龐 飛 欒海隆

（1.晉煤集團金鼎公司，山西 晉城048006；2.常州西電帕威爾電氣有限公司，江蘇 常州213017）

0 引言

在現(xiàn)代化的煤炭生產中，皮帶輸送機作為煤炭的主要運輸工具，其傳輸能力在很大程度上決定了煤炭企業(yè)的生產能力。目前，煤礦用皮帶輸送機的設計輸送量高的可以達到6 000～7 000t／h，有的工況需求配備數(shù)量達20多臺甚至幾十臺，全長達十幾公里，最長的皮帶輸送機單臺長幾公里。每臺皮帶輸送機通常包含2～3臺電機，通過變速裝置、驅動滾筒來驅動。皮帶機運行方式為電機按順序延時啟動后一起運轉。由于電機容量均按最大負載考慮，正常工作負載較少達到額定載荷，且設備存在備料空載或輕載等狀態(tài)，造成相當一部分電量白白損耗。因此，采用新型的永磁同步變頻驅動系統(tǒng)，以達到減少電能損耗的目的，是煤礦運輸行業(yè)的發(fā)展趨勢。此外，皮帶驅動系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性對煤炭產量也有重要影響。

1 傳統(tǒng)驅動系統(tǒng)的問題

目前，傳統(tǒng)的帶式輸送驅動系統(tǒng)采用異步電機＋液力耦合器或者CST組合、異步電機＋變頻器等驅動方式。異步電機＋液力耦合器或者CST組合方式工作較為穩(wěn)定，但效率較低、耗能嚴重，由于啟動電流很大，不僅會對電網電壓造成沖擊，而且會影響電機的使用壽命。此外，在運行過程中存在維護費用高、占地空間大、噪音污染嚴重等缺點。異步電機＋變頻器的驅動方式散熱困難、控制復雜，電機與驅動滾筒直聯(lián)驅動時，無法在低轉速下輸出高扭矩，重載啟動困難，導致必須使用減速器增大扭矩。在2～3臺電機驅動同一條皮帶時，功率平衡和轉速同步問題不好解決。

2 永磁同步變頻驅動控制系統(tǒng)的研制

2.1 永磁同步電機的設計

永磁同步電機是利用定子的三相交流電流和永磁轉子的磁場相互作用所產生的電磁轉矩來帶動電機轉子轉動的。當定子電流頻率固定時，轉子的轉速也是固定的，并且與該頻率成正比：

式中，n為同步轉速（r／min）；f為定子電流頻率（Hz）；pn為永磁同步電機極對數(shù)（對）。

以晉煤集團趙莊礦帶式輸送機傳動系統(tǒng)為例，按照1.4m皮帶機的運行速度為3.5m／s，同時考慮到1.4m皮帶機的滾筒直徑，計算出滾筒轉速為67r／min。因此，與其直聯(lián)的永磁同步電機的額定轉速為67r／min，根據(jù)上面公式和變頻器的輸出電流頻率17Hz，計算出滿足帶式輸送機傳動系統(tǒng)需要的直聯(lián)式永磁同步電機，極對數(shù)需要設計為16對。

2.2 變頻驅動系統(tǒng)的設計

采用理論分析、計算機仿真和樣機實驗相結合的方法，深入分析直聯(lián)式永磁同步電機驅動系統(tǒng)的特點，研究PI控制基本理論，設計適用于該系統(tǒng)的控制算法，并進行仿真驗證，進一步找出影響系統(tǒng)運行的因素，并進行逐步改進，達到仿真狀態(tài)下的最優(yōu)性能，進而進行樣機研制與調試。圖1為整個永磁電機及其驅動系統(tǒng)控制原理圖。

圖1 控制原理圖

2.3 永磁電機的散熱、防爆設計

直聯(lián)式永磁電機的散熱問題較為重要，該設計直接影響著電機的功率輸出性能，該散熱裝置采用套筒方式，套筒內布置曲型水道，使用高壓膠管引入礦井的供水水源進行散熱。套筒、水道的設計一方面要承受煤礦井下供水水源大約3MPa的水壓，另一方面要將電機發(fā)出的熱量迅速帶走，再者要考慮到滿足產品的防爆要求。

