劉坤良，徐永福，杜 波，李文灑

1中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽(yáng) 471039

2智能礦山重型裝備全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

礦 井提升機(jī)是利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)卷筒，卷筒帶動(dòng)鋼絲繩牽引提升容器，沿井筒或斜坡道進(jìn)行提升的機(jī)械設(shè)備。它主要用于提升煤炭、礦石、矸石，下放材料，升降人員和設(shè)備，是聯(lián)系礦井井下和地面的“咽喉”設(shè)備。傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)效率低，能耗大，維護(hù)量大，可靠性差；現(xiàn)急需一種效率高、可靠性高、節(jié)能降耗的傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)滿足礦山節(jié)能減排、綠色生產(chǎn)需求[1]。

1 礦井提升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)

礦井提升機(jī)根據(jù)原理不同，分為單繩纏繞式、多繩摩擦式、多繩纏繞式提升機(jī)。纏繞式和摩擦式提升機(jī)根據(jù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類型不同，其傳動(dòng)系統(tǒng)可分為以下兩種。

1.1 異步高速電動(dòng)機(jī)+減速器傳動(dòng)系統(tǒng)

礦井提升機(jī)采用異步高速電動(dòng)機(jī)時(shí)，其傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1 所示，通常稱之為Ⅰ型。它包括異步高速電動(dòng)機(jī)、彈性棒銷聯(lián)軸器、減速器、齒輪聯(lián)軸器、主軸裝置。該傳動(dòng)系統(tǒng)比較成熟，雖然其傳動(dòng)鏈軸向方向尺寸較大，占地空間較大，效率低，故障點(diǎn)多，維護(hù)量大，但是由于一次性投入相對(duì)較少，在礦山開采中應(yīng)用較多，主要用于中小規(guī)格礦井提升機(jī)。

圖1 Ⅰ型多繩摩擦式提升機(jī)傳動(dòng)方式Fig.1 Drive mode of type I multi-rope friction hoist

1.2 電勵(lì)磁低速直聯(lián)同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)

礦井提升機(jī)采用電勵(lì)磁低速直聯(lián)同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，其傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2 所示，通常稱之為Ⅲ型。電動(dòng)機(jī)與提升機(jī)共用主軸；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子采用錐孔過(guò)盈配合與提升機(jī)主軸相連，傳扭能力大；利用液壓工具進(jìn)行安裝及拆卸，技術(shù)成熟；軸向尺寸較小，占地空間小。由于需要對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電勵(lì)磁，損耗較大，且需對(duì)碳刷和滑環(huán)進(jìn)行維護(hù)，該傳動(dòng)系統(tǒng)主要應(yīng)用于中大型礦井提升機(jī)。

圖2 Ⅲ 型多繩摩擦式提升機(jī)傳動(dòng)方式Fig.2 Drive mode of type III multi-rope friction hoist

2 變頻調(diào)速永磁電動(dòng)機(jī)工作原理及特點(diǎn)

2.1 工作原理

永磁電動(dòng)機(jī)采用永磁體磁極代替電流勵(lì)磁的磁極，磁鋼設(shè)置在轉(zhuǎn)子中，不需要輸入電流就可以產(chǎn)生磁場(chǎng)。在運(yùn)行過(guò)程中，借助永磁體產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)。永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)不需要無(wú)功勵(lì)磁電流，可以顯著提高效率和功率因數(shù)，減少定子電流和定子損耗[2]。

2.2 特點(diǎn)

相比于異步電動(dòng)機(jī)，永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有勵(lì)磁繞線組，轉(zhuǎn)子銅耗較少，負(fù)載率相同時(shí)，其功率因數(shù)比同規(guī)格的異步電動(dòng)機(jī)可提高 10%～15%[3-4]，效率也高于異步電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)與永磁電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)與效率對(duì)比如圖3、4 所示。

