楊慶范 萬宗帥 莊世軍 白躍俊

摘 要：近年來，隨著煤炭行業(yè)的快速發(fā)展，井下運輸系統(tǒng)也逐漸在更新?lián)Q代，但由于井下巷道狹窄，運輸環(huán)境惡劣，從而導(dǎo)致常規(guī)運輸巷皮帶機驅(qū)動裝置故障較多。變頻調(diào)速永磁同步電動機作為一種新型的節(jié)能型電動機，因其特有優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于皮帶運輸系統(tǒng)中，其具有簡單的結(jié)構(gòu)、較大的轉(zhuǎn)矩以及較低的能耗等特點，不僅能夠提高皮帶輸送機的運輸效率和運載量，而且能夠提升運輸系統(tǒng)的可靠性和使用壽命，對于保障皮帶運輸質(zhì)量有著至關(guān)重要的意義。本文簡要介紹了永磁同步電動機的組成及特性，重點分析了皮帶運輸控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用，僅供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；永磁同步電動機；皮帶運輸機

在煤礦生產(chǎn)中，皮帶輸送機承擔(dān)著煤炭運輸?shù)钠D巨任務(wù)，具有較長的運輸時間和較大的運輸數(shù)量等特點，煤礦皮帶輸送機的運行狀態(tài)直接關(guān)系到生產(chǎn)任務(wù)能否順利完成。在皮帶運輸系統(tǒng)中，常規(guī)的傳統(tǒng)系統(tǒng)具有較大的啟動電流和嚴重的機械磨損，長期使用運行容易不僅會出現(xiàn)張力變化，而且浪費大量的電能。通過合理應(yīng)用變頻調(diào)速永磁電機，能夠有效降低設(shè)備噪音，減少功率損耗，提高工作效率。

1 永磁同步電動機的組成及特性

在煤礦皮帶運輸系統(tǒng)中，常規(guī)的電機設(shè)備大部分是異步電動機，需要配合齒輪減速器裝置和液力耦合器設(shè)備才能夠組成一個完整性的動力驅(qū)動系統(tǒng)。這種常規(guī)電機設(shè)備在井下復(fù)雜條件下頻繁產(chǎn)生機械故障，具有較低的工作效率，而且在重載狀態(tài)下具有較大的啟動難度。而變頻調(diào)速永磁同步電動機主要由變頻器、皮帶機頭和永磁同步電機組成，去掉了常規(guī)的減速器裝置和液力耦合器，能夠?qū)崿F(xiàn)對礦用皮帶機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，滿足井下生產(chǎn)要求。

煤礦井下生產(chǎn)實踐中，將變頻調(diào)速永磁同步電動機應(yīng)用到皮帶運輸系統(tǒng)中，不僅能夠提高生產(chǎn)運輸效率，而且能夠具有較高的安全性能，滿足各種生產(chǎn)環(huán)境下的實際需求。一是具有高效節(jié)能的特點，變頻調(diào)速永磁同步電動機去掉了常規(guī)的減速器裝置和液力耦合器以后，大大降低了震動和噪聲，啟動時消耗電流較小，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用也減輕了設(shè)備磨損；二是具有較小的維護量，在皮帶系統(tǒng)運行時，不需要考慮減速器、液力偶合器以及齒輪等零部件的磨損，減少了零部件更換、檢修和日常維護的頻率，降低了維修成本，避免了不平穩(wěn)起動造成的皮帶拉裂現(xiàn)象，節(jié)約了采購大量的采購費用；三是具有較大輸出轉(zhuǎn)矩，永磁同步電動機能夠使皮帶運輸系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)保持恒轉(zhuǎn)矩，使運行穩(wěn)定性不斷提高。尤其是電動機在低頻、低壓或低速情況下能夠保障皮帶機有足夠的轉(zhuǎn)矩。永磁同步電動機的變頻調(diào)速作用能夠使帶式輸送機的緩慢啟動，避免重載情況皮帶拉裂，而且能夠降低啟動時的額定電流。

2 永磁電動機變頻驅(qū)動系統(tǒng)的原理

變頻驅(qū)動系統(tǒng)的電機控制方式為自控式交直交電壓型，主要組成結(jié)構(gòu)分為五個部分：一是整流橋，二是控制電路，三是位置傳感器，四是三相逆變電路，五是三相交流永磁電機。50HZ的電流通過整流以后，由三相逆變器給電機的三相繞組供電，三相對稱電流合成的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子永久磁鋼所產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子被拖動進行同步旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁鋼位置 能夠通過位置傳感器實時進行讀取，隨后變換成電信號對逆變器功率器件開關(guān)進行控制，并對電流頻率和相位進行調(diào)節(jié)，確保轉(zhuǎn)子和定子磁勢的位置關(guān)系不亂，從而產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩，皮帶負載決定了定子繞組中的電流大小。當轉(zhuǎn)子位置產(chǎn)生變化時，定子繞組中三相電流的頻率和相位也隨著產(chǎn)生變化，使三相電流合成一個與轉(zhuǎn)子同步的旋轉(zhuǎn)磁場，三相電流的換相通過逆變電路的開關(guān)變化實現(xiàn)，等同于常規(guī)電機中的機械換向器。

