓系統(tǒng)維護(hù)需要較長(zhǎng)的時(shí)間。液力耦合器一旦發(fā)生故障，查找難度較大，由于是進(jìn)口件，備件費(fèi)用昂貴，維護(hù)費(fèi)用很高，訂貨周期長(zhǎng)，對(duì)高效生產(chǎn)影響大，設(shè)備的使用壽命為5～10年。

3.4 節(jié)能、環(huán)保

永磁調(diào)速器的調(diào)速效率與變頻器和液力耦合器相比，調(diào)速效率最高達(dá)到97%，變頻器為95%，液力耦合器約為85%。永磁調(diào)速器的平均無(wú)故障時(shí)間與變頻器和液力耦合器相比要長(zhǎng)的多，給用戶(hù)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

永磁調(diào)速器對(duì)環(huán)境友好，不產(chǎn)生污染物，不產(chǎn)生諧波，通過(guò)空間磁場(chǎng)傳遞扭矩，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)和負(fù)載之間的柔性連接，降低了設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中由于負(fù)載的突變所產(chǎn)生的強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪音，是一種綠色的調(diào)速裝置。變頻器在高效節(jié)能的同時(shí)，也在污染著周?chē)沫h(huán)境，一方面將產(chǎn)生的高次諧波沿輸電線路送回電網(wǎng)，使電網(wǎng)的質(zhì)量下降，影響其他用電設(shè)備穩(wěn)定工作;另一方面在變頻的同時(shí)，在其周?chē)a(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射，功率越大，供電電源電壓越高，其輻射強(qiáng)度越強(qiáng)，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致周?chē)碾姎庠O(shè)備工作中斷甚至系統(tǒng)癱瘓。在安全要求苛刻的環(huán)境中，需投入大量的配套設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)處理，資金投入大。液力耦合器無(wú)法回收的廢棄油漬，對(duì)周?chē)h(huán)境也造成一定的污染。

4 結(jié)論

國(guó)家大力提倡綠色、環(huán)保、節(jié)能、高產(chǎn)高效，永磁調(diào)速器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠和操作維護(hù)便捷等顯著的性能優(yōu)勢(shì)在國(guó)內(nèi)逐步得到推廣，2011年元月，陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司陽(yáng)煤一礦，率先在皮帶輸送機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域最復(fù)雜的煤礦井下使用，替換2×2×315 kW兩地雙驅(qū)變頻皮帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)踐表明，系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，一年零故障。同年6月，進(jìn)行了對(duì)另一套液力耦合器的改造。通過(guò)對(duì)比，永磁調(diào)速器給用戶(hù)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，是皮帶輸送機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)的最佳選擇。

［1］張 宏.新型節(jié)能調(diào)速設(shè)備永磁磁力耦合調(diào)速器的原理及應(yīng)用［J］.中國(guó)電力教育，2009(12):17－18.