喬愛鳳

(山西榆次北山煤業(yè)有限公司技術(shù)科，山西 晉中 030619)

現(xiàn)階段我國煤礦井下廣泛使用的隔爆型異步電動機啟動轉(zhuǎn)矩小，功率因數(shù)低，電能損耗大，運行中綜合效率低而且極易燒毀，造成能源的嚴(yán)重浪費。為了提高電動機的質(zhì)量和效率，使電動機高效節(jié)能運行，山西榆次北山煤業(yè)公司在主斜井皮帶運輸系統(tǒng)中采用礦用隔爆型永磁直驅(qū)變頻裝置取代原有的異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)，運行一年來，大大降低了噪音，明顯提高了啟動轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)了平穩(wěn)啟動，減少了維護(hù)量和電耗，節(jié)約了成本，為無齒永磁同步變頻直驅(qū)系統(tǒng)在煤礦井下皮帶輸送機驅(qū)動系統(tǒng)塑造了一個成功范例，筆者預(yù)測用無齒永磁同步變頻驅(qū)動裝置取代傳統(tǒng)異步電動機驅(qū)動裝置必將成為一種趨勢。

1 異步電動機傳動系統(tǒng)概述

北山煤業(yè)公司主斜井使用DTL100/20型帶式輸送機一部，輸送長度為500 m、帶寬為1 000 mm，輸送傾角為16°，最大帶速為2 m/s。采用YBK315M1－4型異步電動機2臺，轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，功率為132 kW，通過耦合器、制動器、減速器、低速軸聯(lián)軸器與皮帶滾筒相連接，異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)示意圖見圖1。此系統(tǒng)于2009年7月安裝，截止2012年5月運行兩年中存在以下問題:

1)由于綜采、綜掘的應(yīng)用，產(chǎn)能的增加，工作面的煤不能及時運出坑外。

2)液力耦合器和減速器常出現(xiàn)軸承損壞、液體滲漏、齒輪磨損等故障，維護(hù)工作量大。

3)由于重載啟動，皮帶被拉伸而損壞的現(xiàn)象時有發(fā)生，必須使用強度高一級的皮帶，從而增加了成本。

異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)示意圖

2 永磁直驅(qū)變頻調(diào)速裝置概述

永磁直驅(qū)變頻調(diào)速裝置包括皮帶機及與皮帶機滾筒連接的驅(qū)動裝置，即由ZJT－400/660型礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻器、TBD－630X－32YC稀土低頻永磁三相同步電動機、DSJ100/20皮帶運輸機滾筒組成，見圖2。該裝置的核心部件是稀土永磁同步電動機(PMSM)，克服了三相異步電動機綜合效率低、易燒毀的缺點。該裝置充分發(fā)揮了永磁同步電動機的自身特點和變頻器的調(diào)速功能，實現(xiàn)了對皮帶輸送機的無齒永磁同步變頻驅(qū)動。

圖2 永磁同步電機變頻驅(qū)動系統(tǒng)示意圖

3 永磁直驅(qū)變頻調(diào)速裝置的應(yīng)用效果

永磁直驅(qū)變頻調(diào)速裝置在北山煤業(yè)公司運行一年來，在技術(shù)、經(jīng)濟上都收到了良好的效果。

3.1 節(jié)省了皮帶輸送機機頭的安裝空間

永磁直驅(qū)變頻裝置以變頻器和無齒永磁同步電動機取代了原驅(qū)動裝置中的異步電動機、耦合器、制動器、減速器、低速軸聯(lián)軸器，大大減少了設(shè)備的投入，簡化了系統(tǒng)?？倢挾容^原驅(qū)動系統(tǒng)增加了200 mm，總長度減少了1 500 mm左右，在空間上給井下皮帶機的安裝帶來了很大的方便。

