永磁电机直驱技术在推车机上的应用分析

http://www.chinaqking.com 期刊门户-中国期刊网2019/4/22来源:《电力设备》2018年第31期文/张翌
[导读]摘要:本文主要讲解了利用永磁电机技术于翻车机卸车系统的推车机这一问题,论述了直驱技术与传统布置的优势,并且对卸车工作进行优化,使其效率更高,对此提出了一些建议,如详细的布置方法和与其相配套的方案,在推车机方面,针对其通过永磁电机的方案来提高效率进行了比较分析,同时展开了更深入的探讨。

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        摘要:本文主要讲解了利用永磁电机技术于翻车机卸车系统的推车机这一问题,论述了直驱技术与传统布置的优势,并且对卸车工作进行优化,使其效率更高,对此提出了一些建议,如详细的布置方法和与其相配套的方案,在推车机方面,针对其通过永磁电机的方案来提高效率进行了比较分析,同时展开了更深入的探讨。
        关键词:翻车机系统;推车机;永磁电机
        当今社会,经济快速发展,电厂和钢厂等也在这一时期内大大增加了对煤炭的需要量,然而,传统的翻车机卸车方法对电厂和钢厂的能源消耗都比较多,一般使用变频电机软启动方法,这种方法的启动时间过长,卸车的效率也不高,同时电机、减速机以及联轴器的功率常常被损耗,并有多故障,维修难度高等特点。如果放弃电机、减速机以及联轴器,转而使用永磁电机来直接驱动的话,就能取得低速大扭矩的效果,节省能耗,环保无污染,所以,用永磁电机应用来研究翻车机系统的推车机更为合理。
        一、理论概述
        (一)翻车机系统的构成
        在铁路上,一般通过翻车机系统来对大宗货物列车开展卸车工作,当前阶段,其在煤矿、港口等处的卸车工作上都有应用。因为它各个部分的拥有着不一样的机械功能,一般将翻车机系统分为如下几种设备。
        1.调车设备
        调车设备一般以作业的要求为准,调动铁路上的重车或者空车至其相对应的位置,以便于后续工作的开展。由于翻车机系统工艺比较多样化,调车设备往往会将定位车和推车机这两个部分都包含在内。
        2.卸车设备
        一般来说,卸车设备的工作过程如下:首先翻转敞开式列车的车厢,然后把里面货物卸下,在进行这一工作时一般把列车的纵向轴线作为轴心,以此进行旋转运动。卸车设备往往通过转子型翻车机运行,而卸车设备机械的运作方法比较多样化,一般有O型转子翻车机和C型转子翻车机这两种。转子翻车机容纳列车车厢也是数量不一,一般有单车翻车机、双车翻车机、三车翻车机以及四车翻车机这四种。
        3.给料装置及其它辅助设备
        给料装置及其它辅助设备就是把料斗的物料运输至皮带以及堆料场,要求做到连续、均匀,它们一般由受料漏斗和以及给料装置等组成,不同的作业方式有不同的给料方式,如皮带给料、震动给料等。翻车机系统的调车设备、卸车设备以及给料装置这三个部分严格来说是一个整体,要让系统能正常运行,三者缺一不可,因此,这几个设备都同样重要。要做好每一个设备的工作,兼顾三者,才能让翻车机系统的作业有更好的效率,如果各个部分的设备不能做到自动高效,翻车机系统的正常运行就无法得到保障。
        (二)翻车机系统工作原理
        机械作业的进行过程中,经过内燃机车后,满载货物的重车行驶入作业现场的前方,而后机车放钩,转向,定位车推动列车进入翻车机的主体之中,翻车机通过关闭夹轮器、靠车板和压车器将列车固定住。之后以矿车列车的横轴作为轴心,进行145 度的旋转,在卸货工作完毕之后,再往相反的方向进行145度的旋转,让翻车机回到正常位置。在此时,打开压车器、靠车板和夹轮器,空车则用推车机把其推出来,这样,完整的卸载过程就结束了。在此之后的每一节列车都依照相同的步骤进行货物的卸载。
        (三)推车机运行分析
        推车机一般使用三台110千瓦的异步单机进行驱动,运用变频电机、变频器进行调控。推车机的布置方案即如下图1所示。
       