圖3 功率因數(shù)對(duì)比曲線Fig.3 Comparison curves of power factor

圖4 效率對(duì)比曲線Fig.4 Comparison curves of efficiency

與電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)相比，永磁電動(dòng)機(jī)在性能方面與之相當(dāng)，但永磁電動(dòng)機(jī)具有自己的優(yōu)勢(shì)。永磁電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)多，額定頻率點(diǎn)高，易于實(shí)現(xiàn)超低速運(yùn)行；不需要?jiǎng)?lì)磁電流，也不存在碳刷和集電環(huán)之間的接觸損耗，維護(hù)簡(jiǎn)單，整體效率高，運(yùn)行更加節(jié)能[5]。

2.3 變頻驅(qū)動(dòng)調(diào)速工作原理

變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成。它將電網(wǎng)提供的恒壓、恒頻的交流電轉(zhuǎn)變成提升機(jī)所需要的新的電壓和頻率的交流電，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的無(wú)極調(diào)速，來(lái)滿足礦井提升機(jī)不同提升階段的速度需求[6]。低速直聯(lián)永磁同步變頻驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)配備永磁直驅(qū)變頻器，運(yùn)行穩(wěn)定，過(guò)載能力強(qiáng)，更適用于礦井提升機(jī)運(yùn)行工況。

3 低速直聯(lián)永磁同步變頻驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

礦井提升機(jī)采用低速直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，具體布置如圖5 所示。永磁同步電動(dòng)機(jī)與提升機(jī)主軸裝置直接采用齒輪聯(lián)軸器連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軸向尺寸小，占地面積小。由于省掉了減速器及潤(rùn)滑站，傳動(dòng)鏈大大縮短，提高了傳動(dòng)效率，節(jié)約了維護(hù)及用油成本，提高了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率。

圖5 低速永磁直驅(qū)礦井提升機(jī)傳動(dòng)方式Fig.5 Drive mode of mine hoist with low-speed permanent magnet direct drive

礦井提升機(jī)采用永磁同步電動(dòng)機(jī)直驅(qū)，使用永磁專用變頻器，電流/轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可消除起車超調(diào)及啟動(dòng)沖擊，實(shí)現(xiàn)零速滿轉(zhuǎn)矩輸出，停車穩(wěn)定無(wú)沖擊，更適用于提升機(jī)運(yùn)行工況。

3.2 與傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)的對(duì)比

以 JKM-2.8×4 多繩摩擦式提升機(jī)為例，其提升系統(tǒng)參數(shù)：采用 ZZDP900 行星齒輪減速器；提升機(jī)主軸負(fù)載功率按 1 120 kW 計(jì)算；提升機(jī)年工作 330 d，每天 3 班，每班 8 h。永磁同步低速直聯(lián)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)比情況如表1、2所列。

表1 傳動(dòng)效率對(duì)比分析Tab.1 Comparative analysis of drive efficiency

表2 節(jié)能效果對(duì)比分析(滿載運(yùn)行)Tab.2 Comparative analysis of energy saving effect(full-loading operation)

由表1、2 可知，低速直聯(lián)永磁同步變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)均占優(yōu)勢(shì)。它占地空間小，總傳動(dòng)效率高，故障點(diǎn)少，維護(hù)量小，節(jié)能效果顯著，符合礦山節(jié)能減排、綠色生產(chǎn)需求。

4 提升機(jī)永磁變頻驅(qū)動(dòng)電控系統(tǒng)

礦井提升機(jī)永磁變頻驅(qū)動(dòng)電控系統(tǒng)主要由高低壓開關(guān)柜、PLC 控制柜、永磁專用變頻器、控制板、接口板、位移傳感器、磁開關(guān)等組成。

