楊淘清

（金牛摩爾能源投資開發(fā)有限公司， 山西 太原 030024）

引言

皮帶輸送機作為煤礦主要原煤輸送設(shè)備，采用傳統(tǒng)異步電機驅(qū)動系統(tǒng)存在啟動困難、功耗高、故障率高等問題，嚴(yán)重影響礦井的正常生產(chǎn)秩序。智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)具有啟動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強、效率和功率因數(shù)高等優(yōu)點。為保證皮帶輸送機的穩(wěn)定運行，采用智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的驅(qū)動裝置直接驅(qū)動皮帶輸送機，實踐效果良好，有效提升了礦井運輸系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。

1 永磁直驅(qū)系統(tǒng)的優(yōu)勢

永磁直驅(qū)系統(tǒng)由變頻器通過矢量控制永磁同步電動機直接驅(qū)動傳動滾筒，實現(xiàn)了動力由多級傳動機構(gòu)到一級傳動機構(gòu)的傳遞。其中永磁同步電動機轉(zhuǎn)子采用稀土永磁體（釹鐵硼）取代電勵磁，無額外的勵磁損耗，且沒有轉(zhuǎn)子損耗，因而礦用重載輸送系統(tǒng)大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電動機本身效率要高于感應(yīng)電動機，尤其是輕載運行的節(jié)能效果更明顯。

電機額定功率一般是參照設(shè)備的生產(chǎn)能力選定。但是，在各種機械實際裝備過程中，為了實現(xiàn)負載時低轉(zhuǎn)速大扭矩要求，通常采取“異步電機+齒輪減速機”的方式。永磁直驅(qū)系統(tǒng)的創(chuàng)新應(yīng)用替換傳統(tǒng)的機械驅(qū)動裝置中異步電機、減速器和液力耦合器的作用和功能，可直接產(chǎn)生驅(qū)動力，具有結(jié)構(gòu)簡化、效率高、便于維護的優(yōu)點。永磁直驅(qū)系統(tǒng)較傳統(tǒng)的異步電機驅(qū)動系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

1）啟動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強。傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)使用的異步電動機的啟動轉(zhuǎn)矩通常是額定轉(zhuǎn)矩的130%，無法實現(xiàn)系統(tǒng)滿載啟動，而永磁直驅(qū)系統(tǒng)所使用的永磁直驅(qū)電機的啟動轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的220%，當(dāng)工況需要滿載或者過載起動時，無須人工卸載即可直接啟動，避免因堵轉(zhuǎn)、過載而造成的電機損壞。

2）高效節(jié)能。傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)的傳動效率在70%以下，所用的Y 系列異步電機的能耗僅為國際IE1，而永磁直驅(qū)系統(tǒng)的傳動效率一般在93%以上，采用的永磁同步電機能耗達到國際IE4，綜合節(jié)能效率比傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)提高了20%以上。

3）系統(tǒng)免維護。由于該系統(tǒng)不需要減速機、機械軟啟動裝置，因此在實際使用中無須更換潤滑油、檢修齒輪箱，能夠節(jié)約使用成本、降低維護工作量。

4）驅(qū)動系統(tǒng)智能化。永磁直驅(qū)系統(tǒng)運用無傳感器矢量控制技術(shù)（SVC）變頻啟動，能實現(xiàn)系統(tǒng)傳動的緩慢勻速啟動，避免了電機啟動的瞬間大電流給電網(wǎng)帶來的沖擊，以及轉(zhuǎn)矩波動給傳動系統(tǒng)帶來的機械沖擊，由此降低故障率。當(dāng)系統(tǒng)需要多電機驅(qū)動時，通過主從控制可實現(xiàn)功率平衡，能夠避免因出力不均而造成的電機損壞。

2 永磁同步電機的設(shè)計選型

2.1 永磁同步電機的選型計算

電機轉(zhuǎn)速n 由公式（1）確定：

式中：v 為皮帶輸送機轉(zhuǎn)速；D 為驅(qū)動滾筒直徑。

皮帶輸送機所需驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T 由公式（2）確定：

式中：K 為安全系數(shù)；P 為軸功率。

通過計算，可以得出皮帶輸送機總體所需轉(zhuǎn)矩，根據(jù)驅(qū)動電機的數(shù)量，計算出單臺電機的轉(zhuǎn)矩，然后即可對照永磁電機選型表，選出滿足需求的永磁電機的規(guī)格。

