永磁調速技術在皮帶輸送機領域的應用研究

石樹君

(太原礦機電氣發展有限公司，山西 太原 030032)

目前，國內所有的大功率皮帶輸送機調速驅動控制都采用變頻器+電機+減速器，或電機+液力耦合器+減速器的形式。上述驅動方式雖然可實現電機軟啟動，并且都有較大的啟動轉矩，但其在安裝、調試、維護的復雜性方面一直困擾著廣大用戶，需要一種更便捷、可靠的調速驅動器滿足用戶的需求。一種新型的節能、環保的綠色調速控制器電磁調速器由于其自身突出的優勢，在皮帶輸送機領域逐步取代其他調速裝置被廣泛應用。

1 永磁調速器的結構原理

永磁調速器被安裝于電機與負載之間，由主動轉子、從動轉子和調速控制執行機構三部分組成。主動轉子上裝有強力稀土永磁材料制成的永磁盤與電機軸相連接，隨電機一起運動;從動轉子由新型合金導體材質制成，改變原始的銅鋁材質轉子，使調速平滑穩定，安裝在負載軸上，與負載軸同心連接;調速控制執行機構用于控制主動轉子和從動轉子之間距離，達到主動轉子和從動轉子之磁場作用力和傳遞力矩大小的調整。永磁調速通過永磁盤和合金導體之間的氣隙實現了電機與負載之間的轉矩傳輸，實現了動力和負載之間沒有機械連接力傳遞結構。

永磁調速器是通過氣隙來傳遞轉矩的革命性傳動技術，電動機運行時帶動裝有強力稀土永磁鐵的主動轉子運動形成旋轉磁場，從動轉子在磁場中作切割磁力線相對運動，從而在從動轉子中產生渦流，該渦流在從動轉子上產生反向感應磁場，該感應磁場與永磁轉子的永磁磁場相作用產生轉矩。拉動從動轉子隨主動轉子運動，從而實現電機與負載之間的無接觸轉矩傳輸。這種轉矩傳輸運動是不同步的，也就是說與負載相連的從動轉子的轉速永遠小于與電動機軸相聯的主動轉子的轉速，形成的這個轉速差稱為滑差。在電動機滿轉矩且主動轉子與從動轉子作用力最大時，該滑差在1% ～4%。如果改變主動轉子與從動轉子兩者之間的距離時，也就改變了兩者之間的作用力，其結果也就改變了滑差和傳遞的力矩。距離近，作用力大，滑差小，傳遞的力矩大;距離遠，作用力小，滑差大，傳遞的力矩小。主動轉子和從動轉子兩者之間的距離稱為“氣隙”，通過氣隙調整可以獲得可調整的、可控制的、可以重復的負載轉速，永磁調速器就是通過調整這個氣隙的大小來達到調速的目的。其調速范圍可達0～98%電動機轉速。在自動控制設備中，氣隙的調節是通過一套電動執行器來控制的。執行器接收由DCS系統或PLC控制箱提供4～20 mA的控制信號，調節調速器的氣隙，以在線調節負載的轉速，實現遠程控制或自動控制。

2 永磁調速器在皮帶輸送機的控制過程分析研究

在皮帶輸送機配套設計時，根據皮帶的長度、皮帶的運量、地質條件，驅動系統設計為單電機驅動、多電機單點驅動及多電機分布驅動的方式。對驅動系統的要求主要體現在啟動、制動過程中能最大限度的降低系統的慣性力，并能實現過載保護和負載平衡，將帶式輸送機的加速啟動、減速停車和運行時的膠帶張力減到最小。永磁調速器的驅動結構為“一拖一”的形式，即一臺電動機+一臺永磁調速器+一臺負載設備。當需要多電機驅動時，通過程序控制器對各電機發出分步啟動控制即可解決多臺電機啟動時對電網的沖擊影響。電機啟動后電機在工頻下由零速迅速達到額定速度，電機的效率達到最高，當控制系統接收到電機全速信號后，對氣隙控制執行器發出控制信號，調節氣隙由大逐漸減小，皮帶機負載側的轉動力矩逐漸增大，當轉動力矩克服皮帶機阻力時，皮帶機皮帶逐漸張緊由靜止逐漸加速到全速運行。這樣就避免了啟動沖擊對皮帶的損壞。皮帶輸送機停車時，控制系統逐漸增大每臺調速器的氣隙，皮帶機負載側的牽引力矩逐漸減小，皮帶機的控制速度緩慢降低至零轉速。永磁調速器在系統控制中能穩定的控制多驅動的負載平衡，將系統采集到的各負載電流傳輸到由DCS系統或PLC組成的控制箱中，控制器將各負載電流進行比較，根據負載的不同調節輸出4～20 mA的控制信號，調節調速器的氣隙，實現對負載平衡控制。

