永磁直驅(qū)方式在煤礦主斜井膠帶機(jī)改造中的應(yīng)用

李山

摘要：介紹了目前煤礦主斜井膠帶機(jī)采用的CST軟啟動和“變頻器+減速機(jī)”驅(qū)動方式的優(yōu)缺點(diǎn)。對近年來興起的膠帶機(jī)永磁直驅(qū)方式的特點(diǎn)和節(jié)能效果進(jìn)行了分析，并提出了目前主斜井膠帶機(jī)進(jìn)行永磁直驅(qū)方式改造時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)，對今后煤礦主斜井膠帶機(jī)永磁直驅(qū)方式改造具有良好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：永磁直驅(qū)方式;CST軟啟動;變頻器+減速機(jī);主斜井膠帶機(jī)

0 引言

神東煤炭集團(tuán)在我國率先建成了2億t礦井生產(chǎn)群，其所屬礦井多采用斜井平硐開拓方式。神東煤礦主斜井采用的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)帶式輸送機(jī)是各礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。在神東煤炭集團(tuán)2005年之后建成投產(chǎn)的礦井中，主斜井膠帶機(jī)多采用2.3 kV或3.3 kV中壓變頻驅(qū)動方式，而2005年以前建成投產(chǎn)的礦井，其主斜井膠帶機(jī)仍采用CST軟啟動驅(qū)動方式。隨著輸送機(jī)使用年限的增長和過煤量的增加，其驅(qū)動裝置大部分接近使用壽命期限，零部件采購及設(shè)備維修困難，輸送機(jī)驅(qū)動裝置升級改造的壓力越來越大。

1 傳統(tǒng)的膠帶機(jī)驅(qū)動方式

1.1? ? CST軟啟動方式

CST軟啟動裝置由機(jī)械傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。裝置功率輸出端采用離合器控制，易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)驅(qū)動和功率平衡。其仍存在很多缺陷，包括維護(hù)工作量大，成本相對較高，液壓系統(tǒng)需用專用油，濾芯更換頻繁，連續(xù)運(yùn)行時(shí)漏油、發(fā)熱現(xiàn)象嚴(yán)重，傳動效率低，故障率較高等，因此，目前該驅(qū)動方式基本上已經(jīng)被“變頻器+減速機(jī)”驅(qū)動方式替代。

1.2? ? “變頻器+減速機(jī)”驅(qū)動方式

“變頻器+減速機(jī)”驅(qū)動方式具備實(shí)時(shí)調(diào)速功能，可按照皮帶機(jī)的S曲線實(shí)現(xiàn)軟啟動、軟制動。由于系統(tǒng)啟動電流小，在啟動過程中形成的輸送帶張力波動小，可降低對輸送帶強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求，且配套的變頻器更易實(shí)現(xiàn)低速驗(yàn)帶功能?！白冾l器+減速機(jī)”驅(qū)動方式的設(shè)備整體維護(hù)量相比于CST軟啟動方式大幅減小，但系統(tǒng)在減速機(jī)環(huán)節(jié)會損失部分效率，且減速機(jī)維護(hù)工作仍較煩瑣。

2 永磁直驅(qū)方式的特點(diǎn)

近年來興起的永磁直驅(qū)系統(tǒng)具有簡化傳動鏈、體積小、質(zhì)量輕、效率高、可靠性高、響應(yīng)快、轉(zhuǎn)矩慣量比高、功率密度大、啟動轉(zhuǎn)矩大、功率因數(shù)大以及節(jié)能等特點(diǎn)。交流異步電機(jī)作為一種節(jié)能電機(jī)，是目前最常用的電力拖動裝置。隨著永磁直驅(qū)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)領(lǐng)域，如發(fā)電、船舶、航空、航天、運(yùn)輸?shù)?，永磁同步電機(jī)開始逐步取代最常用的交流異步電機(jī)。

隨著永磁電機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)很多礦井已經(jīng)在煤礦主斜井膠帶機(jī)中嘗試使用結(jié)構(gòu)簡單的永磁直驅(qū)方式。

2.1? ? 結(jié)構(gòu)相對簡單

將“變頻器+永磁同步電機(jī)”構(gòu)成的軟啟動裝置，取代原有驅(qū)動裝置中的異步電機(jī)、耦合器、減速機(jī)、高速軸聯(lián)軸器，解決了傳統(tǒng)驅(qū)動裝置體積過于龐大的問題。該軟啟動裝置利用永磁同步電機(jī)低速、大扭矩的特性，與驅(qū)動滾筒直接相連，取消了高速聯(lián)軸器、減速機(jī)等機(jī)械傳動設(shè)備，減少了設(shè)備振動和噪聲來源，提高了傳動效率，解決了減速機(jī)維護(hù)率較高的問題。

2.2? ? 重載啟動平穩(wěn)

帶式輸送機(jī)在輸煤過程中會出現(xiàn)帶被壓死、撕帶、跑偏等非正常停機(jī)現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)過程中，必須考慮設(shè)備的重載啟動能力。永磁同步電機(jī)直驅(qū)采用的是閉環(huán)矢量控制方式，其低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，仍可輸出1.5～2倍的額定轉(zhuǎn)矩，保證了設(shè)備的重載啟動平穩(wěn)。永磁同步電機(jī)可以使帶式輸送機(jī)啟動更加平穩(wěn)，減少設(shè)備啟動過程中的機(jī)械沖擊，延長膠帶機(jī)系統(tǒng)的使用壽命。