3.2 皮帶機啟動平穩(wěn)，實現(xiàn)了軟啟動

皮帶不論在靜止?fàn)顟B(tài)還是在運行狀態(tài)下都儲存有大量勢能，為了將皮帶內(nèi)部所貯存的能量慢慢地釋放出來，使皮帶機在啟動時產(chǎn)生較小的張力，皮帶機的啟動必須采用軟啟動方式。

變頻器根據(jù)負(fù)載情況的變化，隨時調(diào)整輸出頻率，能夠從0開始緩慢啟動，使啟動過程平滑穩(wěn)定，沒有機械沖擊。同時由于TBD－630X－32YC低頻永磁三相同步電動機為32極數(shù)，經(jīng)實測最高可獲得2.8倍額定轉(zhuǎn)矩，完全可以直接驅(qū)動皮帶機的傳動滾筒。因此，永磁直驅(qū)變頻調(diào)速裝置完全實現(xiàn)了皮帶機的平穩(wěn)啟動，減少了機械沖擊，降低了皮帶強度要求。

3.3 降低了設(shè)備的維護(hù)量，實現(xiàn)了重載啟動

由于采用直接驅(qū)動方式，省去了對液力耦合器、減速器和齒輪等的維護(hù)，系統(tǒng)壽命的決定因素僅為變頻器電子元件的壽命，同時實現(xiàn)了軟啟動，啟動過程中對機械基本無沖擊，也大大減少了皮帶機系統(tǒng)機械部分的檢修量。

在異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)中，啟動時最大輸出50%的額定轉(zhuǎn)矩(見圖3)，而電流則高達(dá)額定電流的4～7倍，極易使電機內(nèi)部機械應(yīng)力和熱應(yīng)力發(fā)生較大變化，因此，在重載啟動中燒毀電動機的現(xiàn)象時有發(fā)生。

圖3 異步電動機的啟動特性示意圖

相比之下，永磁直驅(qū)變頻裝置具有良好的啟動特性(見圖4)，在啟動時可以輸出2倍的額定轉(zhuǎn)矩，電流從0開始增加，利用自身的調(diào)速功能實現(xiàn)皮帶機的緩慢啟動，對設(shè)備機械部分基本無沖擊，從而實現(xiàn)重載啟動。

圖4 永磁同步電動機的啟動特性示意圖

3.4 變頻器的主從接線方式實現(xiàn)了功率平衡

在異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)中，兩臺電機驅(qū)動兩個滾筒，由于電源的電壓波動、電動機參數(shù)隨環(huán)境濕度和溫度改變的差異，引起電動機轉(zhuǎn)速的不同步，進(jìn)而導(dǎo)致功率不平衡。

在永磁變頻直驅(qū)系統(tǒng)中，兩套直驅(qū)變頻裝置分別與皮帶機的主動滾筒1和主動滾筒2相連接，變頻器接線采用主從控制接線方式(見圖5)，實現(xiàn)了皮帶機多電機驅(qū)動時的功率平衡和同步運行。

圖5 變頻器主從接線圖

3.5 提高了皮帶輸送系統(tǒng)的效率

在異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)中，啟動不平穩(wěn)，重載啟動困難，直接影響著驅(qū)動系統(tǒng)的整體效率，理想狀態(tài)僅為94%，實際運行效率在80%以下(見圖6)。

圖6 效率對比特性曲線圖

由圖6可知，在永磁直驅(qū)變頻系統(tǒng)中，電動機與滾筒直接連接，理想狀態(tài)系統(tǒng)總體效率為1，系統(tǒng)實際運行效率均在93%以上。

3.6 提高了皮帶輸送系統(tǒng)的功率因數(shù)

使用異步電動機驅(qū)動皮帶輸送機在工頻下運行時，絕大部分不是滿載運行，負(fù)載經(jīng)常很小、甚至有時會出現(xiàn)空載的現(xiàn)象，但是電動機卻始終在滿電壓、滿速度的狀態(tài)下工作。由電動機的運行特性可知(見圖7)，異步電動機只有在接近滿載時功率因數(shù)才是最大的，輕載時定子電流有功分量很小，大部分為無功分量，功率因數(shù)很低，造成電能的在浪費。

