李超穎，楊 安，王 斌

(1．昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051；2．云南錫業(yè)集團(tuán)老廠分公司，云南 個(gè)舊 661000)

0 引 言

豎井提升機(jī)系統(tǒng)是井下作業(yè)的咽喉要道，擔(dān)負(fù)著井下人員、設(shè)備、材料的運(yùn)輸任務(wù)，為保證豎井提升系統(tǒng)安全、高效的運(yùn)行，對(duì)豎井提升機(jī)進(jìn)行更新改造，通過使用目前國內(nèi)最新的永磁同步變頻電機(jī)直驅(qū)，達(dá)到提高系統(tǒng)的安全、可靠性，提高傳動(dòng)效率，實(shí)現(xiàn)易于操作，減少維修工作量和降低設(shè)備運(yùn)行成本的目的。

1 永磁同步電機(jī)

永磁同步電機(jī)是由永磁體勵(lì)磁產(chǎn)生同步旋轉(zhuǎn)磁場的同步電機(jī)，永磁體作為轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，當(dāng)定子側(cè)通入三相對(duì)稱電流，三相定子電流在空間中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場中的電磁力作用下運(yùn)動(dòng)，永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子與普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)基本相同，采用疊片結(jié)構(gòu)以減小電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的鐵耗。與普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)不同的是永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁體磁極，見圖1、圖2。普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場是由感應(yīng)產(chǎn)生勵(lì)磁電流而存在，普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流約為額定電流的三分之一左右。永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是永磁體磁極，不需勵(lì)磁電流，也就沒有勵(lì)磁電流產(chǎn)生的損耗。因此永磁同步電動(dòng)機(jī)效率高，同時(shí)功率因數(shù)也高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，永磁同步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)效率可達(dá)95 %以上，永磁同步電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)功率因數(shù)≥0.98。永磁同步電動(dòng)機(jī)不僅在額定負(fù)載時(shí)效率較高，而且在25 %～120 %額定負(fù)載范圍內(nèi)維持較高的效率，這是普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)達(dá)不到的。憑借永磁同步電機(jī)固有許多優(yōu)勢，從技術(shù)發(fā)展的角度來看，永磁同步電機(jī)必將成為下一帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主流機(jī)型，應(yīng)用前景無限廣闊。

圖1 永磁同步電動(dòng)機(jī)外形正視圖Fig.1 Front view of PMSM

圖2 永磁同步電動(dòng)機(jī)外形側(cè)視圖Fig.2 Side view of PMSM

2 永磁同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

在礦井提升機(jī)傳動(dòng)上使用的同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)必須是自控變頻調(diào)速系統(tǒng)。使用的變頻調(diào)速器必須是能驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的變頻器。永磁同步電動(dòng)機(jī)采用了轉(zhuǎn)子定向的矢量控制方式，必須實(shí)時(shí)地測出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置角才能確定dq坐標(biāo)系。實(shí)現(xiàn)對(duì)定子電流矢量在交軸分量的控制就能實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制，這就是矢量控制的原理。因此，實(shí)時(shí)獲取定子電流幅值大小及轉(zhuǎn)子位置就成了磁場定向控制的關(guān)鍵所在。

轉(zhuǎn)子位置檢測一般用光電編碼器，不同品牌的變頻器要求不同類型的光電編碼器來檢測轉(zhuǎn)子位置，常用的有2種：①是絕對(duì)值式編碼器；②是UVW相位信號(hào)的編碼器。絕對(duì)值式編碼器有多道光通道刻線，每讀取一道刻線，就獲得1個(gè)位置數(shù)據(jù)，每一個(gè)位置的編碼都是唯一的，不需要控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的參考點(diǎn)對(duì)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，也無需記憶數(shù)據(jù)位置；UVW相位信號(hào)的編碼器根據(jù)電機(jī)運(yùn)行位置的變化輸出UVW相位信號(hào)，該編碼器的每轉(zhuǎn)周期數(shù)要與永磁同步電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)一致。

采用何種轉(zhuǎn)子位置檢測元件，與變頻器的控制策略有關(guān)。選擇了變頻器，就要選配與該變頻器控制策略相適應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置檢測元件。

該項(xiàng)目我們選用帶UVW換向信號(hào)(用于永磁電機(jī)的絕對(duì)位置)的正向/反向增量型編碼器。編碼器輸出波形見圖3。

圖3 編碼器輸出波形圖Fig.3 Encoder output waveform

3 低速直聯(lián)提升機(jī)系統(tǒng)

提升機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)改造前狀態(tài)，見圖4。提升系統(tǒng)設(shè)備主要由電機(jī)、減速機(jī)、提升機(jī)、潤滑及液壓系統(tǒng)組成。這種傳動(dòng)方式存在傳動(dòng)鏈長效率低、使用維護(hù)成本高、故障率高等缺點(diǎn)。

圖4 改造前提升機(jī)傳動(dòng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of hoist transmission before transformation

提升機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)改造后狀態(tài)見圖5。使用永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)提升機(jī)摩擦輪，取締原傳動(dòng)效率低的電機(jī)+減速機(jī)組合傳動(dòng)鏈，永磁同步電機(jī)安裝于原減速機(jī)基礎(chǔ)之上。改造前后現(xiàn)場對(duì)比見圖6。