2.2 電氣控制系統(tǒng)的選型

永磁同步電動機需配備礦用隔爆兼本質(zhì)安全型低壓交流變頻器，該變頻器選型依據(jù)為變頻器額定功率為電機功率的1.2 倍左右，同時，還應(yīng)具備電機溫度動態(tài)監(jiān)測功能。

3 故障分析

3.1 故障現(xiàn)象

永磁同步電動機如果出現(xiàn)電機三相溫度偏差較大，會出現(xiàn)異常振動現(xiàn)象。首先需要售后人員抵達現(xiàn)場后進行儀器測量，如果三相電阻出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，基本可確定電機出現(xiàn)繞組匝間短路。

一般匝間短路出現(xiàn)在繞組首包線的首匝，是由于電壓尖峰導(dǎo)致絕緣擊穿，繼而引發(fā)的匝間短路。兩電平變頻雖然已得到了廣泛應(yīng)用，但實際中仍存在諧波嚴(yán)重、電壓尖峰較高等問題。

3.2 兩電平變頻器分析

兩電平變頻器的電路結(jié)構(gòu)和控制都比較簡單，具有技術(shù)成熟、效率高、動態(tài)性能好、體積小、成本低等優(yōu)點，在軋機、起重機、電力機車牽引及風(fēng)機、水泵調(diào)速等方面得到了廣泛應(yīng)用。但兩電平逆變對單管的耐壓要求高，每個IGBT 承受一半的母線電壓，這限制了兩電平在高壓中的應(yīng)用，而且有兩電平結(jié)構(gòu)輸出電壓的du/dt 大、所含低次諧波分量相對較高等缺點。

三相輸入電壓經(jīng)整流濾波后，通過PWM 控制等方法使開關(guān)元器件IGBT 高速導(dǎo)通和關(guān)斷。電壓源型兩電平變頻器的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 兩電平電路拓撲結(jié)構(gòu)圖

變頻器輸出的脈寬調(diào)制電壓波形為固定幅值的矩形波脈沖電壓，脈沖頻率是按正弦規(guī)律變化的矩形波脈沖電壓在產(chǎn)生濾波時通過電纜來傳輸，并在電機的接線端子產(chǎn)生強大電壓，使電機承受電壓尖峰，損壞電機。

如圖2 所示，此為一臺兩電平變頻器啟動時在電機側(cè)的波形，此時的電壓尖峰已接近市面上大多數(shù)電機的絕緣耐壓值。

圖2 兩電平結(jié)構(gòu)現(xiàn)場電機側(cè)波形圖

在電壓尖峰時易損壞電機絕緣，未保護絕緣體通常由電動機端子上的電壓峰值和上升時間以及變頻器產(chǎn)生的脈沖頻率決定繞組絕緣的電介質(zhì)應(yīng)力。一部分應(yīng)力是由施加到線圈主絕緣的電壓水平確定，其他部分受匝間絕緣限制而由脈沖上升時間確定。兩電平變頻器雖然應(yīng)用廣泛，但其電壓尖峰對于電動機來說，仍然具有較大的隱患。

3.3 三電平變頻器介紹

針對兩電平變頻器存在不足，高壓多電平得到快速發(fā)展。中點箝位式三電平拓撲是一種較好的實現(xiàn)方式。其基本機構(gòu)如圖3 所示。

圖3 中點箝位式三電平電路拓撲結(jié)構(gòu)圖

與兩電平變頻器相比，三電平變頻器有如下優(yōu)點：輸出電壓或電流波形接近正弦，諧波分量?。粶p少電磁干擾難題，一次動作的dv/dt 只有普通兩電平的1/（M-1），每個開關(guān)器件承受的直流側(cè)電壓值為兩電平的1/2；開關(guān)頻率降低，損耗小；電壓尖峰減小，有利于電機可靠穩(wěn)定運行。

通過三電平結(jié)構(gòu)輸出波形效果如圖4 所示。同兩電平變頻器相比，三電平變頻器的輸出波形更接近于正弦波，諧波含量明顯得到減少。

圖4 三電平結(jié)構(gòu)輸出波形效果圖

三電平變頻器每個IGBT 上承受的電壓為兩電平的1/2，其電壓尖峰也得到有效的降低。三電平變頻器實際正常運行時在電機側(cè)，電壓尖峰值在正常運行時只有2200 V 左右，與兩電平的尖峰相比得到了明顯的減小，對于電機絕緣材料來說，此電壓尖峰值不會對電機產(chǎn)生影響。不僅正常運行中三電平電壓尖峰低，在啟動時，三電平的尖峰也得到有效的控制。啟動時雖然尖峰會有提高，但電壓尖峰值僅有2500 V 左右。在電壓尖峰方面，三電平相比兩電平變頻器具有較大的優(yōu)勢。