而采用永磁同步電動機后，定子結(jié)構(gòu)中加入稀土永磁體，無需勵磁電流，從電網(wǎng)吸收的能量幾乎全部為有功分量，在整個過程中的功率因數(shù)達(dá)0.93以上，大大節(jié)約了電能。

圖7 功率因素對比特性曲線圖

3.7 杜絕了“大馬拉小車”的現(xiàn)象

永磁直驅(qū)變頻裝置內(nèi)置多機軟件功率平衡和智能切換功能，這樣機械結(jié)構(gòu)更加簡單，而且通過軟件實現(xiàn)功率平衡，對電動機的保護(hù)更加可靠。當(dāng)功率較小時，可單機運行或多機冗余切換運行，保證系統(tǒng)多機備用，根據(jù)皮帶上物料的多少實現(xiàn)閉環(huán)速度控制。當(dāng)物料較少時，降低皮帶輸送機的轉(zhuǎn)速，避免“大馬拉小車”現(xiàn)象的發(fā)生，與未使用閉環(huán)系統(tǒng)相比較，可實現(xiàn)10%到60%的節(jié)能(由皮帶輸送機的工況點所決定，輕負(fù)載運行時，節(jié)能效果更明顯)，這樣既保證了設(shè)備長時間使用，又可實現(xiàn)空載情況時不運行，不但有利于設(shè)備保養(yǎng)，還可大大節(jié)省電能消耗。

4 永磁直驅(qū)變頻調(diào)速裝置的經(jīng)濟分析

永磁直驅(qū)變頻調(diào)速裝置在北山煤業(yè)公司運行一年來產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟效益，主要從皮帶機空載運行、半載運行和滿載運行三個方面加以比較分析，假定一年工作 300天，每天 20 h，每 kW/h電費為0.65元。

4.1 空載運行時經(jīng)濟分析

當(dāng)皮帶輸送機空載運行時，對315 kW永磁直驅(qū)變頻系統(tǒng)與同等功率的異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)接入相同的電源電壓710 V，輸入功率相差10.93 kW，各項實測參數(shù)見表1。

4.2 半載運行時經(jīng)濟分析

當(dāng)皮帶輸送機半載運行時，對315 kW永磁直驅(qū)變頻系統(tǒng)與同等功率的異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)接入相同的電源電壓710 V，輸入功率相差37.86 kW，各項實測參數(shù)見表2。

表1 永磁直驅(qū)變頻系統(tǒng)空載運行節(jié)能表

表2 315 kW永磁直驅(qū)變頻系統(tǒng)半載運行節(jié)能表

4.3 滿載運行時經(jīng)濟分析

當(dāng)皮帶輸送機滿載運行時，對315 kW永磁直驅(qū)變頻系統(tǒng)與同等功率的異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)接入相同的電源電壓710 V，輸入功率相差84.63 kW，各項實測參數(shù)見表3。

通過以上分析可以看出，永磁直驅(qū)變頻裝置應(yīng)用于煤礦井下皮帶輸送機系統(tǒng)，不但可以減少直接成本，而且可以大大減少間接運行費用，所帶來的經(jīng)濟效益十分可觀。

表3 315 kW永磁直驅(qū)變頻系統(tǒng)滿載運行節(jié)省費用表

5 結(jié)論

北山煤業(yè)公司投入運行永磁直驅(qū)變頻調(diào)速裝置一年來，降低了噪音、大大減少了維護(hù)量，皮帶機啟動平穩(wěn)，解決了多年來重載啟動的難題，結(jié)束了異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)低速運行時“大馬拉小車”的狀態(tài)，節(jié)省了電能，節(jié)約了初期投資和運行費用，提高了經(jīng)濟效益。因此，永磁直驅(qū)變頻調(diào)速裝置是煤礦井下皮帶運輸機驅(qū)動裝置中的最佳裝置。

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