煤礦帶式輸送機永磁同步電機變頻驅動技術與傳統驅動技術比較分析及應用前景展望

神華神東煤炭集團設備管理中心 張 樂

煤礦帶式輸送機永磁同步電機變頻驅動技術與傳統驅動技術比較分析及應用前景展望

神華神東煤炭集團設備管理中心 張 樂

帶式輸送機作為礦井煤炭運輸的重要設備，在煤炭生產過程中起著重要作用。在神東礦區帶式輸送機中已成熟應用的驅動方式有液力偶合器軟啟動方式、CST軟啟動方式及異步電動機變頻驅動方式。永磁同步電機變頻驅動技術近幾年發展較快，其具有低轉速大轉矩、結構簡單，傳動效率高、安裝簡便、維護成本低等特點，但在煤礦帶式輸送機驅動中未得到廣泛應用。通過以3×500kW可伸縮帶式輸送機為驅動對象，將永磁同步電機變頻驅動與CST軟啟動及異步電動機變頻驅動進行系統配置及經濟效益比較分析，其優勢明顯，具有很高的推廣價值。

煤礦；帶式輸送機；永磁同步；驅動；電機

1 神東礦區帶式輸送機驅動技術現狀

帶式輸送機作為礦井煤炭運輸的重要設備，在煤炭生產過程中起著重要作用。帶式輸送機在拖動運行過程中，為了避免直接啟動中過高的起動力矩對電動機和輸送帶接頭及機械部件的沖擊，需要在帶式輸送機，特別是大型帶式輸送機的拖動控制中引入軟啟動技術。所謂軟啟動就是能夠讓動力輸出裝置在其系統即便是滿載的情況下也能提供足夠的起動時間，使起動加速度保持在設定的范圍內，而且能夠按照既定的要求逐步克服整個系統的慣性而平穩地起動或停車。目前在神東礦區帶式輸送機中已成熟應用的軟啟動方式有以下三種：

1.1 液力偶合器軟啟動方式

通過在電機與減速器之間安裝液力偶合器實現。電機啟動后帶動液力偶合器的泵輪轉動，泵輪帶動水或油介質（煤礦要求選用水介質）流動，安裝于減速器側的渦輪在水壓作用下拖動減速器運行。這種驅動方式使用較早，成本較低，啟動過程不能控制，目前煤礦主要用于1米帶寬及以下的小型帶式輸送機。

1.2 CST軟啟動方式

CST（controlled start transmissions 可控啟動傳輸）設備具備減速和軟啟動雙重功能，可通過電液控制系統對濕式離合器進行控制，實現在設定的時間內將帶式輸送機拖動到額定帶速，或在停機時使帶速在設定時間內降為零。這種驅動方式在煤礦井下帶式輸送機上應用較為廣泛，因其可實現多驅功率平衡，主要用于1.2米帶寬以上大型帶式輸送機。

1.3 異步電動機變頻驅動方式

通過變頻器向驅動電機進行供電，變頻器具備優異的調速性能，其輸出頻率可在0-50Hz任意設定，啟動和停車時間及曲線也可按需設定，可實現軟啟動、軟停車、多驅功率平衡和定速帶載，并且根據給定信號進行自動調速。近幾年，隨著隔爆變頻器發展成熟，逐步向高電壓、大功率方向發展，在神東礦區帶式輸送機用隔爆型變頻器電壓已達到3300V，單驅功率達到1000kW。

2 永磁同步電機變頻驅動介紹及應用現狀

近年來，永磁同步電動機得到較快發展，因其功率因數高、效率高等特點，在一些地面廠礦應用逐漸增多，某些場所已逐步取代交流異步電機，是一種新型節能電機，但在煤礦井下的應用才逐漸開始。

永磁同步電機變頻驅動系統的核心是由永磁同步電機（permanent magnet synchronous motor，以下簡稱PMSM）和專用變頻控制系統組成。PMSM在結構上是由繞組與永磁體兩部分組成。定子繞組在通電后，同樣激發了一個旋轉磁場，安裝有永磁體的轉子會跟隨定子磁場，一起旋轉起來。只要轉子的負載轉矩不超過設計的最大電磁轉矩，轉子轉速會和定子始終保持同步，位置也保持相對靜止。電機工作所需的磁通主要是由永磁體提供，幾乎不需要外界的無功，所以其功率因數和效率明顯高于異步電機。

