顏景高 黃世寧

【關鍵詞】永磁電動滾筒;變頻直驅(qū);東懷煤礦

【中圖分類號】TD45 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）06-0092-03

0 引言

隨著電子信息技術及永磁技術的不斷進步，我國煤礦輸送機領域逐漸從傳統(tǒng)的驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑淖冾l驅(qū)動。永磁電機最早被應用于航空領域，這得益于永磁材料效率高和成本低的優(yōu)點，后來逐漸被應用于工業(yè)領域。我國煤礦過去大多采用限矩形液壓耦合器驅(qū)動或調(diào)速型液力耦合器驅(qū)動，這些驅(qū)動方式需要將電機進行減速后方可進行，導致經(jīng)常出現(xiàn)車輪銷軸鎖死或電機減速機故障。智能永磁變頻系統(tǒng)不需要復雜的運行調(diào)整程序，實現(xiàn)了啟停與調(diào)速功能。東懷煤礦應用永磁電動滾筒對傳統(tǒng)帶式輸送機驅(qū)動方式優(yōu)化與改造，為其他煤礦輸送機的改進提供了借鑒經(jīng)驗。

1 永磁電動滾筒概述及其特點

智能永磁變頻電動滾筒由3個部分構成，分別是永磁電動滾筒、智能型變頻器及水冷等附屬裝置。運行原理可簡單地概述為機械能和電能的轉(zhuǎn)化。由于永磁滾筒是由永磁材料制作，因此不存在勵磁損耗問題，永磁體可以構建永磁場，當繞組以一定的頻率通入交流電后，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場推動滾筒轉(zhuǎn)動，也減少了使用過程中的材料損耗，使設備的使用壽命大大延長。此外，在滾筒表面包裝防火材料，可以降低井下安全事故發(fā)生的概率。

永磁變頻電動滾筒效率較高，根據(jù)國際標準，永磁變頻電機的能耗比傳統(tǒng)電機低20%左右。目前，國內(nèi)各個永磁電機廠家都已經(jīng)得到了“MA”認證，產(chǎn)品技術成熟，已經(jīng)遠銷海內(nèi)外 [1]。

永磁智能變頻驅(qū)動系統(tǒng)啟動可以實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩啟動，啟動階段沒有明顯的沖擊效應，機械機構設計科學合理，能夠大大降低沖擊力，減少系統(tǒng)應力累積，這樣不僅可以提高電子零部件壽命，還解決了帶式輸送機重載啟動的問題。

在智能永磁電動滾筒的設計中，由于轉(zhuǎn)子使用了永磁體，因此無須勵磁，能耗進一步降低。經(jīng)常使用的電機轉(zhuǎn)子材料由燒結釹鐵硼制成，牌號通常為N38UH或N38SH，能夠在不高于180 ℃的溫度下持續(xù)工作，設計使用壽命長達20年，使用壽命內(nèi)基本不會退磁。

采用永磁變頻直流驅(qū)動時可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)驅(qū)動更大的轉(zhuǎn)矩，更大的轉(zhuǎn)矩能夠滿足更重的載荷啟動。采用特定的智能變頻器可以實現(xiàn)兩倍甚至多倍的額定載荷，不僅有利于完成繁重的生產(chǎn)任務，也不容易發(fā)生安全事故或設備故障。在智能變頻器中增加溫度、壓力、速度傳感器后，進一步實現(xiàn)了輸送帶的智能化控制，而且在設備能耗降低的基礎上增強了人機互動，降低了勞動強度。

智能永磁變頻電動滾筒結構簡單、可靠，設備安裝非常方便，直接使用輸送機膠帶運轉(zhuǎn)，有利于煤礦的后期維護和檢修，降低了工人的體力勞動強度，節(jié)省了人力成本 [2]。

在調(diào)速方面，永磁電機使用同步智能伺服控制器，可以根據(jù)膠帶輸送的載荷量調(diào)整輸送機的運行速度，降低了驅(qū)動設備的磨損合能耗，為設備壽命提供技術保障。此外，這種多驅(qū)動電機可以使功率控制更加精確，輸送過程更加平穩(wěn)，保證輸送過程順利進行。