2.4 變頻器的散熱、防爆設計

為了滿足防爆要求，按照GB3836.1－4—2010的相關規(guī)定，對變頻器的殼體進行了防爆設計，防爆設計主要保證主門、左右接線腔、上下后門的防爆要求，同時還對觀察窗和按鈕進行了防爆設計，保證了觀察窗的防爆性能。散熱方面，采用內循環(huán)水冷系統(tǒng)與外循環(huán)水路通過熱交換器散發(fā)熱量，可以有效解決腔體內部結露問題，避免環(huán)境潮濕導致變頻器的IGBT擊穿，同時，對變頻器的散熱效率有很大的提升，使得變頻器可以高效運行。圖2為變頻器水路系統(tǒng)示意圖。

2.5 整個系統(tǒng)的抗干擾設計

變頻設備的電磁兼容性包含2個方面，一方面檢測系統(tǒng)是否符合EMC國家標準，不至成為干擾源，另一方面檢測系統(tǒng)是否能經受外部干擾，在惡劣的外部環(huán)境下長時間地穩(wěn)定運行。本項目是從以下幾方面實施的：（1）減輕甚至消除干擾源，這主要是針對變頻器自身而言，采用優(yōu)化的算法可在一定程度上減小器件開關動作時產生的電磁干擾；（2）切斷干擾信號的傳播路徑，采取屏蔽、接地、搭接、濾波、隔離、對線路合理編制排放的方法將干擾信號的傳播路徑盡可能地切斷；（3）硬件設計的抗干擾性能提升，這在制板之初就需要周詳?shù)乜紤]其抗干擾性能，保護關鍵芯片，在強脈沖群干擾的情況下也能提供有效的泄放回路，以使硬件正常運行。

圖2 變頻器水路系統(tǒng)示意圖

3 永磁變頻驅動裝置在帶式輸送機中的應用

該永磁變頻驅動裝置正在晉煤集團趙莊礦5307工作面進行工業(yè)性實驗，皮帶長度約1 200m，處于1.5°下坡位置，由3臺電機并聯(lián)驅動，系統(tǒng)框圖如圖3所示。電機設計為直接驅動皮帶滾筒的方案，皮帶機滾筒轉速為66.5r／min，啟動過載為3倍額定轉矩，持續(xù)時間不超過1min，聯(lián)軸器采用漲套結構。至今為止，已穩(wěn)定運行10個月，期間未出現(xiàn)任何故障。

4 永磁變頻驅動裝置的節(jié)能效果分析

現(xiàn)在，礦井皮帶輸送量、運輸距離和驅動裝置的功率迅猛增加。本項目所設計的皮帶驅動系統(tǒng)，功率因數(shù)幾乎為1，效率大于0.9，較之傳統(tǒng)皮帶驅動系統(tǒng)的電氣性能有極大改善。以煤礦井下每條皮帶驅動系統(tǒng)裝機容量1 000kW為例，若按日運行18h、年運行350日計，每年可節(jié)約電量146.79萬kW·h。輸送帶既是承載構件又是牽引構件，依靠帶條與滾筒之間的摩擦力平穩(wěn)地進行驅動。由于結構復雜，從電網側吸收的能量只有約20%左右用于貨物的傳送，效率極其低下。該皮帶驅動系統(tǒng)，簡化了機械裝置，使其運行效率在90%以上，節(jié)能效果極為可觀。

圖3 400kW皮帶機驅動系統(tǒng)框圖

5 結語

直聯(lián)式永磁同步電機及變頻驅動系統(tǒng)很好地克服了傳統(tǒng)皮帶驅動系統(tǒng)的缺點，具有使用性能佳、安全性好、低轉速時輸出扭矩大、控制可靠、散熱性能好、維護簡便甚至可以做到免維護、占地空間小、對環(huán)境無污染等優(yōu)點，是帶式輸送機驅動系統(tǒng)的理想方案。

［1］鞏劍波.變頻調速永磁電機在皮帶運輸上的運用［J］.山西焦煤科技，2011（12）