魏夢嬌，柳玉濤，高天佑

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222）

引 言

20 世紀80 年代，為實現(xiàn)我國“西煤東運，北煤南運”的能源戰(zhàn)略方針，某港建設(shè)了煤炭出口泊位工程，至今已投產(chǎn)30 年，累計接卸煤炭超過9.6 億t，為我國經(jīng)濟發(fā)展貢獻了重要力量。因當(dāng)時永磁材料成本較高，永磁電動機僅應(yīng)用于航空航天及其他高科技領(lǐng)域，直至1983 年，釹鐵硼（NdFeB）永磁材料誕生[1]，才使得永磁同步電動機逐漸應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域。2016 年4 月，此港的BM1 碼頭帶式輸送機，成為國內(nèi)港口行業(yè)首例由傳統(tǒng)驅(qū)動形式技改為永磁直驅(qū)系統(tǒng)的實驗性技改工程。本文依據(jù)此工程的技改經(jīng)驗，以及改造后的運營情況，通過對設(shè)備改造前后的實驗數(shù)據(jù)進行對比分析，研究永磁直驅(qū)技術(shù)在港口帶式輸送機系統(tǒng)中的實際應(yīng)用情況。

1 永磁直驅(qū)技術(shù)簡介

永磁電動機以線圈為定子，永磁材料體為轉(zhuǎn)子，與傳統(tǒng)的三相異步電機相比，無需勵磁繞組和勵磁電源，采用永磁材料進行勵磁[2]，因此功率因數(shù)高，定子電流損耗低，并可通過設(shè)計電機極對數(shù)量，實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大扭矩特性。永磁直驅(qū)系統(tǒng)由永磁電動機、變頻器與聯(lián)軸器構(gòu)成，與傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)相比，不需配置減速器、液力耦合器等中間機械傳動設(shè)備，提高了驅(qū)動傳動效率。永磁電動機經(jīng)變頻技術(shù)對輸入電流進行調(diào)控后，輸出轉(zhuǎn)矩可依據(jù)負載的大小進行調(diào)節(jié)，能夠輕易實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)軟啟動，避免電機因啟動瞬時電流過大沖擊整個電網(wǎng)，同時避免瞬時轉(zhuǎn)矩劇增沖擊整個機械傳動系統(tǒng)。因此，永磁直驅(qū)技術(shù)具有電動機配置靈活，系統(tǒng)傳動效率高，可靠性高，運行啟動平穩(wěn)，維護成本低等顯著特點。

2 改造方案實施

碼頭帶式輸送機是煤炭出口型港口的關(guān)鍵設(shè)備之一，本工程改造的BM1 碼頭帶式輸送機作業(yè)量占其所在工藝系統(tǒng)作業(yè)總量的35 %。如圖1 所示，BM1 帶式輸送機基本參數(shù)為：額定輸送能力Q=6 000 t/h，帶寬B=2 000 mm，帶速V=4.8 m/s，槽角α=35°，總長L=925 m，驅(qū)動系統(tǒng)主要由3 套“315 kW 異步電機+減速器+耦合器”驅(qū)動單元組成。

圖1 BM1 帶式輸送機原驅(qū)動系統(tǒng)布置

圖2 改造后BM1 帶式輸送機永磁直驅(qū)系統(tǒng)布置

本次改造方案主要為：拆除原有的3 套傳統(tǒng)驅(qū)動單元，安裝新型永磁直驅(qū)電動機和配套的變頻驅(qū)動器，并更換連接滾筒軸和電機固定底座，改造后的永磁同步電動機通過聯(lián)軸器直接與BM1 帶式輸送機驅(qū)動滾筒相連（如圖2 所示）；驅(qū)動系統(tǒng)供電動力系統(tǒng)由原高壓接觸器直接控制異步電動機，改造為高壓接觸器作用變頻器，再由變頻器控制永磁電機的啟停和調(diào)速；對控制系統(tǒng)進行改造，增加變頻器的控制與反饋信號，并對高壓接觸器控制邏輯進行修改調(diào)試。

改造施工過程中，預(yù)先進行土建施工，加速灌漿料上強度，并提前進行新增系統(tǒng)線路及程序改造與調(diào)試，將土建施工、機械施工和電氣改造施工合理組織、穿插進行、前后銜接、互不影響，使得BM1帶式輸送機的停產(chǎn)時間不超過5 天，永磁直驅(qū)系統(tǒng)投產(chǎn)至今近3 年零故障運行平穩(wěn)。

3 運營實驗結(jié)論

3.1 實現(xiàn)系統(tǒng)軟啟動

永磁直驅(qū)系統(tǒng)通過變頻器控制永磁電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)緩慢啟動。經(jīng)過對永磁電動機電流進行檢測，未見瞬時過大電流出現(xiàn)，最大啟動電流為45.7 A。軟啟動減緩了瞬時大電流對電網(wǎng)的沖擊，降低了轉(zhuǎn)矩瞬間增大對機械傳動系統(tǒng)的劇烈沖擊作用，較大程度降低了機械系統(tǒng)故障率。