皮帶輸送機啟動和停止的運行特性是由加速時間和減速時間來確定的。在實際應用的過程中，加速時間和減速時間需要根據現場情況通過程序控制進行調整，如皮帶長度、皮帶的運量、皮帶驅動點的布局、皮帶工作面的起伏程度?？煽氐募訙p速時間調整，為皮帶機提供了優良的起、停斜坡曲線，極大的疏緩了皮帶機的動態張力，減輕了對機械設備的損傷。

當皮帶輸送機由多臺永磁調速器聯合驅動時，應當采用閉環自動控制系統來保證每臺驅動電機的負載平衡。由DCS系統或PLC組成的集控系統對氣隙執行器發出控制信號的同時，接收到來自驅動電機電流互感器的實時負載反饋信號，在集控系統中進行高速運算及時調整氣隙大小來調整負載的輕重，最終實現負載平衡。在多電機多點分布聯合驅動時，永磁調速器工作中的輕微滑差特性，更能顯現其在調速系統中的優越性，對負載的容忍性更強。

永磁調速器能有效改善系統的運行特性完全滿足實際應用要求，使大型帶式輸送機的性能達到最好。而由傳統的電動機、減速器所組成的驅動裝置在啟動和停車過程當中輸送帶的帶速隨著電動機的轉速變化而快速變化，加劇了輸送機本身的振動，縮短了軸承和密封的使用壽命，加大了機械設備的疲勞強度，增大了系統的慣性力，特別是在輸送帶滿載情況下啟動更為困難，因此，傳統的驅動系統已經不能滿足長距離、大運量的大型帶式輸送機需求。

3 永磁調速器與變頻器、液力耦合器的性能比較

3.1 設計原理

永磁調速器采用電磁感應原理，利用導體切割磁力線運動產生電流，同時帶電導體在磁場中受到磁力的作用。運行原理是當電機旋轉時，帶動主動轉子永磁盤與非鐵導體盤之間相對運動切割磁力線，產生渦流進而產生感應磁場，來拉動從動轉子旋轉，主動轉子離從動轉子越近，切割磁力線產生的磁場越強，驅動負載的轉矩就大，負載的轉速越高，反之，負載的轉速越低。驅動裝置無機械連接結構，通過氣隙傳遞扭矩，且對輸入電壓不敏感，過載保護采用滑差保護。變頻器應用電力電子變流技術，采取可控硅整流輸入，通過PWM直流斬波實現輸出頻率變換，通過改變電機輸入的電流、頻率、波形來實現電機速度的調節控制，系統的保護由過電流跳閘來實現，系統的設計原理復雜。液力耦合器是一種以液體為介質的非剛性聯軸器，通過改變葉輪間液體的容積來改變傳動力矩，調節負載的傳遞速度。不受輸入電網電壓的影響，系統過載是通過堵轉泄壓進行保護。

3.2 對工況的要求

永磁調速器在±100℃的極限環境溫度下設備的特征和性能不會發生變化，仍然能正常工作。永磁調速器是無直接機械連接的調速裝置，最小氣隙為3 mm，它可以用于空氣中粉塵較高的環境，可用水沖洗設備，同時永磁調速器是非接觸式、磁力矩傳遞的調速驅動設備，沒有強電流源。氣隙電動執行器采用0～20 mA控制信號，在煤礦、化工以及粉塵嚴重易燃易爆環境下使用，只需對控制執行信號進行本安隔離或隔爆性能處理就能適應復雜的環境。

變頻器為電力電子設備，為保證設備的穩定可靠運行，必須保證溫度和濕度恒定在某個范圍內，通常情況下溫度在－10～40℃，濕度在40% ～90%，可正常工作，電子調速裝置必須在潔凈環境工作。對設備的安裝空間要求較高，必須安裝在大型防爆箱體內，整體按照防爆使用要求設計才能在易燃易爆環境下使用，對周圍的環境要求很高。

