帶式輸送機新型驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)與研究

劉金麗

（晉中學(xué)院，山西 晉中 030600）

0 引 言

帶式輸送機新型驅(qū)動系統(tǒng)是由輸送機機頭、永磁直驅(qū)電機和永磁同步變頻器組成的永磁系統(tǒng)，傳動效率在93%左右，采用的永磁同步電機能耗達到國際IE4標(biāo)準(zhǔn)（高于國家一級能耗標(biāo)準(zhǔn)），綜合節(jié)能率比傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)提高了20%以上，每年可節(jié)電近10萬元。

1 永磁系統(tǒng)的特點

1）系統(tǒng)實現(xiàn)軟起動、免維護。該系統(tǒng)運用變頻器控制啟動，能實現(xiàn)系統(tǒng)傳動的緩慢勻速起動，避免了電機起動的瞬間大電流給電網(wǎng)帶來的沖擊，以及轉(zhuǎn)矩瞬時劇增給傳動系統(tǒng)帶來的機械沖擊［1］，由此降低了系統(tǒng)的電網(wǎng)故障和機械故障，同時由于比原系統(tǒng)減少了液力耦合器及減速器，在維修費用上每年至少可節(jié)約3～5萬元，從而降低了維護成本。

2）實現(xiàn)功率平衡。當(dāng)該系統(tǒng)采用多電機主從控制驅(qū)動時，可實現(xiàn)功率平衡，能避免多電機因出力不平衡而造成的電機損壞［2］。

3）永磁直驅(qū)變頻系統(tǒng)起動轉(zhuǎn)矩。現(xiàn)在永磁直驅(qū)系統(tǒng)相比較傳統(tǒng)的異步變頻系統(tǒng)控制方式具有優(yōu)越性：傳統(tǒng)異步電機采用標(biāo)量（V/F）控制，缺點是在低頻時，啟動轉(zhuǎn)矩不足。一般用于風(fēng)機、水泵類負(fù)載。啟動特性曲線如圖1所示。永磁直驅(qū)變系統(tǒng)采用矢量控制，優(yōu)點是啟動轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)響應(yīng)快，適合于皮帶機類負(fù)載。啟動特性曲線如圖2所示。

4）起動轉(zhuǎn)矩大。該系統(tǒng)的永磁同步電動機能恒定輸出額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩2.8倍的起動轉(zhuǎn)矩，而傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)使用的異步電動機在同功率條件下的起動轉(zhuǎn)矩是額定負(fù)載的55%，不能滿足系統(tǒng)的正常起動，為了系統(tǒng)正常起動，需增大電機容量來滿足起動轉(zhuǎn)矩，但系統(tǒng)正常運行后，就造成了大馬拉小車現(xiàn)象。

5）降低系統(tǒng)變壓器容量。系統(tǒng)功率因數(shù)高，永磁直驅(qū)帶式輸送機系統(tǒng)采用變頻器驅(qū)動具有很高的功率因數(shù)，與原系統(tǒng)相比可降低變壓器的容量［3］。

6）縮小變壓器的體積。由于變頻器采用交直交變頻技術(shù)，所以給變頻器供電可采取高頻電源，采用高頻電源后可以大大地縮小變壓器的體積。

圖1 異步電機啟動特性

圖2 永磁電機啟動特性

7）豐富的通訊功能。 可支持 CAN、RS485、PROFBUS DP等多種通信接口的接入，可實現(xiàn)與上位機通訊，實現(xiàn)多臺設(shè)備集中控制運行，可將運行數(shù)據(jù)傳送至地面調(diào)度室進行在線監(jiān)測。

2 永磁系統(tǒng)使用情況及反饋意見

2.1 永磁系統(tǒng)使用情況

永磁直驅(qū)系統(tǒng)使用情況如表1所示。

2.2 永磁系統(tǒng)使用后的反饋意見

采用新型永磁系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：1）皮帶機慢速啟動，保護膠帶，不灑煤，減少了工人工作量；2）振動小，運行平穩(wěn)，減少了聯(lián)軸器、減速器、同步齒輪的安裝，維護量小；3）節(jié)電效果明顯。