3.2 實現(xiàn)功率平衡

如表1 所示，實驗分別記錄了改造前后BM1帶式輸送機空載運行1 h 內(nèi)，對應(yīng)3 臺電動機的耗電量與功率系數(shù)等實驗數(shù)據(jù)。分析數(shù)據(jù)可得：改造前，3 臺電機運行平衡性較差，2#電機功率因數(shù)較高，幾乎2 倍于1#和3#電機，且3 臺電機耗電量差距較大；永磁直驅(qū)改造后，3 臺電機耗電量與功率因數(shù)接近相同，且運行時驅(qū)動電機驅(qū)動電流走勢近乎一致；由此可得永磁直驅(qū)系統(tǒng)實現(xiàn)了3 臺電機功率平衡，避免電機因出力不均對系統(tǒng)造成損壞。

表1 改造前后空載運行1 h 實驗數(shù)據(jù)

3.3 實現(xiàn)自由調(diào)速

實驗證明，永磁直驅(qū)系統(tǒng)可實現(xiàn)由停止到額定轉(zhuǎn)速的自由調(diào)速。改造前，傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)無調(diào)速功能，不能實現(xiàn)輕載調(diào)速運行和低速驗帶功能。改造后，系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)變頻器實現(xiàn)無級調(diào)速。在實際生產(chǎn)運營過程中，裝船機進行移艙、移泊作業(yè)時，可實現(xiàn)帶式輸送機空載怠速運行工況，降低空載能耗；檢修時，可用于帶式輸送機低速驗帶作業(yè)，極大程度降低膠帶磨損及電能損耗。

3.4 實現(xiàn)重載啟動

當(dāng)某一臺驅(qū)動電動機故障時，僅需將對應(yīng)高壓接觸器斷開，并將聯(lián)軸器脫開，即可實現(xiàn)帶式輸送機由三驅(qū)運行轉(zhuǎn)變?yōu)殡p驅(qū)運行。本文進行了模擬此工況實驗，分別對改造完成后的三臺電機重載啟動和兩臺電機重載啟動進行測試。

三臺電機重載啟動工況：BM1 帶式輸送機啟動正常，變頻器輸出電流峰值46 A，為電機額定電流的1.386 倍；變頻器輸入電流峰值28 A，是其額定電流的58.3 %；啟動時間27 s。

兩臺電機重載啟動工況：BM1 帶式輸送機啟動正常，變頻器輸出電流峰值56 A，為電機額定電流的1.687 倍；變頻器輸入電流峰值36 A，是其額定電流的75 %；啟動時間27 s。

上述實驗現(xiàn)象由永磁直驅(qū)系統(tǒng)的大啟動轉(zhuǎn)矩特性決定的，永磁電機的啟動轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的220 %[2]，傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)啟動轉(zhuǎn)矩通常是額定轉(zhuǎn)矩的55 %[2]。傳統(tǒng)帶式輸送機滿載啟動工況的驅(qū)動功率設(shè)計計算時，考慮傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)啟動轉(zhuǎn)矩較低的問題，在計算額定功率的基礎(chǔ)上乘以啟動系數(shù)[3]，需采用增大電機容量的方式來滿足帶式輸送機的啟動轉(zhuǎn)矩，而永磁直驅(qū)系統(tǒng)則可避免此種處理方式。

4 節(jié)能實驗

4.1 空載節(jié)能實驗

如表1 所示，實驗分別記錄了改造前后BM1帶式輸送機空載運行1 h，對應(yīng)的三臺電動機的耗電量與功率系數(shù)等實驗數(shù)據(jù)。改造前，三臺高壓電機耗電量合計207 kW·h；改造后，三臺高壓電機耗電量162 kW·h，外加變頻器室空調(diào)和照明、永磁電機冷卻系統(tǒng)等低壓設(shè)備耗電量19.5 kW·h，合計181.5 kW·h。帶式輸送機改造前后空載速度分別為5 m/s 與4.88 m/s。采用如下公式：

式中：

n 為改造后綜合節(jié)能率；

P0為改造前空載運行1 h的耗電量，單位kW·h；

P1為改造后空載運行1 h的耗電量，單位kW·h；

v0為改造前空載運行速度，單位m/s；

v1為改造后空載運行速度，單位m/s。

通過計算，改造后BM1 帶式輸送機空載運行 1 h 可節(jié)能12.02 %，故改造后皮帶機空載運行條件下，綜合節(jié)能效果顯著。

4.2 重載節(jié)能測試

如表2 所示，實驗分別記錄了改造前和改造后BM1 帶式輸送機相似作業(yè)工況的數(shù)據(jù)，并進行對比分析。

表2 改造前后重載運行實驗數(shù)據(jù)分析

分析可知：在近似同等作業(yè)條件下，改造后的永磁直驅(qū)系統(tǒng)比傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)重載作業(yè)至少節(jié)能12 %。

5 結(jié) 語

本文以某港BM1 碼頭帶式輸送機由傳統(tǒng)驅(qū)動形式改造為永磁電機直驅(qū)系統(tǒng)的實驗性技改工程為研究對象，從施工、運營、實驗等方面出發(fā)，通過對設(shè)備改造前后各項數(shù)據(jù)進行分析研究，論證永磁直驅(qū)技術(shù)在港口帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)改造中，具有改造工期短、傳動效率高、運行平穩(wěn)、維護成本低、噪聲低等特點，實現(xiàn)系統(tǒng)軟啟動、功率平衡、自由調(diào)速、重載啟動等功能，且節(jié)能效果顯著，可減少能耗12 %以上，證明了永磁直驅(qū)技術(shù)在港口帶式輸送機方面的應(yīng)用具有較強的推廣意義。