圖5 改造后提升機(jī)傳動(dòng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of hoist transmission after transformation

圖6 改造前后現(xiàn)場對(duì)比圖Fig.6 Comparison of the scene before and after the transformation

該傳動(dòng)系統(tǒng)采用低速直聯(lián)永磁同步變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)取代直流電動(dòng)機(jī)及減速器，這也是國內(nèi)采用低速直聯(lián)永磁同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的第一個(gè)礦井提升機(jī)系統(tǒng)，有如下優(yōu)點(diǎn)。

3.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)效率高

(1)由于永磁同步電機(jī)的磁場是由轉(zhuǎn)子上嵌入的永磁體建立的，運(yùn)行工作時(shí)轉(zhuǎn)子與定子磁場同步，從而取消了勵(lì)磁繞組，減少了勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生的損耗，也不存在轉(zhuǎn)子電阻和磁瀉損耗。異步電機(jī)電機(jī)在輕負(fù)荷下工作時(shí)，效率和功率因數(shù)都會(huì)有明顯下降；而永磁同步電機(jī)在輕負(fù)荷下工作時(shí)的效率和功率因數(shù)下降甚微。

(2)系統(tǒng)效率高：永磁同步電機(jī)可以達(dá)到高轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速的要求，因此傳動(dòng)系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直驅(qū)系統(tǒng)，因減少中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，從而提高了傳動(dòng)效率。傳動(dòng)效率方面改造后使用的永磁同步電機(jī)效率為95.3 %，原使用的直流電機(jī)效率為81 %，減速器傳動(dòng)效率為95 %，齒輪聯(lián)軸器傳動(dòng)效率為99.5 %，彈性聯(lián)軸器傳動(dòng)效率為99.5 %。

改造前傳動(dòng)效率η前=81 %×95 %×99.5 %×99.5 %=76 %；

改造后傳動(dòng)效率η后=95.3 %×99.5%=95 %；

與改造前對(duì)比，效率提高了19 %。

3.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)高

由于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁體勵(lì)磁，無感應(yīng)勵(lì)磁電流，定子繞組是阻性負(fù)載，所以功率因數(shù)可以接近于1，節(jié)約了無功功率，減小了定子電流以及輸電線路的損耗，且與電機(jī)極數(shù)無關(guān)。而異步電機(jī)隨著極數(shù)的增加，功率因數(shù)越來越低。

3.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單

(1)永磁電動(dòng)機(jī)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子繞組結(jié)構(gòu)基本相同，區(qū)別在于轉(zhuǎn)子上內(nèi)嵌了高質(zhì)量的永磁體磁極，所以電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單。

(2)由于永磁同步電機(jī)的電機(jī)極數(shù)可制作到120極以上，達(dá)到高轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速的要求，從而電機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，省去噪聲大，損耗高、故障高的減速機(jī)，使機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為簡單可靠，減少傳動(dòng)系統(tǒng)的使用空間。

(3)由于永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)電機(jī)極數(shù)時(shí)靈活性高，因此可以設(shè)計(jì)成多極電機(jī)，這樣可以縮短電機(jī)無效部分端部的長度，從而減小電機(jī)的體積，特別在使用空間上較為緊張的場合，利用其多極數(shù)的特點(diǎn)，可以將電機(jī)設(shè)計(jì)成盤式結(jié)構(gòu)，充分體現(xiàn)了永磁同步電機(jī)的優(yōu)勢。

3.4 傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性高

由于永磁同步電機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，去掉可靠性不高的減速箱，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。

3.5 體積小、溫升范圍小、比功率大

永磁同步電機(jī)具有體積小、溫升范圍小、比功率大的優(yōu)勢，在驅(qū)動(dòng)低轉(zhuǎn)速大扭矩負(fù)載時(shí)該優(yōu)點(diǎn)更為明顯：①是電機(jī)極數(shù)增多，電機(jī)體積可以縮?。虎谑请姍C(jī)轉(zhuǎn)子由永磁體勵(lì)磁沒有電阻損耗，定子繞組是阻性負(fù)載沒有無功電流，所以電機(jī)的損耗降低，電機(jī)溫升范圍??；③是高性能永磁材料的應(yīng)用，電機(jī)的比功率大，與同容量異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)體積有較大的減少。

4 結(jié) 語

為保證礦井提升系統(tǒng)安全、高效的運(yùn)行，對(duì)礦井提升機(jī)進(jìn)行更新改造，通過使用目前國內(nèi)最新的永磁同步變頻電機(jī)直驅(qū)，達(dá)到提高系統(tǒng)的安全、可靠性，提高傳動(dòng)效率，實(shí)現(xiàn)易于操作，減少維修工作量和降低設(shè)備運(yùn)行成本的目的。與普通同功率異步電動(dòng)機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有體積小、重量輕、效率高、功率因素高、過載能力強(qiáng)以及轉(zhuǎn)速恒定、力矩波動(dòng)小、溫升低、安全可靠、壽命長等一等系列優(yōu)點(diǎn)。