        图1推车机
       
        图 2推车机运行电流曲线
        通过对翻车机的现场开展了调查,通过观察得知,现场使用的三台电机功率为110千瓦,其推车能力约为64节空车。以其中两台电机为例,从现场运行电流曲线能了解到,这两台电机的电流匹配度较差,其中,1#电机电流远远大于2#电机电流,双驱功率不够均衡,1#电机处在过载运行的状态,2#电机则处在轻载运行的状态,一直如此,则1#电机的工作寿命会受到折损,而2#电机的电机效率不高,导致电能被浪费其电流曲线如下图2所示。对推车机的运作情况的开展研究,以技术交流以及收集的相关数据为准,通过负载曲线、现实运作情况来完成对永磁同步电动机的设计,针对永磁电机的优势以及特性,使用永磁同步电动机来对推车机进行直接驱动。观察运行电流的曲线,可知电机以200秒的周期运行,但有120秒的时间并未运转,在工作的过程中,电机一般都处在轻负载运行的状态中,总电流约为42A,在推整列车的时候,总的过电流达到最大225A。按照一定的安全裕量,按比例折算永磁电机的最大电流在 200A。因为电机在大多数时间内都处于停止或轻载状态,电机温升基本上都和使用情况相符合,所以,永磁电机一般用自然冷却的方法。结合永磁电机具备的高过载能力,如果遇到车辆阻力变大或者其他意外情况,那么就要负载让永磁电机的过载能力提升至2.2倍才能完成工作。
        二、永磁直驱电机的发展概况
        (一)永磁直驱电机的应用
        直至80年代,钕铁硼被研究人员所发现,这也是一种稀土永磁材料,其性价比非常高。此后,美国的通用汽车公司以及日本的住友特殊金属公司都对这一稀土永磁体进行了研究工作,在研究中深入观察了永磁电机的运行特性以及自起动型永磁电机等问题,同时获得了相当显著的收获。此后,一直到90年代,全世界的研究人员们一直没有停止过对永磁电机的数学模型、静态特性和动态建模方面的研究。在研究过程中,还对永磁电机的数学模型的创建问题以及交叉耦合的问题进行了分析探究,同时提出了通过观察电机的交、直轴分量来进行解耦工作的方式。在永磁电机交叉耦合问题的处理上,我国的很多研究人员都提到,通过永磁电机的电枢反应来研究电机的交、直轴电感,通过这一方法探察永磁电机的交叉耦合在电机方面发挥的作用。自从永磁电机被发明以来,其发展之快可以说是日新月异,研究人员从各个方面出发对永磁电机开展了许多富有价值的研究,以此不断改进健全永磁电机在各方面的性能,低速大转矩永磁直驱电机的研究就是以此为基础的,这一理论在大范围内都发展开来,影响了很多领域。当然,各领域的需求得到满足,让低速大转矩永磁直驱电机能充分体现其高效率、大功率等的优势,还应当继续对它的设计参数等进行改善,促使其进步。
        在对低速大转矩永磁直驱电机的进行推广宣传的进程之中,对稀土永磁材料的需求量也随着时间越来越大。但是稀土矿脉的过度开采毕竟会对环境造成较为负面的影响,而且过多的永磁体的需求量也在很大程度上增加了电机的生产成本,在电机的设计中,要尽量做到即让电机维持其性能,又要节省稀土永磁材料的用量,这将成为以后的重要研究对象。因为永磁同步电机的磁极是永磁体,并且从低速大转矩永磁直驱电机的方面来说,其气隙之中所存在的磁场能量相当大,这给它的齿槽转矩的幅值都带了很多影响。从不同的角度来看,气隙磁密波形和梯形平顶波有相似之处,因此,由于谐波磁密带来的影响,永磁同步电机的转矩常常会出现较大的波动。对永磁同步电机来说,铁芯方面的损耗计算过于繁杂,要努力提高计算的精确度同时让永磁同步电机在铁芯方面的耗费降低,这是它以后在设计方面需要重点关注的。
        (二)永磁电机的可行性及优点
        1.推车机永磁直驱电机技术
        以推车机系统的要求特性以及低速永磁直驱电动机在性能上的独特设计,推车机一般采用永磁直驱系统,其构成部分一般为低速永磁直驱电动机以及变频器,这一系统存在很多优势,比如说:放弃了异步电机和减速机,选择低速永磁直驱电动机,将其和负载直接联接,中间则用无齿轮箱进行连接,以此让传动链更简洁明了。用变频控制的方法保证它的转动速度能保持在 10%~110% 额定转速之间,同时让它能在 10%~120% 这一额定的负载范围内进行运作,提升高效性和稳定性。
        表1推车机永磁直驱电机技术参数
       