2.3? ? 易于功率平衡

煤礦主斜井膠帶機(jī)系統(tǒng)一般為多機(jī)驅(qū)動，為了保證系統(tǒng)內(nèi)多臺電機(jī)的功率（轉(zhuǎn)矩）平衡分配，可利用變頻器或PLC內(nèi)部的PI調(diào)節(jié)器對防爆變頻調(diào)速裝置進(jìn)行速度和轉(zhuǎn)矩控制，控制方式為基于速度調(diào)節(jié)的過程控制。變頻器的功率平衡模式針對同軸連接和彈性連接進(jìn)行設(shè)計(jì)，減少了帶式輸送機(jī)啟動過程中的振蕩，提高了啟動的穩(wěn)定性。

2.4? ? 良好的軟啟動、軟停止特性

帶式輸送機(jī)、提升機(jī)、刮板機(jī)等的大慣量、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，要求設(shè)備應(yīng)具備軟啟動、軟停止等功能。變頻器可根據(jù)礦井運(yùn)行的實(shí)際情況，任意設(shè)置啟動、停止時(shí)間，具備啟動時(shí)的加速度和停車時(shí)的減速度可調(diào)功能。某輸送機(jī)軟啟動特性曲線如圖1所示。

同時(shí)，為了平穩(wěn)啟動，變頻器還需要根據(jù)自身情況，設(shè)定帶式輸送機(jī)的S型加減速時(shí)間，將機(jī)械系統(tǒng)起停時(shí)產(chǎn)生的沖擊減至最小。

2.5? ? 具備低速驗(yàn)帶功能

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中存在的安全隱患，煤礦主斜井膠帶機(jī)通常要求系統(tǒng)具備低速驗(yàn)帶功能。變頻器設(shè)計(jì)選型時(shí)，需滿足以5%額定帶速長期運(yùn)行的低速驗(yàn)帶要求。

2.6? ? 節(jié)能效果良好

以采用660 V電壓等級、500 kW單電動機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)為例，分析永磁直驅(qū)方式和“變頻器+減速機(jī)”驅(qū)動方式的節(jié)能效果對比情況，如表1所示，可以明顯看出永磁直驅(qū)方式省去了減速機(jī)效率傳動環(huán)節(jié)，節(jié)能效果明顯，節(jié)電率達(dá)到12%。

3 永磁直驅(qū)方式改造的注意事項(xiàng)

永磁直驅(qū)方式雖然具備很多優(yōu)點(diǎn)，但煤礦主斜井膠帶機(jī)采用該方式進(jìn)行改造時(shí)仍存在以下問題：

（1）永磁同步電機(jī)采用永磁體勵磁，且需要變頻器控制，因此造價(jià)偏高。

（2）永磁同步電機(jī)采用水冷結(jié)構(gòu)，需要外置水冷卻器，比傳統(tǒng)異步電機(jī)的冷卻系統(tǒng)復(fù)雜。

（3）永磁同步電機(jī)需要配套變頻器使用，對變頻器依賴性較大，對于變頻器的穩(wěn)定性要求較高。

（4）永磁同步電機(jī)極對數(shù)多，導(dǎo)致體積龐大，重量遠(yuǎn)超普通異步電動機(jī)，在使用場所上受限較多，需要對現(xiàn)有建構(gòu)筑物承載力進(jìn)行分析。

4 結(jié)語

目前，神東煤炭集團(tuán)所屬礦井膠帶機(jī)采用的CST軟啟動裝置以及“變頻器+減速機(jī)”驅(qū)動裝置已經(jīng)接近使用壽命期限，亟需升級改造。膠帶機(jī)永磁直驅(qū)方式具有節(jié)能高效、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)量小等特點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)的膠帶機(jī)驅(qū)動方式有著明顯優(yōu)勢。隨著新一代永磁技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機(jī)的成本會逐步降低，永磁直驅(qū)方式將會在煤礦主運(yùn)輸系統(tǒng)中得到普及，其推廣應(yīng)用前景非常廣闊。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王旭強(qiáng)，王德龍.智能伺服永磁直驅(qū)技術(shù)在煤礦主斜井皮帶運(yùn)輸機(jī)中的應(yīng)用[J].山東煤炭科技，2017（12）：128-130.

[2] 吳晶.煤礦帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)電，2017（2）：56-58.

[3] 董天文.永磁直驅(qū)系統(tǒng)在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)（理論版），2019（5）：1-2.

[4] 趙建勇.永磁變頻電動機(jī)直驅(qū)帶式輸送機(jī)在煤礦井下的應(yīng)用研究[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2018（24）：14-15.

[5] 田永超，楊曉敏.永磁同步變頻直驅(qū)系統(tǒng)在煤礦井下膠帶輸送機(jī)中的應(yīng)用[J].能源與環(huán)保，2017（8）：186-189.