PMSM安裝有高精度速度傳感器，可以將速度和轉子絕對位置信號實時傳送到變頻控制器中。在控制策略上，變頻器控制系統根據實時的電機磁極運動狀態，施加矢量電流控制電機運轉，對電機轉速和轉矩精準控制。可實現軟啟動、軟停車、帶載啟動、多驅功率平衡等。

永磁同步電機變頻驅動系統具備如下特點：1）永磁同步電機具有低轉速、大扭矩的特點，可以直接與帶式輸送機驅動滾筒連接，不需安裝減速器，驅動系統結構簡單，安裝簡便，可靠性較高。永磁同步電機與異步電機轉矩輸出比較見圖1；2）系統傳動效率較高，永磁同步電機效率≥97%，普通異步電動機變頻驅動系統，電機效率在95%左右，高速聯軸器效率為99.5%，減速器效率95%，整體效率只能達到95%*99.5%*95%=89%左右；3）永磁同步電機變頻驅動系統起停平穩，能實現帶載起動；4）永磁同步電機維護周期長（比如電機軸承注脂周期約22000h，異步變頻電機潤滑周期一般為3000h左右），維護量小，維護成本低；5）永磁同步電機變頻驅動系統多機運行時，能實現功率平衡。

隔爆型永磁同步電動機目前在國內煤礦已有部分成功應用的案例，但大部分驅動功率較小。永磁同步電機目前還沒有在國內煤炭行業得到廣泛應用。

3 永磁同步電機變頻驅動與CST軟啟動及異步電動機變頻驅動經濟效益比較

本文以神東礦區使用較普遍的3×500kW可伸縮帶式輸送機為驅動對象，進行系統配置及經濟效益比較分析（由于液力偶合器軟啟動方式不具備可控功能，在煤礦帶式輸送機拖動選型中已逐步被淘汰，本文未列入比較）。

1）3×500kW CST軟啟動系統需配置1臺移動變壓器和1臺14回路組合開關進行供配電，井下10kV進線通過移動變壓器變為1140V，再接入14回路組合開關向主驅動電機及CST油泵電機及風扇電機等輔助設備供電。主驅動電機與CST高速端連接，CST低速端與帶式輸送機驅動滾筒連接進行拖動。

2）3×500kW異步電動機變頻驅動系統需配置2臺變頻專用移動變壓器和1臺變頻器（12脈沖整流，并且可同時拖動3臺變頻電機）進行供配電。井下10kV進線通過移動變壓器變為660V,2臺移動變壓器輸出電壓相位角互差30°，同時接入變頻器（12脈沖整流變頻器需相位互差30°電源同時供電）。變頻器設有3個變頻回路和多個工頻回路，向3臺主驅變頻電機和減速器油泵電機等輔助回路供電。主驅變頻電機與減速器高速端連接，減速器低速端與帶式輸送機驅動滾筒連接進行拖動。

3）3×500kW永磁同步電機變頻驅動系統需配置1臺移動變壓器和3臺變頻器（永磁同步電機專用）進行供配電。井下10kV進線通過移動變壓器變為660V，再分別接入3臺變頻器，每臺變頻器拖動一臺永磁同步電機。永磁同步電機輸出軸與帶式輸送機驅動滾筒連接進行拖動。這種連接方式不需安裝減速器，結構簡單、安裝方便。

三種驅動方式的系統配置及經濟效益比較如下表所示：

從上述比較可以看出，按10年時間計算，永磁同步電機變頻驅動與CST驅動相比，采購費用增加398萬，但維護費用節約224.25萬元，電費節約1207.17萬元；與異步電動機變頻驅動相比，采購費用增加225萬元，但維護費用節約68.25萬元，電費節約467.05萬元。

4 結論

綜上所述，煤礦帶式輸送機驅動技術隨著科技的進步不斷向高效、節能的方向發展，每次驅動技術的革新都會帶來巨大的經濟效益。永磁同步電機變頻驅動系統作為新型的帶式輸送機驅動技術，具有低轉速大轉矩、結構簡單，傳動效率高、安裝簡便、維護成本低等特點，目前由于采購成本高等原因尚未得到廣泛應用，但其優勢明顯，具有很高的推廣價值。

張樂（1987—），男，內蒙古包頭人，工學學士，助理工程師，主要從事煤礦機電設備管理工作。