3.4 匝間短路的研究處理

對于匝間短路故障的產(chǎn)生，可從以下幾個方面進行處理，避免此次現(xiàn)象的發(fā)生：

1）加強永磁同步電機的絕緣處理，在容易引起電壓尖峰造成匝間短路的線圈處加強絕緣1/2 并疊加5446 云母帶。

2）采用多電平結(jié)構(gòu)可有效降低變頻器的電壓階躍，特別是三電平結(jié)構(gòu)，在不增加費用前提下即可降低電壓尖峰的影響。

3）加強電機的散熱處理，采用直冷水進行散熱。

3.5 三電平變頻器應(yīng)用中存在的問題

3.5.1 平衡性能及從機過壓問題

由于主機工作在速度控制模式，從機工作在轉(zhuǎn)矩控制模式，極易出現(xiàn)空載多驅(qū)功率平衡性能不好和從機報過壓故障等問題[1]。

3.5.2 減速過壓問題

為避免電動機停止過快對皮帶、逆止器等設(shè)備造成機械沖擊損傷，故停車方式采用減速停車，但此時改造皮帶為主運中間轉(zhuǎn)運皮帶，其前方有煤倉，為避免出現(xiàn)堆煤等現(xiàn)象，須在短時間內(nèi)減速停車。

3.6 三電平變頻器故障分析及解決措施

3.6.1 功率平衡略差及從機過壓分析

在實際的運行中，從機運行的速度受到兩個因素影響：系統(tǒng)設(shè)定最大速度和負載轉(zhuǎn)矩。上限頻率是由變頻器設(shè)定參數(shù)決定。當(dāng)從機負載轉(zhuǎn)矩小于主機通過CAN 總線設(shè)定的轉(zhuǎn)矩時，速度上升；反之，則速度降低。皮帶輸送機系統(tǒng)中，各滾筒、電機參數(shù)必然有微小差別。各電機輸出的轉(zhuǎn)矩和功率也有微小不同。當(dāng)主機發(fā)送給從機的轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩，并且運行速度達到最大允許速度時，因受速度限制此時主機給定的轉(zhuǎn)矩從機不能響應(yīng)，造成主從機功率不平衡。

3.6.2 減速過壓分析

變頻器驅(qū)動電機減速運行，若減速過快，動能變成電能，反充到變頻器中造成變頻器過壓。特別是矢量控制中，變頻器會盡可能大的輸出發(fā)電轉(zhuǎn)矩以最快的減速度減速，在此過程中非常容易產(chǎn)生過壓保護[2]。

3.6.3 解決措施

針對功率平衡略差和從機過壓問題，在控制程序中加入偏差上限參數(shù)，從而使從機的最大轉(zhuǎn)速允許略高于主機所設(shè)置的最大轉(zhuǎn)速上限，以免出現(xiàn)從機轉(zhuǎn)速高于主機轉(zhuǎn)速時出現(xiàn)電壓過調(diào)制，引起功率不平衡和過壓故障。

針對減速過壓問題，則需要經(jīng)過計算仿真和反復(fù)論證，在程序中加入控制算法，在減速停車時對發(fā)電轉(zhuǎn)矩進行限制，從源頭上抑制電動機發(fā)電，從而避免發(fā)電功率過大，回饋到母線造成過壓故障。

4 智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)在煤礦皮帶輸送機的實際應(yīng)用效果

永磁直驅(qū)系統(tǒng)在煤礦皮帶輸送機中應(yīng)用，大幅提升了運行效率，具有運行故障率低、噪聲小、免維護等優(yōu)點。具體應(yīng)用效果如下：

1）取消了減速機、液力耦合器和同步齒輪等故障率高的機械裝置。結(jié)構(gòu)簡單，便于后期的維護與檢修。

2）永磁直驅(qū)系統(tǒng)的傳動效率較傳統(tǒng)驅(qū)動方式，效率提升20%。

3）實現(xiàn)了電機、變頻器、水箱等的溫度實時監(jiān)測和反饋，便于及時調(diào)節(jié)生產(chǎn)和發(fā)現(xiàn)故障。