周建平
(山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司王家?guī)X煤礦,山西 忻州 036600)
晉能控股煤業(yè)集團王家?guī)X煤礦18106 工作面現(xiàn)場配置刮板輸送機型號為SGZ1250/3×1200,基本參數(shù)如下:供貨長度320 m;輸送量≥3500 t/h;總裝機功率3×1200 kW;刮板鏈速0~2.0 m/s;供電電壓3300 V;槽內(nèi)寬1250 mm;中部槽長度2050 mm,刮板鏈規(guī)格為Φ52/128×170 mm 超扁平鏈;銷軌型式為整體鍛造(節(jié)距172 mm);卸載方式為交叉?zhèn)刃?;緊鏈方式為液壓馬達(dá)緊鏈+伸縮機尾輔助緊鏈(手動加自動)。
18106 工作面SGZ1250/3×1200 型刮板輸送機2021 年2 月前采用傳統(tǒng)的普通鼠籠式電機+液力耦合器+減速器的傳統(tǒng)驅(qū)動方式。耦合器采用閥控型液力耦合器,其主要結(jié)構(gòu)如圖1。該驅(qū)動方式啟動后電機一直維持在一個恒定的速度運轉(zhuǎn),基本不隨負(fù)載的變化而變化。因此,該傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)在實踐應(yīng)用中存在傳動效率低、能耗高、電流大、發(fā)熱高、存在無功功率、網(wǎng)側(cè)功率因素低等問題,對驅(qū)動系統(tǒng)進行永磁同步變頻一體機的優(yōu)化改進[1-2]。
圖1 閥控型液力耦合器結(jié)構(gòu)示意圖
18106 工作面刮板運輸機使用3 臺1200 kW/3300 V 礦用隔爆兼本質(zhì)安全型永磁同步變頻一體機驅(qū)動,永磁變頻一體機均由一根3300 V 主動力電纜供電,整個運輸系統(tǒng)可通過KXJ-0.5/127 智能控制箱實現(xiàn)多臺設(shè)備主從控制運行,驅(qū)動系統(tǒng)如圖2。
圖2 永磁同步變頻一體機智能驅(qū)動系統(tǒng)示意圖
變頻一體機供電可通過組合開關(guān)或由3300 V 移動變電站直接供電,每臺一體機供電僅需一根輸入電纜即可,電源側(cè)輸入電纜推薦選用MVFP-1.9/3.3 3×95+3×50/3 型變頻裝置用橡套軟電纜。
刮板輸送機永磁同步變頻一體機智能驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計方案設(shè)備配置明細(xì)見表1。
表1 設(shè)備配置明細(xì)表
根 據(jù)18106 工 作 面SGZ1250/3×1200 型 刮 板輸送機的工作現(xiàn)場實況,選用TYJVFT1-450M4-6(1200/3300)型礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓永磁同步變頻調(diào)速一體機,完全適用于1200 kW 功率范圍及以下三相永磁同步電動機的變頻調(diào)速控制。
2.4.1 技術(shù)參數(shù)
外 形 尺 寸 長× 寬× 高=2522 mm×950 mm×1220 mm;組合形式為驅(qū)動變頻器及永磁電機一體化設(shè)計;電動機類型為三相永磁同步電動機;額定功率1200 kW;額定效率≥95%;功率因數(shù)≥0.95;額定轉(zhuǎn)速1500 r/min;最大轉(zhuǎn)速1800 r/min;電機額定扭矩7640 N·m;堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩≥2.5;最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩≥2.2;額定輸入電壓3AC3300V(-15%~+10%);額定輸入電流228 A;輸入頻率50 Hz;逆變形式及逆變元件為PWM、IGBT;控制模塊為西門子/倍福PLC 等同品質(zhì)產(chǎn)品;變頻主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為三電平拓?fù)洌煌ㄐ沤涌跒镃AN總線。
2.4.2 結(jié)構(gòu)特征
該變頻一體機外形分為電動機部分和變頻部分。電動機為單獨的隔爆腔體,變頻部分又分為變頻主腔和電源輸入腔兩個獨立的隔爆腔體。變頻主隔爆腔位于電動機上部,電源輸入腔安裝于電動機非驅(qū)動端。動力電纜通過電纜連接器引入,控制電由內(nèi)部控制變壓器提供,不需要外部供電。冷卻方式為水冷,永磁同步電動機與變頻主腔均有獨立的冷卻水道,通過軟管連接形成整體冷卻。一體機冷卻水進水口在變頻部分的水冷板上,出水口在電動機上。
變頻一體機電氣系統(tǒng)主要由變頻部分和電動機部分組成,其中變頻部分又由主電路、控制單元、驅(qū)動單元、顯示屏等組成,如圖3。
