神華神東煤炭集團(tuán)設(shè)備管理中心 張 樂(lè)

煤礦帶式輸送機(jī)永磁同步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)比較分析及應(yīng)用前景展望

神華神東煤炭集團(tuán)設(shè)備管理中心 張 樂(lè)

帶式輸送機(jī)作為礦井煤炭運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備，在煤炭生產(chǎn)過(guò)程中起著重要作用。在神東礦區(qū)帶式輸送機(jī)中已成熟應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)方式有液力偶合器軟啟動(dòng)方式、CST軟啟動(dòng)方式及異步電動(dòng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)方式。永磁同步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)近幾年發(fā)展較快，其具有低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)效率高、安裝簡(jiǎn)便、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，但在煤礦帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)中未得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)以3×500kW可伸縮帶式輸送機(jī)為驅(qū)動(dòng)對(duì)象，將永磁同步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)與CST軟啟動(dòng)及異步電動(dòng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)配置及經(jīng)濟(jì)效益比較分析，其優(yōu)勢(shì)明顯，具有很高的推廣價(jià)值。

煤礦；帶式輸送機(jī)；永磁同步；驅(qū)動(dòng)；電機(jī)

1 神東礦區(qū)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)現(xiàn)狀

帶式輸送機(jī)作為礦井煤炭運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備，在煤炭生產(chǎn)過(guò)程中起著重要作用。帶式輸送機(jī)在拖動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，為了避免直接啟動(dòng)中過(guò)高的起動(dòng)力矩對(duì)電動(dòng)機(jī)和輸送帶接頭及機(jī)械部件的沖擊，需要在帶式輸送機(jī)，特別是大型帶式輸送機(jī)的拖動(dòng)控制中引入軟啟動(dòng)技術(shù)。所謂軟啟動(dòng)就是能夠讓動(dòng)力輸出裝置在其系統(tǒng)即便是滿載的情況下也能提供足夠的起動(dòng)時(shí)間，使起動(dòng)加速度保持在設(shè)定的范圍內(nèi)，而且能夠按照既定的要求逐步克服整個(gè)系統(tǒng)的慣性而平穩(wěn)地起動(dòng)或停車。目前在神東礦區(qū)帶式輸送機(jī)中已成熟應(yīng)用的軟啟動(dòng)方式有以下三種：

1.1 液力偶合器軟啟動(dòng)方式

通過(guò)在電機(jī)與減速器之間安裝液力偶合器實(shí)現(xiàn)。電機(jī)啟動(dòng)后帶動(dòng)液力偶合器的泵輪轉(zhuǎn)動(dòng)，泵輪帶動(dòng)水或油介質(zhì)（煤礦要求選用水介質(zhì)）流動(dòng)，安裝于減速器側(cè)的渦輪在水壓作用下拖動(dòng)減速器運(yùn)行。這種驅(qū)動(dòng)方式使用較早，成本較低，啟動(dòng)過(guò)程不能控制，目前煤礦主要用于1米帶寬及以下的小型帶式輸送機(jī)。

1.2 CST軟啟動(dòng)方式

CST（controlled start transmissions 可控啟動(dòng)傳輸）設(shè)備具備減速和軟啟動(dòng)雙重功能，可通過(guò)電液控制系統(tǒng)對(duì)濕式離合器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)將帶式輸送機(jī)拖動(dòng)到額定帶速，或在停機(jī)時(shí)使帶速在設(shè)定時(shí)間內(nèi)降為零。這種驅(qū)動(dòng)方式在煤礦井下帶式輸送機(jī)上應(yīng)用較為廣泛，因其可實(shí)現(xiàn)多驅(qū)功率平衡，主要用于1.2米帶寬以上大型帶式輸送機(jī)。

1.3 異步電動(dòng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)方式

通過(guò)變頻器向驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行供電，變頻器具備優(yōu)異的調(diào)速性能，其輸出頻率可在0-50Hz任意設(shè)定，啟動(dòng)和停車時(shí)間及曲線也可按需設(shè)定，可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟停車、多驅(qū)功率平衡和定速帶載，并且根據(jù)給定信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)速。近幾年，隨著隔爆變頻器發(fā)展成熟，逐步向高電壓、大功率方向發(fā)展，在神東礦區(qū)帶式輸送機(jī)用隔爆型變頻器電壓已達(dá)到3300V，單驅(qū)功率達(dá)到1000kW。

2 永磁同步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)介紹及應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來(lái)，永磁同步電動(dòng)機(jī)得到較快發(fā)展，因其功率因數(shù)高、效率高等特點(diǎn)，在一些地面廠礦應(yīng)用逐漸增多，某些場(chǎng)所已逐步取代交流異步電機(jī)，是一種新型節(jié)能電機(jī)，但在煤礦井下的應(yīng)用才逐漸開始。

永磁同步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心是由永磁同步電機(jī)（permanent magnet synchronous motor，以下簡(jiǎn)稱PMSM）和專用變頻控制系統(tǒng)組成。PMSM在結(jié)構(gòu)上是由繞組與永磁體兩部分組成。定子繞組在通電后，同樣激發(fā)了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，安裝有永磁體的轉(zhuǎn)子會(huì)跟隨定子磁場(chǎng)，一起旋轉(zhuǎn)起來(lái)。只要轉(zhuǎn)子的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不超過(guò)設(shè)計(jì)的最大電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速會(huì)和定子始終保持同步，位置也保持相對(duì)靜止。電機(jī)工作所需的磁通主要是由永磁體提供，幾乎不需要外界的無(wú)功，所以其功率因數(shù)和效率明顯高于異步電機(jī)。

