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永磁同步电动滚筒与异步电机减速机驱动技术

发表时间：2021/6/17 来源：《基层建设》2021年第6期作者：张永利1 吴振2 沈立利3

[导读] 摘要随着科学技术的发展，设备启动运行技术不断提升，方式不断更新，逐步向安全、可靠、节能方向发展，本文以带式输送机控制方式为例，对改造前后的异步电机减速机驱动、永磁同步电机变频驱动控制进行分析比较，从而进一步认识到先进技术的应用给企业带来的效益。

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        摘要随着科学技术的发展，设备启动运行技术不断提升，方式不断更新，逐步向安全、可靠、节能方向发展，本文以带式输送机控制方式为例，对改造前后的异步电机减速机驱动、永磁同步电机变频驱动控制进行分析比较，从而进一步认识到先进技术的应用给企业带来的效益。
        关键词永磁同步异步驱动技术
        引言
        我公司一煤矿由30万吨/年技改为60万吨/年，新建设主井，设计2000米，原主井与原回风井合并为新回风井，拆除原主井带式输送机，前期在新主井安装带式输送机1000米。原主井带式输送机为DTL120/60/2×200型，倾角α=0-17°，长720m，带宽1200mm，速度为2m/s，输送能力为600t/h，PVG1600S阻燃胶带，电动机功率为2×200kW，电动机+液力耦合器+减速机驱动滚筒达到带式输送机运转。该驱动形式带式输送机传动效率低，能耗大，环节多，噪音大，日常检查、检修、维护工作量大，且已不能适应60万吨/年矿井运输的需要。
        1 驱动方式确定
        传统的电动机+液力耦合器+减速机驱动滚筒的方式，存在较多的问题，越来越不适应煤炭企业节能减排、安全性能、智能化要求。原主井带式输送机已出现能耗高、噪音大、维修量大等问题。且60万吨/年初步设计及安全设施设计中均已重新选型。
        目前，永磁同步电动滚筒驱动带式输送机技术较为成熟、应用的企业也越来越多。永磁电动滚筒直驱系统具有能耗低、效率高、系统免维护、调速性能优越、具有丰富的通信功能的优点。通过技术研究分析和借鉴使用情况，决定对新主井带式输送机采用永磁同步电动滚筒技术方案。重点对传统驱动装置与永磁同步电动滚筒进行了技术分析对比，彰显了永磁同步电动滚筒直驱系统的优越性。
        2 永磁同步电动滚筒直驱系统
        2.1工作原理：
        永磁同步电动滚筒直驱系统，主要包括永磁同步电动滚筒、同步变频器及水冷系统等。它以磁场为媒介进行电能和机械能的能量转换，利用永磁体建立磁场，当永磁电动机的三相定子绕组通入频率为 f 的三相交流电后，将产生一个以同步转速推移的旋转磁场。永磁同步电动滚筒永磁体由稀土永磁材料钕铁硼制成，取代电励磁，无励磁损耗。转子无绕组，无转子铜耗、铁耗，高性能的钕铁硼稀土永磁材料具有很高的磁能积，它的剩余磁感应强度、矫顽力较大，用较少的钕铁硼永磁体便能产生足够的电机磁能积。将外转子表面作为驱动滚筒表面，采用阻燃性、抗静电性材料进行包胶，直接与输送带接触，依靠摩擦阻力带动输送带运行。水冷系统是保证永磁同步电动滚筒正常运行的基础，降低永磁电机的温度，符合电机的性能指标，否则会引起退磁，影响永磁电机的工作性能。
        2.2永磁直驱系统应用特点
        1.效率高、能耗低、功率因数高。

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采用的永磁直驱电动机效率达到国际 IE4( 高于国家一级能耗标准) ，直驱传动效率高，与传统驱动系统比较，实现节电 15% ～ 20%。
        2.起动转矩大，重载起动性能更卓越。永磁同步电动机匹配智能同步变频器能恒定输出额定负载转矩2倍的起动转矩，解决了重载起动难的问题。
        3.系统结构简单、维护量小，免维护性强。电动机采用直驱式结构，去掉减速机、耦合器等中间环节，结构简单，体积小、重量轻，安装方便，无需加油维护，减少大量日检、维修工作量，节省人力、物力。
        4.可靠性高、调速性能优越。实现由量定速，减小输送带磨损和设备损耗，低速变频调速工况下节能效果更明显。
        5.通信功能完善、提升可靠性。支持多种通信接口的接入，可与上位机通信，实现在线监测监控。完善的保护功能，能实现对过压、过流、欠压等各种故障的保护，与矿井智能化系统可有效融合，提升系统可靠性，保障系统安全稳定运行。
        3 功率的确定
        通过对两种驱动及控制系统的比较分析，根据现场具体条件，进一步优化了方案，合理布置了系统，计算确定了功率。总体思路为前期1台永磁同步电动滚筒驱动1000米胶带运行，后期2台永磁同步电动滚筒驱动2000米胶带运行。经计算，永磁同步电动滚筒功率为450kW，即前期1台450kW永磁同步电动滚筒驱动1000米胶带运行，后期2台450kW永磁同步电动滚筒驱动2000米胶带运行。永磁同步电动滚筒冷却方式为循环水冷。
        4 变频器的选用
        根据《煤矿安全规程》（2016）第三百七十四条：“采用滚筒驱动带式输送机运输时，应当遵守下列规定： ( 五) 倾斜井巷中使用的带式输送机，上运时，必须装设防逆转装置和制动装置；下运时，应当装设软制动装置且必须装设防超速保护装置”。由基础数据得知，该带式输送机为上运带式输送机，必须装设防逆转装置和制动装置。永磁电机选择变频器时以实际电机电流值、额定功率作为变频器选择的依据。永磁电动机变频器必须为低转速大扭矩矢量同步变频器，具有开环矢量和闭环矢量控制。经过设计选用满足额定功率 450 kW，额定电压10k V变频器，冷却方式为风冷。与永磁同步电动滚筒配套设计，具有恒转矩输出、大转矩软起动的特性，具备过流、过压、欠压、短路、过载、缺相、永磁滚筒绕组过热、瞬间断电保护等保护功能，具有绕组温度显示和超温停机保护的功能。带式输送机起动时具有 5 s 的缓动预警功能，空载时具有自动降速的功能，以达到最佳的节能效果。控制和通信接口具有集中控制、就地控制、检修等选择按钮，配置有通信接口，满足了带式输送机综合保护、无人值守等要求。
        5 应用分析
        新主井前期安装带式输送机1000 m，提升高度160 m，永磁直驱电动滚筒带式输送机轴计算功率432 kW，结合驱动系统效率，每天运行18h，每年按 330 d，每年耗电量为2566080kWh。传统的电动机+液力耦合器+减速机驱动带式输送机每年耗电量为2851200 kWh，电费0. 55 元/ kWh，永磁直驱电动滚筒带式输送机每年可节省电费156816元，后期每年可节省电费313632元。
        6 结语
        通过对永磁同步电动滚筒与传统驱动装置带式输送机对比分析，永磁同步电动滚筒可使传动系统结构简化、安装方便、噪声降低、效率提高，大大减轻日常维护、检修，节省了人力物力成本，提高了带式输送机运行的安全可靠性和效率。