圖3 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
該變頻一體機采用礦用隔爆兼本質(zhì)安全型可編程控制箱。變頻一體機控制箱技術(shù)參數(shù):長×寬×高=740 mm×330 mm×538 mm;臥裝或掛裝;額定輸入電壓127 VAC ;額定輸入電流0.5 A。一體機控制箱可控制不少于10 臺一體機的啟停及速度,控制方式采用CAN 總線通信控制加先導(dǎo)控制模式。一體機控制箱可實現(xiàn)對一體機的控制模式選擇、速度調(diào)整、啟動加速度調(diào)整、停機、驅(qū)動電機數(shù)目并脫機控制的功能??刂葡渚邆銻S485 硬件接口和以太網(wǎng)接口,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳及遠(yuǎn)程控制功能。一體機控制箱具備的檢測及保護功能:通過通信讀取每臺一體機的繞組、前后軸、腔室溫度、腔室濕度等,實現(xiàn)保護功能且保護值可設(shè)定。
2.4.3 變頻一體機冷卻
一體機采用水冷進行散熱,一體機有左右兩側(cè)對稱的進出水口,根據(jù)電機的安裝形式可以將變頻部分一側(cè)作為進水口,另一側(cè)與電機一側(cè)進出水口相連,作為電機進水口,剩余為出水口,一體機應(yīng)從變頻部分進水電機出水。一體機單臺冷卻要求:流量≥3 m3/h、水溫15~40 ℃、水壓≤3 MPa。進出水口如圖4。
圖4 變頻一體機冷卻系統(tǒng)示意圖
18106 工作面SGZ1250/3×1200 型刮板輸送機于2021 年3 月完成了永磁同步一體機驅(qū)動的升級改造后,投入到了實踐應(yīng)用當(dāng)中,應(yīng)用情況如下:
永磁同步一體機驅(qū)動的應(yīng)用可實現(xiàn)SGZ1250/3×1200 型刮板輸送機重載調(diào)速啟動,減少機械和電氣沖擊,延長設(shè)備使用壽命。永磁變頻一體機零速啟動轉(zhuǎn)矩更大,重載啟動條件下有效降低啟動電流(2 倍額定電流以內(nèi)),減少設(shè)備啟動對網(wǎng)側(cè)的壓降影響,提升系統(tǒng)供電效率。
永磁同步一體機驅(qū)動系統(tǒng)配置簡單,布置空間小,拆裝快捷,安裝及改造周期短。對比傳統(tǒng)驅(qū)動方式,每臺電機接線省去一根動力電纜,降低成本及工人維護量。
異步電機轉(zhuǎn)子磁場通過交變電流產(chǎn)生,形成轉(zhuǎn)子熱源;永磁體轉(zhuǎn)子無電流,不產(chǎn)生熱源,軸承溫度低、壽命長。通過試驗數(shù)據(jù)對比分析,700 kW永磁一體機滿載情況下,軸承溫升較異步一體機低40~50 ℃。永磁一體機軸承溫升優(yōu)勢明顯,作為電機的關(guān)鍵器件,電機轉(zhuǎn)子和軸承溫升低會顯著延長電機的生命周期。
煤礦工作面遠(yuǎn)距離供電供液將成為現(xiàn)場機電設(shè)備發(fā)展的趨勢之一,一是為減少甚至取消設(shè)備列車使用,二是實現(xiàn)供電設(shè)備的靜態(tài)放置,有利于檢修和維護。同時,礦井底板壓力比較大的工作面,遠(yuǎn)距離供電供液已成為必要的選擇。
常規(guī)變頻器遠(yuǎn)距離供電受兩方面制約:① 變頻器自身輸出距離存在限制,目前尚不能實現(xiàn)5000 m(1140 V 產(chǎn)品為1500 m)以上供電距離;② 變頻輸出電源為高頻PWM 波形,即便通過各種諧波抑制措施,仍會存在不同程度的電磁干擾,影響第三方系統(tǒng)正常使用。
變頻一體機遠(yuǎn)距離供電的優(yōu)勢:① 不需考慮遠(yuǎn)距離供電的壓降因素,一體機啟動時,前級供電電纜電流很小,不會產(chǎn)生明顯的壓降;② 完全消除了電磁干擾影響,且對遠(yuǎn)距離供電電纜無特殊要求。
永磁同步一體機驅(qū)動系統(tǒng)除本身自帶的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)、CAN 等通信接口外,同時具備DDS 智慧礦山標(biāo)準(zhǔn)通信接口。能夠滿足煤礦后期智能化升級改造的需求。
SGZ1250/3×1200 型刮板輸送機按每天運行20 h 計算,平均有功功率占70%,永磁同步一體機驅(qū)動總的電能節(jié)省率為25%。經(jīng)計算,該設(shè)備每天節(jié)約電能為12 600 kW·h,每年可節(jié)約電能4.536×106kW·h,即每年能節(jié)約電費約270 萬元。對比永磁同步一體機驅(qū)動改造之前,SGZ1250/3×1200 型刮板輸送機設(shè)備的維護、沖擊、磨損以及人工成本每年可節(jié)約20 萬元左右。永磁同步一體機驅(qū)動的改造研究,每年可為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟效益約290 萬元,經(jīng)濟效益顯著。