但也存在以下缺點：1）電機存在進水問題；2）皮帶機拉力沒有原先皮帶機拉力大，運輸距離短；3）電機體積大，占用空間大，井下安裝運輸不便；4）電機存在的退磁問題；3）系統(tǒng)供電現(xiàn)為660 V，礦上供電多為1 140 V；4）變頻器上級開關(guān)發(fā)生過跳漏電保護故障；5）變頻開關(guān)對供電系統(tǒng)造成一定的干擾；6）電機軸頭強度出現(xiàn)問題；7）皮帶機張緊力度不夠；8）主從雙機功率平衡動態(tài)響應(yīng)慢、急停和復(fù)位雙機不關(guān)聯(lián)，設(shè)置參數(shù)功能不完善、再次上電電機方向不能保持等。

表1 永磁直驅(qū)變頻驅(qū)動系統(tǒng)使用表

圖3 電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及永磁體布置圖

3 產(chǎn)品改進

因篇幅限制，現(xiàn)只針對退磁問題，以及主從雙機設(shè)置參數(shù)功能不完善、功率平衡動態(tài)響應(yīng)慢、急停和復(fù)位雙機不關(guān)聯(lián)、再次上電電機方向不保持的改進措施這兩方面的問題介紹改進措施。永磁電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及永磁體布置圖如圖3所示。

3.1 改進措施一

3.1.1 工作點和拐點的定義介紹

退磁曲線為磁滯回線的第二象限部分，它是永磁材料的基本特性曲線。其表示的是磁通密度與磁場強度間的關(guān)系。如圖4中的曲線Br-Hc。

永磁電機運行時受到的作用的退磁磁場強度是反復(fù)變化的。當(dāng)對已充磁的永磁體施加退磁磁場強度時，磁通密度沿圖4（a）中的退磁曲線BrP下降。如果在下降到P點時消去外加退磁磁場，則磁密并不沿退磁曲線恢復(fù)，而是沿著另一近似直線PR曲線上升。若再施加退磁磁場強度，則磁密沿著新的同樣近似直線PR曲線下降。該直線成為回復(fù)線。就是說，具有類似圖4（a）所示退磁曲線的永磁體，在施加退磁磁場后，磁性能不可恢復(fù)。

有人提出“大單元”“中單元”“小單元”的概念，主要是從選擇核心內(nèi)容的范圍大小來確定的。比如，圍繞“方程”這個核心內(nèi)容，將初中所有有關(guān)方程的內(nèi)容（一元一次方程、二元一次方程組、一元二次方程）整體來看待，從初中方程的定位、目標(biāo)以及方程本身的本質(zhì)要求角度，進行整體的設(shè)計，這就體現(xiàn)了“大單元”的概念，這對教師的要求也是比較高的。有理數(shù)的運算、一元二次方程等就是完整的自然章節(jié)（中單元）。而圖形相似中的圖形位似也可以作為一個單元，三角形全等條件的探究內(nèi)容也可以作為一個單元（小單元），進行整體設(shè)計實施。

燒結(jié)NdFeB永磁材料在常溫或者較低溫度下，退磁曲線為一直線。但在溫度較高的情況下，退磁曲線的上半部分為直線，下半部分開始拐彎，開始拐彎的點稱為拐點。當(dāng)永磁體工作點高于拐點k時，回復(fù)線與退磁曲線的直線段重合。永磁體性能可恢復(fù)［4］。