在便捷性方面，智能永磁變頻電動滾筒擁有多種通信接口，可及時與上位機組進行數(shù)據(jù)交換，并且擁有良好的欠壓、過流及短路保障措施，能夠保證輸送機在突發(fā)電力故障時的安全性，降低生產(chǎn)風險 [3]。

2 與傳統(tǒng)驅(qū)動方式的比較

在煤礦生產(chǎn)中，輸送機是不可缺少的關鍵設備，而輸送機的驅(qū)動系統(tǒng)則是整個輸送機的核心。只有擁有一個安全可靠的驅(qū)動系統(tǒng)，才能保證輸送機正常使用，保證煤礦安全、有效地運行和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。近年來，隨著帶式輸送設備的飛速發(fā)展，驅(qū)動系統(tǒng)的結構和功能發(fā)生了翻天覆地的變化。目前，常見的輸送機驅(qū)動方式有CST可控驅(qū)動系統(tǒng)、電機與減速器聯(lián)用驅(qū)動系統(tǒng)及永磁變頻驅(qū)動。CST可控驅(qū)動系統(tǒng)是由美國DODGE公司開發(fā)的技術，系統(tǒng)設置復雜，是由減速器、PLC、傳感系統(tǒng)、液壓控制器及冷卻系統(tǒng)構成。減速器的設置由一連串嚙合齒輪、行星輪系及托架等構成，通過調(diào)整內(nèi)齒圈的轉(zhuǎn)速得到負載需要的速度特性，最終實現(xiàn)輸送機的啟停和減速。因此，雖然在帶速和負載能力調(diào)節(jié)方面，CST系統(tǒng)和永磁變頻驅(qū)動相差不大，但是CST更加復雜，出現(xiàn)故障后一般不能通過及時修理恢復使用，液壓元件的價格昂貴，長期使用容易發(fā)生漏油事故，制造了安全隱患。此外，在輸送機的使用過程中，“傳統(tǒng)電機+減速器+聯(lián)軸器”的驅(qū)動方式能耗較高，效率和運載能力相對較低。如圖1所示，變頻永磁直驅(qū)系統(tǒng)在諸多的驅(qū)動系統(tǒng)中，憑借高效可靠、結構簡單、維修容易的特點異軍突起，并伴隨永磁材料的進一步發(fā)展并逐漸完善，適合帶式輸送機使用，越來越多煤礦更愿意使用永磁變頻驅(qū)動 [4]。

永磁變頻滾筒在東懷煤礦的應用過程中，解決了一些實際生產(chǎn)問題。

（1）重載啟動方面。首先，過去的“變頻異步電動機+聯(lián)軸器+減速機”及CST啟動都有平衡性差的缺點，很容易造成安全隱患。使用永磁變頻滾筒后，通過采用多機驅(qū)動的方式，保證了電機輸出功率平衡，將不平衡度維持在2%以下。其次，永磁點擊直接連接滾筒和膠帶，可以保證傳動及時，沒有延遲，傳動效率大幅度提高，可以節(jié)能10%～20%，節(jié)能效果顯而易見。最后，使用永磁變頻滾筒能夠?qū)崿F(xiàn)智能控制和集中控制，能提高煤礦的信息化和智能化水平，降低勞動強度。

（2）節(jié)能效益方面。傳統(tǒng)的“電機+聯(lián)軸器+減速器”的驅(qū)動方式軸功率按照100 kW計算，每年耗電量接近200萬kW·h。使用永磁變頻電機每年耗電量為140萬kW·h左右。使用永磁變頻電機在同樣的軸功率下，可以節(jié)能30%。從綠色環(huán)保的角度來看，使用永磁變頻電機可以明顯降低能耗，產(chǎn)生更好的經(jīng)濟效益。

（3）設備設計方面，永磁電動滾筒的du/dt相對較低，能夠有效避免電機絕緣層及電機軸承損壞，大幅度延長電機的壽命。IGBT承受的反向電壓較低，僅有直流母線電壓的1/2，降低散熱成本相對較低。此外，整體結構設計較緊湊，占地面積小，實現(xiàn)了多機功率平衡同步控制。