PMSM安裝有高精度速度傳感器，可以將速度和轉(zhuǎn)子絕對(duì)位置信號(hào)實(shí)時(shí)傳送到變頻控制器中。在控制策略上，變頻器控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)的電機(jī)磁極運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，施加矢量電流控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩精準(zhǔn)控制?？蓪?shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟停車、帶載啟動(dòng)、多驅(qū)功率平衡等。

永磁同步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具備如下特點(diǎn)：1）永磁同步電機(jī)具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩的特點(diǎn)，可以直接與帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒連接，不需安裝減速器，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝簡(jiǎn)便，可靠性較高。永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出比較見(jiàn)圖1；2）系統(tǒng)傳動(dòng)效率較高，永磁同步電機(jī)效率≥97%，普通異步電動(dòng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)效率在95%左右，高速聯(lián)軸器效率為99.5%，減速器效率95%，整體效率只能達(dá)到95%*99.5%*95%=89%左右；3）永磁同步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)起停平穩(wěn)，能實(shí)現(xiàn)帶載起動(dòng)；4）永磁同步電機(jī)維護(hù)周期長(zhǎng)（比如電機(jī)軸承注脂周期約22000h，異步變頻電機(jī)潤(rùn)滑周期一般為3000h左右），維護(hù)量小，維護(hù)成本低；5）永磁同步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多機(jī)運(yùn)行時(shí)，能實(shí)現(xiàn)功率平衡。

隔爆型永磁同步電動(dòng)機(jī)目前在國(guó)內(nèi)煤礦已有部分成功應(yīng)用的案例，但大部分驅(qū)動(dòng)功率較小。永磁同步電機(jī)目前還沒(méi)有在國(guó)內(nèi)煤炭行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

3 永磁同步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)與CST軟啟動(dòng)及異步電動(dòng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)經(jīng)濟(jì)效益比較

本文以神東礦區(qū)使用較普遍的3×500kW可伸縮帶式輸送機(jī)為驅(qū)動(dòng)對(duì)象，進(jìn)行系統(tǒng)配置及經(jīng)濟(jì)效益比較分析（由于液力偶合器軟啟動(dòng)方式不具備可控功能，在煤礦帶式輸送機(jī)拖動(dòng)選型中已逐步被淘汰，本文未列入比較）。

1）3×500kW CST軟啟動(dòng)系統(tǒng)需配置1臺(tái)移動(dòng)變壓器和1臺(tái)14回路組合開關(guān)進(jìn)行供配電，井下10kV進(jìn)線通過(guò)移動(dòng)變壓器變?yōu)?140V，再接入14回路組合開關(guān)向主驅(qū)動(dòng)電機(jī)及CST油泵電機(jī)及風(fēng)扇電機(jī)等輔助設(shè)備供電。主驅(qū)動(dòng)電機(jī)與CST高速端連接，CST低速端與帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒連接進(jìn)行拖動(dòng)。

2）3×500kW異步電動(dòng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需配置2臺(tái)變頻專用移動(dòng)變壓器和1臺(tái)變頻器（12脈沖整流，并且可同時(shí)拖動(dòng)3臺(tái)變頻電機(jī)）進(jìn)行供配電。井下10kV進(jìn)線通過(guò)移動(dòng)變壓器變?yōu)?60V,2臺(tái)移動(dòng)變壓器輸出電壓相位角互差30°，同時(shí)接入變頻器（12脈沖整流變頻器需相位互差30°電源同時(shí)供電）。變頻器設(shè)有3個(gè)變頻回路和多個(gè)工頻回路，向3臺(tái)主驅(qū)變頻電機(jī)和減速器油泵電機(jī)等輔助回路供電。主驅(qū)變頻電機(jī)與減速器高速端連接，減速器低速端與帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒連接進(jìn)行拖動(dòng)。

3）3×500kW永磁同步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需配置1臺(tái)移動(dòng)變壓器和3臺(tái)變頻器（永磁同步電機(jī)專用）進(jìn)行供配電。井下10kV進(jìn)線通過(guò)移動(dòng)變壓器變?yōu)?60V，再分別接入3臺(tái)變頻器，每臺(tái)變頻器拖動(dòng)一臺(tái)永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)輸出軸與帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒連接進(jìn)行拖動(dòng)。這種連接方式不需安裝減速器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便。

三種驅(qū)動(dòng)方式的系統(tǒng)配置及經(jīng)濟(jì)效益比較如下表所示：

從上述比較可以看出，按10年時(shí)間計(jì)算，永磁同步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)與CST驅(qū)動(dòng)相比，采購(gòu)費(fèi)用增加398萬(wàn)，但維護(hù)費(fèi)用節(jié)約224.25萬(wàn)元，電費(fèi)節(jié)約1207.17萬(wàn)元；與異步電動(dòng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)相比，采購(gòu)費(fèi)用增加225萬(wàn)元，但維護(hù)費(fèi)用節(jié)約68.25萬(wàn)元，電費(fèi)節(jié)約467.05萬(wàn)元。

4 結(jié)論

綜上所述，煤礦帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)隨著科技的進(jìn)步不斷向高效、節(jié)能的方向發(fā)展，每次驅(qū)動(dòng)技術(shù)的革新都會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。永磁同步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為新型的帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，具有低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)效率高、安裝簡(jiǎn)便、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，目前由于采購(gòu)成本高等原因尚未得到廣泛應(yīng)用，但其優(yōu)勢(shì)明顯，具有很高的推廣價(jià)值。

張樂(lè)（1987—），男，內(nèi)蒙古包頭人，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，主要從事煤礦機(jī)電設(shè)備管理工作。