圖4 回復(fù)線與退磁曲線

而當(dāng)永磁體工作點低于拐點k時，新的回復(fù)線RP不再與退磁曲線重合（見圖4（b））。同樣造成永磁體性能不穩(wěn)定。

因此，保證永磁體退磁現(xiàn)象不在永磁電機中發(fā)生，可采取降低拐點k，并確保永磁體的工作點永遠(yuǎn)高于拐點。

3.1.2 防止永磁體發(fā)生退磁的措施

首先，要降低永磁體的拐點，必須努力提高永磁體的性能，如內(nèi)稟矯頑力，當(dāng)其大于某個值后，永磁體的退磁曲線全部為直線，而且回復(fù)線與退磁曲線重合，不會造成不可逆退磁。因此，要求永磁體廠家提供永磁體樣品的退磁曲線。

其次，在永磁電機設(shè)計中，溫度和最大去磁工作點的確定很重要。

2）最大去磁工作點的確定。當(dāng)沒有控制器保護，永磁電動機工作于起動、堵轉(zhuǎn)、突然停轉(zhuǎn)或者突然反轉(zhuǎn)等運行狀態(tài)，此時繞組中的電流常常是額定電流的幾倍甚至更大。此時的電樞反應(yīng)去磁作用明顯，因此從電機運行可靠性出發(fā)，校核永磁體的最大去磁工作點，使其位于永磁體退磁曲線拐點之上。

3）利用有限元分析。應(yīng)用有限元軟件進行永磁電機的分析計算，所得出的磁力線分布圖如圖5所示。

通過有限元可以仿真永磁體的實際工作狀態(tài)，其分析結(jié)果精確直觀。通常情況下，最易發(fā)生退磁的位置在磁極的極尖處，因此，對于表面式的永磁體安裝方式，可以將磁極極尖削去。

圖5 磁力線分布圖

3.2 改進措施二

針對主從雙機設(shè)置參數(shù)功能不完善、功率平衡動態(tài)響應(yīng)慢、急停和復(fù)位雙機不關(guān)聯(lián)、再次上電電機方向不保持等問題，采用以下4種方法進行改進：

1）增加了主從雙機功率平衡的設(shè)置參數(shù)組，使得主機的速度模式參數(shù)和從機力矩跟蹤模式參數(shù)更加人性化，提高現(xiàn)場調(diào)試效率，及時根據(jù)負(fù)載調(diào)整參數(shù)設(shè)置。

2）主從雙機功率平衡由原來的模擬量脈沖給定更換為CAN總線通訊，動態(tài)響應(yīng)好，抗干擾能力增強。

3）增加主從雙機功率平衡的雙機急停并聯(lián)、雙機復(fù)位并聯(lián)九芯端子引線，有效避免單機獨立工作。

4）增加了斷電保存功能，主從雙機功率平衡參數(shù)和組態(tài)屏參數(shù)都具備斷電保存功能，避免重新上電參數(shù)變化、設(shè)備的誤動作，可靠性增強。

4結(jié) 語

帶式輸送機新型驅(qū)動系統(tǒng)的研發(fā)成功，為我們在礦用設(shè)備領(lǐng)域研制開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的 “綠色礦用設(shè)備”進行了有益的探索。通過試驗、改進，使得現(xiàn)有的驅(qū)動系統(tǒng)更加完善，為今后礦井帶式輸送機的高產(chǎn)高效起到了一定的促進作用。

［1］ 徐正平.電控永磁系統(tǒng)的創(chuàng)新應(yīng)用——訪意大利泰磁（Tecnomagels S.p.A.）公司中國區(qū)首席代表李黎先生［J］.世界制造技術(shù)與裝備市場，2003（2）：112－113.

［2］ 鄧永勝，宋偉剛，趙琛.雙滾筒傳動帶式輸送機的電動機功率平衡［J］.東北大學(xué)學(xué)報，2000(5)：520-523.

［3］ 丁婷婷，王秀和，楊玉波，等.供電電壓變化對永磁同步電動機性能的影響［J］.電機與控制學(xué)報，2005（6）：79-82.

［4］ 李鐘明，劉衛(wèi)國.稀土永磁電機［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1999.