張 榮 賈清華 李 麗 王郡武 高云峰

(1.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司晉華宮礦，山西省大同市，037016； 2.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司同大科技研究院，山西省大同市，037000)

大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司晉華宮礦(以下簡稱晉華宮礦)井下南山12-2﹟煤層301盤區(qū)帶式輸送機(jī)電機(jī)采用液力耦合器的啟動方式，啟動過程中電壓不能線性變化，切換過程中存在電氣和機(jī)械沖擊、設(shè)備故障率高等問題。該機(jī)從2003年投入使用至今，已經(jīng)運(yùn)行了近15 a，電機(jī)和減速機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度的疲勞磨損，存在啟動困難、維修費(fèi)用高以及日常生產(chǎn)中突發(fā)故障多等問題，難以保障原煤的正常運(yùn)輸，嚴(yán)重影響了礦井正常的安全生產(chǎn)。為了解決這些問題，采用智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)代替原來的傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用效果明顯，效益顯著。

1 永磁電機(jī)組成結(jié)構(gòu)

同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式有電勵磁式、磁阻式和永磁式3種。其中電勵磁式同步電機(jī)主要通過電刷和滑環(huán)引入直流勵磁電流，一般大、中容量同步電機(jī)使用；磁阻式同步電機(jī)主要利用凸極、轉(zhuǎn)子、磁路不對稱造成電抗差異來產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩；近年來隨著永磁材料取得的不斷進(jìn)步，永磁式同步電機(jī)(以下簡稱永磁電機(jī))采用儲能永磁材料勵磁建立主磁場。

永磁電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子及其端蓋組成，定子是由鐵芯、繞組、機(jī)座三部分組成，鐵芯由0.5 mm的硅鋼片疊壓而成，機(jī)座一般由鑄鐵制成，主要用于固定和支撐定子鐵芯；轉(zhuǎn)子主要由鐵芯、永磁體、轉(zhuǎn)子支架和轉(zhuǎn)軸組成，和定子一樣，也是由硅鋼片疊壓而成，壓裝在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)子永磁體的布置方式采用內(nèi)置式；端蓋對永磁電機(jī)的兩端起到一定的固定和保護(hù)作用。永磁電機(jī)組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 永磁電機(jī)組成結(jié)構(gòu)示意圖

2 永磁電機(jī)工作原理

永磁電機(jī)是以磁場為媒介進(jìn)行機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置，當(dāng)電機(jī)的定子繞組中通入三相電流后，就會在永磁電機(jī)的定子繞組中形成旋轉(zhuǎn)磁場，由于在轉(zhuǎn)子上安裝了永磁體(永磁體的磁極是固定的)，根據(jù)磁極的同極相斥和異極相吸的原理，在定子中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場會帶動轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，最終達(dá)到轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與定子中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁極的轉(zhuǎn)速相同。永磁電機(jī)工作原理示意圖如圖2所示。

3 智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)的特性

3.1 啟動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)

永磁電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)矩要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而確定電機(jī)級數(shù)和永磁體數(shù)量，而異步電機(jī)按照功率進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以當(dāng)帶式輸送機(jī)所承受的負(fù)荷相同時(shí)，異步電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩通常是額定轉(zhuǎn)矩的55%，無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)滿載啟動，而永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的280%，可根據(jù)帶式輸送機(jī)的負(fù)載情況進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，因此過載能力強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)重載啟動。異步電機(jī)啟動特性如圖3所示，永磁電機(jī)啟動特性如圖4所示。

圖2 永磁電機(jī)工作原理示意圖

圖3 異步電機(jī)啟動特性

圖4 永磁電機(jī)啟動特性

3.2 效率和功率因數(shù)提高

由于異步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組為銅制繞線，因此產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場時(shí)需要消耗熱能；永磁電機(jī)為永磁體材料，不存在能量消耗，當(dāng)二者在輸出功率與額定功率比值相同的情況下，永磁電機(jī)比異步電機(jī)存在效率高、功率因數(shù)高、啟動電流小、對電網(wǎng)沖擊小等優(yōu)點(diǎn)。而異步電機(jī)由于功率因數(shù)低，電機(jī)要從電網(wǎng)中吸收大量的無功電流，因此會造成電能資源的浪費(fèi)。異步電機(jī)啟動所需電流較大，為額定電流的5～7倍，容易沖擊電網(wǎng)的其它用電設(shè)備。當(dāng)二者的P2/PN比值在接近1的情況，效率和功率因數(shù)的值為最高，但隨著P2/PN比值的增大，異步電機(jī)的效率和功率因數(shù)都在不斷減小，而永磁電機(jī)的效率和功率因數(shù)卻基本趨于恒定。永磁電機(jī)和異步電機(jī)效率曲線如圖5所示，永磁電機(jī)和異步電機(jī)功率因數(shù)曲線如圖6所示。