        2.永磁电机优点
       
        图3永磁电机尺寸外形图
        如图3所示是永磁电机的外形,永磁电机的优点很多,具体如下:
        (1)其结构不复杂,体积合适、噪音较少,低振动、运行时比较稳定。(2)将减速机这一部分取消,机械的效率更高了,安装比较方便。(3)比较环保,节能性高,电动机转子的结构是永磁体,不会出现铜和铁的损耗,其功率因数可以超过97%,运行效率则能超过95%。(4)在做无级调速时系统一般利用变频控制,让电机不论在何种环境运作都能比较稳定。(5)起动转矩大,运用变频矢量控制技术,起动时对电网及机械性能无冲击。(6)永磁直驱系统在减速器方面没有需求,只要变频器就可,使用的过程中也不需要齿轮油,减少了成本,让维护更快捷。(7)使用寿命很长,高达二十年左右。和永磁同步电机相配套的变频器性能较高,能对永磁同步电机起到比较好的控制作用。变频器方面则是用矢量控制的方法,在低速区的具输出能力也比较高,许多种类的通讯接口和PG卡都可使用,动态性能、过载能力等功能和性能都很强大。
        表2变频器技术参数
       
        三、案例应用分析
        (一)实例现状分析
        大连华锐重工企业在宝钢BOO项目中运用了永磁电机直驱技术,通过对现场情况的观察选用了一台六十千瓦的永磁电机进行使用,其推车机的推送能力一般能承受25节空车,重量课承载700吨,若有意外情况,也可且让过载量达到2.2倍之高,这和现场的使用情况是相符合的。当前阶段,永磁电机这一技术在相当多的领域中都有运用,它具备很多优势,比如说:节能环保、维护量较小等等,目前在煤矿下的皮带机和电厂冷却塔等系统中都以开始投入运用。其投入使用的时间大约已有四年,在使用过程中,通过用户的反映来看,其效果都非常好,其在技术方面已经比较成熟,能够节省很多费用,维护量也较少;从工地情况以及使用原理方面来看,其在推车机方面的使用也非常安全稳定。宝钢本部的炼铁厂17SR堆取料机斗轮的某些方面的驱动也即将选用永磁电机。
        (二)节能效益计算
        从翻车机卸车系统推车机运作情况看我们可以知道:平均每天推车机进行运作的时间大约7小时,平均每年进行生产工作的时间是330天,原来的异步电机一般工作都低于35%低负荷。因此,它的效率比额定的效率要低很多,一般是85%,而永磁电机则是93%。在不一样的负荷状态下,异步电机与永磁电机效率的比较如图4所示。
       
        图4永磁电机与异步电机效率随负荷变化曲线对比
        原来的驱动系统以及智能永磁直驱系统这两者在电能消耗方面的比较如下表所示。在满负荷的情之况下,其在系统中所占的运行比例是20%,在低负荷的情况之下则是 80%。异步传动系统满负荷传动总效率为77.4%,低负荷则为54.7%;智能永磁直驱系统满负荷传动总效率为91.1%,低负荷则为90%。按照每度电0.7元计算。异步驱动系统在一年中满负荷的用电费用:60×7×330×0.35/0.774×0.7=4.39 万元。智能永磁直驱系统在一年中满负荷的用电费用:60×7×330×0.35/0.911×0.7=3.73万元。异步驱动系统在一年内低负荷的用电费用:60×7×330×0.35/0.547×0.7=6.21万元。智能永磁直驱系统在一年内低负荷的用电费用:60×7×330×0.35/0.9×0.7=3.77 万元。智能永磁电机驱动系统在一年内节省的用电费用:(4.39×0.2+6.21×0.8)-(3.73×0.2+3.77×0.8)=2.08 万元。由此可知,每一年在设施方面一共可节省2.08万元左右的电费,同时还能让维修停机的时间以及备件费用得到节省。
        结语:综上所述,在经济快速发展的背景下,翻车机系统将会代替人工作业,工作效率得到提升。然而,仍然要持续对翻车机系统进行改进完善,以此符合越来越高效化、自动化的作业的需求。笔者同时还从翻车机系统推车机的改进方面展开了一些论述。把永磁电机应用到翻车机系统推车机中,这是有效提升卸车系统运行效率的方法,同时还起到了环保节能的作用,在电厂、钢厂的运营中必不可少,能大大提升经济效益,还能节约成本。但是,不能只对推车机进行调整改进,这还不够,还应当把翻车机系统的其余部分都变得更加自动化以及高效化,这样才能让翻车机系统在整体方面变得更高效稳定。
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