3 智能型永磁電動滾筒的應用

東懷煤礦使用的智能永磁電動滾筒分為4個層次，分別是感知層、數(shù)據(jù)通信層、數(shù)據(jù)信息支撐層及應用層。首先，設備感知層通過可以編程的控制器去采集每個永磁變頻滾筒的數(shù)據(jù)信息，包括各個細節(jié)的信息，例如運行記錄信息、抱閘狀態(tài)、冷卻器狀態(tài)及各個未知的溫度信號等。其次，數(shù)據(jù)通信層利用以太網(wǎng)或者光纖將可編程控制器采集到的信息通過4G通信模塊傳輸?shù)较到y(tǒng)中。再次，數(shù)據(jù)信息支撐層充分利用WDT“看門狗”，保證了驅(qū)動系統(tǒng)的安全性和可靠性，使故障率降到最低。最后，應用層通過設置實現(xiàn)對整個永磁電動滾筒的信息監(jiān)控，保證用戶個性化的使用需求，可以方便地進行信息添加、刪除、修改或者更新。

在物聯(lián)網(wǎng)平臺方面，智能永磁電動滾筒擁有4個特點。第一，具備實時監(jiān)控功能，能夠?qū)崿F(xiàn)設備在線狀態(tài)、運行頻率、電壓電流、持續(xù)運行時間及故障信息的實時監(jiān)控，所有信息都可以在系統(tǒng)內(nèi)存儲和及時調(diào)閱，并能夠上傳至電腦和手機，形成故障記錄，出現(xiàn)異常可及時通知。第二，在故障管理和推送方面，可以實現(xiàn)故障的設置、記錄、統(tǒng)計、推送及查詢功能，在一定時間內(nèi)保存歷史故障，對發(fā)生故障的類型、起止時間、故障等級、故障原因等及時記錄，并根據(jù)這些記錄系統(tǒng)自動分析發(fā)生故障的類型和等級，在一定時間內(nèi)及時統(tǒng)計每種故障發(fā)生的比例，與其他時間段進行對比，便于使用人員分析設備狀態(tài)，尋找設備故障原因，根據(jù)故障原因評判是否需要進行檢修或更換零部件等。第三，在系統(tǒng)管理層面，智能型的永磁電動滾筒信息平臺可將用戶按照不同等級進行分級，分級不同，權限不同，可以設置為管理層、維修層及普通層，不同層面的權限實現(xiàn)功能不同。第四，在設備的安裝和調(diào)試方面，客戶可以按照平臺的指導說明，定期查看運行記錄，跟蹤設備運行狀態(tài)，及時保養(yǎng)設備 [5]。

4 結語

永磁電動滾筒的成熟度和推廣前景隨著在各個煤礦的實際應用中得到廣泛驗證，東懷煤礦使用智能永磁電動滾筒不僅安全可靠，還為煤礦創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟效益。永磁電動滾筒已經(jīng)開始逐步取代傳統(tǒng)的“異步電動機+聯(lián)軸器+減速器”的驅(qū)動模式，為國家能源行業(yè)發(fā)展做出了巨大貢獻，尤其在工作條件復雜的煤礦中，保證了煤礦生產(chǎn)所需要的輸送能力要求及帶式輸送機的安全和高效，對煤礦的節(jié)能減排有重要意義。永磁電動滾筒的智能化將成為下一階段發(fā)展的主要方向，可以預見，我國的煤礦輸送機效率低、能耗大、維護復雜、工人勞動強度大的問題將隨著永磁電機的發(fā)展得到徹底解決，勢必在國際市場上占有重要地位。

參 考 文 獻

[1]李自菊，雷正保，曾雁.基于制動系統(tǒng)的CST電控系統(tǒng)智能設計[J].交通科學與工程，2010，26（2）：71-77.

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[3]張樂.煤礦帶式輸送機永磁同步電機變頻驅(qū)動技術與傳統(tǒng)驅(qū)動技術比較分析及應用前景展望[J].電子世界，2015（16）：194-195.

[4]張慶奇.試論永磁變頻同步電動機直驅(qū)帶式輸送機在煤礦井下的應用研究[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量，2019，39（14）：131-132.

[5]侯賓.智能變頻永磁直驅(qū)多模式驅(qū)動在煤礦主運強力膠帶運輸系統(tǒng)的應用[J].中國化工貿(mào)易，2018，10（22）：134.