液力耦合器以礦物油為介質，環境溫度不低于－10℃，沒有電氣連接，可用于危險場所，在潮濕、粉塵、炎熱、易燃易爆等特殊環境下使用，必須進行特殊設計。

3.3 安裝、調試、使用、維護

永磁調速器電動機和負載之間是非接觸式動力傳遞結構，對中精度要求較低，安裝調試快捷。而且永磁調速器電氣控制系統簡單，無復雜的電路設備，經過短期培訓后，用戶使用人員可以熟練操作，而且可以頻繁啟動，用戶維護人員能快速確定故障原因，并能自行解決。永磁調速器基本是免維護的，無須儲備維護備件，整套設備占用的空間很小，使用壽命可長達20年。

變頻調速系統安裝時要求電動機和負載之間需精密對中，對設備的安裝位置的環境溫度、濕度要求較高。調試過程中，為保證多驅動的負載平衡和多點驅動的同步性能，需要花費較多人力和時間才能實現。使用過程中，雖然起停操作較簡單，但操作過程中注意事項較多且不能頻繁啟動，否則易導致故障發生。變頻調速系統由復雜的電力電子設備組成，對維護人員專業性要求極高。目前，國內的變頻器使用單位普遍都缺乏專業的維修隊伍，一旦有電氣故障發生，對高產高效的自動化生產產生很大的影響。變頻器為保證生產需要配套齊全的備件，占用一定的備件資金，同時變頻器故障的不確定性和電子元器件的時效性，也造成了維護費用的浪費，設備的使用壽命為5～10年。在大型皮帶輸送機的整體配套過程，必須留有很大的空間安裝變頻調速裝置。

液力耦合器安裝難度較大，需要對中，設備占用的空間較大，調試時間短，操作使用簡單。目前，大型系統配套液力耦合器全部為進口設備，生產人員只能進行簡單的維護，而且液壓系統維護需要較長的時間。液力耦合器一旦發生故障，查找難度較大，由于是進口件，備件費用昂貴，維護費用很高，訂貨周期長，對高效生產影響大，設備的使用壽命為5～10年。

3.4 節能、環保

永磁調速器的調速效率與變頻器和液力耦合器相比，調速效率最高達到97%，變頻器為95%，液力耦合器約為85%。永磁調速器的平均無故障時間與變頻器和液力耦合器相比要長的多，給用戶帶來了可觀的經濟效益。

永磁調速器對環境友好，不產生污染物，不產生諧波，通過空間磁場傳遞扭矩，實現了電機和負載之間的柔性連接，降低了設備在運行過程中由于負載的突變所產生的強烈的振動和噪音，是一種綠色的調速裝置。變頻器在高效節能的同時，也在污染著周圍的環境，一方面將產生的高次諧波沿輸電線路送回電網，使電網的質量下降，影響其他用電設備穩定工作;另一方面在變頻的同時，在其周圍產生強烈的電磁輻射，功率越大，供電電源電壓越高，其輻射強度越強，嚴重時可導致周圍的電氣設備工作中斷甚至系統癱瘓。在安全要求苛刻的環境中，需投入大量的配套設備進行系統處理，資金投入大。液力耦合器無法回收的廢棄油漬，對周圍環境也造成一定的污染。

4 結論

國家大力提倡綠色、環保、節能、高產高效，永磁調速器以其結構簡單、性能可靠和操作維護便捷等顯著的性能優勢在國內逐步得到推廣，2011年元月，陽泉煤業(集團)有限責任公司陽煤一礦，率先在皮帶輸送機應用領域最復雜的煤礦井下使用，替換2×2×315 kW兩地雙驅變頻皮帶驅動系統，實踐表明，系統基本實現免維護，一年零故障。同年6月，進行了對另一套液力耦合器的改造。通過對比，永磁調速器給用戶帶來巨大的經濟效益，是皮帶輸送機調速驅動的最佳選擇。

［1］張 宏.新型節能調速設備永磁磁力耦合調速器的原理及應用［J］.中國電力教育，2009(12):17－18.