圖5 永磁電機(jī)和異步電機(jī)效率曲線

圖6 永磁電機(jī)和異步電機(jī)功率因數(shù)曲線

3.3 結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便

由于智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)不需要減速機(jī)，無傳動齒輪磨損和噪聲，因此無需更換潤滑油和檢修齒輪箱，不僅節(jié)約了維護(hù)成本，而且降低了維護(hù)工作量，還使得傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化和便于安裝。

3.4 溫升低，使用壽命長

智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)的永磁電機(jī)運(yùn)行效率較高，轉(zhuǎn)子繞組中不存在電阻損耗，定子繞組中幾乎不存在無功電流，因此永磁電機(jī)溫升低，永磁電機(jī)的使用壽命較長；而異步電機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組有電流流動，并且電流完全以熱能的形式消耗掉，所以在轉(zhuǎn)子繞組中將產(chǎn)生大量的熱量，使電機(jī)的溫度升高，影響了電機(jī)的使用壽命，永磁電機(jī)溫升圖如圖7所示，異步電機(jī)溫升圖如圖8所示。

圖7 永磁電機(jī)溫升圖

圖8 異步電機(jī)溫升圖

3.5 智能化

智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)運(yùn)用無傳感器矢量控制技術(shù)(SVC)變頻啟動，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳動的緩慢均勻啟動，避免了以往異步電機(jī)啟動的瞬間大電流給電網(wǎng)帶來的沖擊，因此降低了電網(wǎng)故障和機(jī)械故障。智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)需要兩臺電機(jī)驅(qū)動，通過主從控制使輸出功率及運(yùn)行電流無偏差，可實(shí)現(xiàn)功率平衡，解決了原來異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)功率不平衡和易造成電機(jī)損壞的問題。此外，智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)支持CAN、MODBUS485、PROFBUS DP等多種通信接口的接入，可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)多臺設(shè)備集中控制運(yùn)行。

3.6 安全可靠

智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)替代了異步電機(jī)、減速機(jī)以及液力耦合器等傳統(tǒng)的機(jī)械驅(qū)動裝置，系統(tǒng)直接驅(qū)動生產(chǎn)機(jī)械使得傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得簡化，無中間傳動環(huán)節(jié)，因此故障率變低。智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對過壓、過流、欠壓和過熱等各種故障的保護(hù)，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)的應(yīng)用

晉華宮礦301盤區(qū)帶式輸送機(jī)原驅(qū)動系統(tǒng)為異步電機(jī) + 液力耦合器 + 減速器 + 聯(lián)軸器 +滾筒，在此基礎(chǔ)上對傳統(tǒng)的驅(qū)動設(shè)備進(jìn)行改造。為了避免在煤炭運(yùn)輸過程中煤泥和粉塵等對智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)的污染，智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)安裝在距帶式輸送機(jī)機(jī)頭部150 m處，將原來帶式輸送機(jī)頭尾的兩套異步電機(jī)、減速器和液力耦合器拆除，更換兩臺TBVF-500/80YC(660/1140)永磁電機(jī)以及兩臺BPJ-630/1140伺服控制器(變頻器)。

改造后，智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)能夠直接與帶式輸送機(jī)滾筒通過脹套連接，可實(shí)現(xiàn)伺服控制器(變頻器)拖動下的帶式輸送機(jī)運(yùn)行，并通過伺服控制器(變頻器)來實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的正常運(yùn)行及保護(hù)，實(shí)現(xiàn)“煤多快轉(zhuǎn)，煤少慢轉(zhuǎn)”，從而實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。

5 應(yīng)用效果

智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)于2017年12月在晉華宮礦12-2#煤層301盤區(qū)帶式輸送機(jī)上成功進(jìn)行了應(yīng)用，按照帶式輸送機(jī)每年運(yùn)行360 d、每天運(yùn)行16 h、電費(fèi)按照1元/ kWh來計(jì)算，傳統(tǒng)異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)與智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)的能量損耗與各種費(fèi)用進(jìn)行對比見表1。

表1 原驅(qū)動系統(tǒng)與智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)的能量損耗與各種費(fèi)用對比

由表1可以看出，在永磁電機(jī)生命周期10 a內(nèi)，智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)可以節(jié)約電能為78433920 kWh，節(jié)約使用費(fèi)用為7913.43萬元。此外，按照正常注油補(bǔ)充周期，智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)每月可節(jié)約0.34 t油脂，油脂的費(fèi)用按照1.02萬元/t計(jì)算，10 a內(nèi)可節(jié)約油脂費(fèi)用為16.9萬元。

6 結(jié)語

智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)相比具有啟動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)、效率和功率因數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡單、免維護(hù)、溫升低以及使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，極大地提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，有效降低了帶式輸送機(jī)的能耗和使用成本。