礦井提升機(jī)永磁變頻驅(qū)動(dòng)電控系統(tǒng)為了滿足礦井提升機(jī)的工況需求，采用六大核心技術(shù)，包括有源前端四象限控制技術(shù)、最大轉(zhuǎn)矩電流比矢量算法、載波移項(xiàng)多電評(píng)級(jí)聯(lián)技術(shù)、靜態(tài)轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)技術(shù)、雙電動(dòng)機(jī)平衡控制技術(shù)、堵轉(zhuǎn)及懸停控制技術(shù)。

(1)有源前端四象限控制技術(shù)基于虛擬磁鏈和 dq矢量變換，電流響應(yīng)快，能量快速雙向流動(dòng)；

(2)最大轉(zhuǎn)矩電流比矢量算法技術(shù)基于 Foc 高性能矢量控制算法，動(dòng)態(tài)特性好，起制動(dòng)平滑；

(3)載波移相多電平級(jí)聯(lián)技術(shù)基于載波移相技術(shù)實(shí)現(xiàn)多電平級(jí)聯(lián)，輸出電壓高，波形正弦、諧波?。?/p>

(4)靜態(tài)轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)技術(shù)高頻信號(hào)注入，無(wú)需開車自動(dòng)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，擺脫編碼器限制；

(5)雙電動(dòng)機(jī)平衡控制技術(shù)基于高速光纖通信及主從轉(zhuǎn)矩平衡控制，轉(zhuǎn)矩不平衡度≤ 1%；

(6)堵轉(zhuǎn)及懸?？刂萍夹g(shù)通過(guò)轉(zhuǎn)矩前饋、限幅等技術(shù)實(shí)現(xiàn)堵轉(zhuǎn)及懸停功能，防止溜車，停車沖擊小。

主控系統(tǒng)采用以上核心技術(shù)具備高可靠性，可實(shí)現(xiàn)小于 0.1 m/s 超低速運(yùn)行及零速懸?？刂?，保證提升機(jī)制動(dòng)更加平穩(wěn)。

5 低速直聯(lián)永磁同步變頻驅(qū)動(dòng)應(yīng)用

目前，中信重工生產(chǎn)的單繩纏繞式、多繩摩擦式礦井提升機(jī)均已廣泛采用低速直聯(lián)永磁同步變頻傳動(dòng)，并已應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中，如圖6 所示。其中，圖6(a)為單繩纏繞式提升機(jī)；圖6(b)為多繩摩擦式提升機(jī)，它用于內(nèi)蒙古大中礦業(yè)，這也是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)首次在多繩摩擦式礦井提升機(jī)上使用永磁同步低速直聯(lián)變頻驅(qū)動(dòng)。該項(xiàng)目為中信重工機(jī)-電-液成套供貨，配備自主研發(fā)的 CHIC1000PM 系列提升機(jī)永磁直驅(qū)四象限高壓變頻器。經(jīng)過(guò)調(diào)試，該設(shè)備順利投運(yùn)，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況良好，性能穩(wěn)定。

圖6 低速直驅(qū)永磁同步傳動(dòng)礦井提升機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用Fig.6 Field application of mine hoist with low-speed direct drive permanent magnet synchronous drive

6 結(jié)論

(1)礦井提升機(jī)采用低速直聯(lián)永磁同步變頻驅(qū)動(dòng)，較傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)占地空間小，日常維護(hù)量小，可靠性高。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)利用變頻器技術(shù)，可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩大小，低速性能好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，節(jié)能效果顯著。它在給用戶維護(hù)帶來(lái)便利和實(shí)際效益的同時(shí)，也符合國(guó)家礦山節(jié)能減排、綠色生產(chǎn)需求。

(2)礦井提升機(jī)老舊設(shè)備改造項(xiàng)目可參考采用低速永磁直驅(qū)同步傳動(dòng)方案。

(3)目前應(yīng)用的低速直聯(lián)永磁同步變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由于齒聯(lián)傳扭能力限制，提升機(jī)規(guī)格相對(duì)較小，后期可開發(fā)錐孔直聯(lián)式永磁同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于大型礦井提升機(jī)。