3 皮帶運輸控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用

以某煤礦的皮帶輸送設(shè)備為例，在實際生產(chǎn)過程中將皮帶機應(yīng)用的異步電動機改造成變頻調(diào)速的永磁同步電動機，改造后所使用電機為55kW的額定容量和660V的額定電壓，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為永磁結(jié)構(gòu)，額定功率為12Hz。利用變頻器對永磁同步電動機進行調(diào)節(jié)變速，能夠保障功率平衡，滿足實際運行要求。變頻調(diào)速永磁同步電動機能夠?qū)崿F(xiàn)皮帶機的軟啟動，皮帶機的驅(qū)動電機能夠根據(jù)啟動過程中的V/F曲線實現(xiàn)逐步升壓，在緩慢提升啟動電流過程中釋放貯存于皮帶內(nèi)部的能量，防止啟動電流沖擊皮帶機，使皮帶機的啟動張力有效降低，使電機驅(qū)動的功率得到平衡，避免對皮帶產(chǎn)生損害，確保皮帶穩(wěn)定運行。

在皮帶運輸系統(tǒng)中，變頻調(diào)速裝置主要由參數(shù)設(shè)定系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和變頻調(diào)速系統(tǒng)三方面組成，該裝置不僅應(yīng)用了現(xiàn)代化的IGBT變頻調(diào)速理論，而且應(yīng)用了模糊控制理論，具有突出的穩(wěn)態(tài)性能、較寬的調(diào)速范圍和較大的轉(zhuǎn)矩作用力?；贗GBT的半導(dǎo)體開關(guān)器件和驅(qū)動模塊是變頻器的核心設(shè)置，在電流裕度控制方面具有良好效果。另外，變頻調(diào)速系統(tǒng)中的熱管散熱器也具有良好的散熱性能好和實用性能，而整個調(diào)速裝置自主電路到控制電路均應(yīng)用光纖方式實現(xiàn)通信，也大幅提高了抗干擾能力，降低了控制系統(tǒng)誤動作的幾率。變頻調(diào)速裝置還采用了先進性的控制算法，通過無線傳感器矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合的模式對低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的永磁同步電動機進行有效控制，滿足智能化操作要求，提高設(shè)備的防護性、可靠性與穩(wěn)定性。

4 兩種驅(qū)動結(jié)構(gòu)的對比

1）系統(tǒng)實現(xiàn)軟起動和免維護。 在皮帶機上應(yīng)用變頻調(diào)速永磁同步電動機能夠使運輸傳動系統(tǒng)實現(xiàn)緩慢勻速起動，在很大程度上降低了電機起動的瞬間電流，避免了電流過大沖擊到電網(wǎng)。同時電機轉(zhuǎn)矩也在傳動設(shè)備啟動后緩慢增加，避免了瞬時增加的轉(zhuǎn)矩機械沖擊到傳動系統(tǒng)，不僅使系統(tǒng)的機械故障和電網(wǎng)故障大幅降低，而且去除了常規(guī)驅(qū)動系統(tǒng)的減速器和液力耦合器，降低了維護成本，優(yōu)化了人力資源，具有良好的應(yīng)用效果。

2）簡化了機頭架的設(shè)計與安裝。相比于常規(guī)傳統(tǒng)系統(tǒng)，新式直驅(qū)系統(tǒng)中利用變頻調(diào)速永磁同步電動機替代了Y系列異步電機，去除了常規(guī)方案中的液力耦合器結(jié)構(gòu)，傳動效率提升了20%—30%左右，而且變頻調(diào)速永磁同步電動機的能耗達到國際IE4標準，具有較高的綜合節(jié)能率，每年節(jié)約電達數(shù)十萬元。永磁同步電動機的機頭設(shè)計簡化了驅(qū)動架，對框架支撐連接的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行了更改，將其設(shè)計為具有較小空間的三角架結(jié)構(gòu)，在三角支撐架上對稱安裝雙驅(qū)動裝置，不斷優(yōu)化驅(qū)動滾筒的安裝空間和安裝結(jié)構(gòu)，在井下生產(chǎn)中有利于安裝和維修驅(qū)動裝置及機頭。

3）減少了輸送機的功率損耗。將變頻調(diào)速永磁同步電動機應(yīng)用到皮帶機上，能夠?qū)⒁毫︸詈掀鳌p速器等部件去掉，使驅(qū)動系統(tǒng)呈現(xiàn)出節(jié)能、簡單、高效的特點。在常規(guī)的異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)中，不平穩(wěn)的啟動不容易實現(xiàn)重載啟動，對驅(qū)動系統(tǒng)的整體效率造成一定影響。因此在變頻調(diào)速永磁同步電動機驅(qū)動皮帶機上，很少實現(xiàn)滿載運行，具有較低的運輸效率和較高的電能消耗。而永磁同步電動機應(yīng)用后，將稀土永磁體加入到定子結(jié)構(gòu)中，不需要勵磁電流，電機達到了93%以上的應(yīng)用功率，使節(jié)能大幅節(jié)約。另外變頻調(diào)速永磁同步電動機能夠使電機達到功率智能平衡，避免多電機因出力不平衡而造成的電機的損壞。

5 結(jié)束語

綜上所述，變頻調(diào)速永磁同步電動機在皮帶機上的應(yīng)用減少了皮帶輸送機中的液力耦合器環(huán)節(jié)，方便了礦井皮帶輸送機的維修，通過變頻控制系統(tǒng)能夠智能控制運行速度，滿足皮帶機空載和重載的不同需求，使皮帶機的傳送效率有效提升，有效實現(xiàn)能源的節(jié)約。煤礦技術(shù)人員要加強對變頻調(diào)速永磁同步電動機的研究和應(yīng)用，充分發(fā)揮其在煤礦皮帶運輸系統(tǒng)中的優(yōu)勢，使其成為井下機電行業(yè)的主力軍。

參考文獻

[1]葉云岳，范承志，盧琴芬等.直驅(qū)式高效節(jié)能復(fù)式永磁電機的研發(fā)與應(yīng)用[J].電機與控制應(yīng)用，2010，37（1）：1-3，12.