新型礦用永磁同步電動機在煤礦企業的應用分析

摘要：針對煤礦企業機電設備中交流異步電動機存在電動機能效低、電能消耗量大的問題，引進了一種新型礦用永磁同步電動機，以改善電動機功效、降低電能消耗，實現煤礦企業降本增效及技術轉型的目的。

關鍵詞：永磁同步電動機;交流異步電動機;諧波抑制

1 概述

1.1? ? 研究背景

電動機是設備旋轉機構的主要構成部件之一，在煤礦企業中的應用尤為廣泛，絕大多數煤礦機電設備依靠電動機驅動。

從我國能源現狀角度出發，煤炭占我國能源生產總量的77%左右，占能源消耗總量的68%左右，我國在不斷加大對煤炭行業的產業結構調整力度，以優化產業結構。無論是煤炭生產企業，還是煤化工、煤化油等煤炭深加工企業，都不可避免地需要對生產設備、技術進行更新和改進，實現節能降耗，降低企業運行成本，同時提高企業生產效率，增強企業競爭力。作為主要配套設備的電動機，在煤礦企業的風機、水泵、皮帶輸送設備、提升裝置和掘進開采機等設備中應用廣泛，數量巨大，是節能降耗的主要對象。隨著“中國制造2025”戰略的實施，礦用電動機及其控制系統的集成化、數字化和網絡化，將成為未來煤炭及其相關產業應用電動機的發展趨勢。煤炭企業生產環境特殊，尤其井下生產環境復雜，對機電設備的安全性、可靠性和環境適應性等方面提出了嚴格要求。永磁同步電動機盡管在其他工業領域先進生產設備的初步應用中已體現出極大優勢，但以煤炭生產、加工設備為應用對象，對永磁同步電動機進行理論和應用技術方面的研究目前還處于起步階段，對井下環境中集成化數控永磁同步電機的研究更是鮮有報道。

1.2? ? 項目意義

永磁同步電動機作為永磁交流電動機的典型類型，具有諸多優勢，在一些高精度場合已經開始取代傳統交流異步電動機。相對于永磁無刷直流電動機、開關磁阻電動機等其他永磁交流電動機而言，永磁同步電動機具有效率更高、轉矩脈動小、電動流諧波小、控制精度高、運行原理和控制策略更接近交流異步電動機的優勢，因此，永磁同步電動機成了高效、高性能、節能電動機的首選類型。由此可見，將永磁同步電動機發展趨勢與礦用機電設備的需求及發展趨勢相結合，從結構優化設計、運行可靠性技術、電磁干擾抑制技術和控制策略優化等方面進行研究，解決集成數控永磁同步電動機在礦用設備中的應用適應性問題，就能充分發揮數控永磁同步電動機的優勢，大大提高煤礦企業的節能降耗水平，為礦用設備的自動化、智能化建設奠定良好基礎。

2 國內外技術發展趨勢

煤炭行業作為我國的能源支柱型產業，正處于轉型的關鍵期，亟需促進產業結構優化的先進技術和裝備。作為礦用機電設備重要組成部分的電動機，主要呈現出以下發展趨勢：

2.1? ? 高效、節能技術

新一代礦用電動機以高效、節能、環保為目標，推動相關技術發展，如新型電動機繞組設計、低損耗高導磁材料的應用研究、通風結構的改進、先進稀土永磁材料的應用研究、降低振動噪聲和提高運行性能的先進控制技術等，以此推動環保型“綠色電機”產品的發展。

2.2? ? 高可靠性技術

礦用電機作為生產一線設備的主要驅動部件，直接關系到企業生產安全和效益，因此，必須保證礦用電動機的可靠、平穩運行，保證生產的連續、安全進行。為此，安全防護技術、故障檢測及容錯運行技術、完備的保護技術等影響礦用電動機安全、可靠運行的相關技術格外受到研究者的重視。

2.3? ? 集成化、數字化技術

礦用電動機的集成化、數字化是電力電子技術、傳感器技術、電動機技術等工業技術發展的結果。高密度集成技術有利于提高系統的可靠性，便于設備的安裝、維護。數字化技術有利于提高系統的可靠性、信息交互性。

3 工作原理及創新方向

3.1? ? 工作原理

隔爆型集成數控永磁同步電動機主要包括進線部分、殼體、驅動部分、永磁轉子等。從結構上看，系統將永磁同步電動機本體、驅動器、控制器、信號調理電路集成為一體，以獲得高功率體積比，以提高系統可靠性;電路拓撲結構采用由全控器件構成的三相橋式有源逆變器，為提高功率因數、抑制諧波和進一步提高工作效率奠定了基礎。隔爆型集成數控永磁同步電動機研究思路如圖1所示。

3.2? ? 創新方向

3.2.1? ? 理論創新

通過對系統諧波進行分析，研究諧波抑制理論，結合系統運行指標，研究礦井生產環境下電抗器的設計理論，采用電流最大變化率與電流平均變化率加權平均法，對電抗器參數進行計算，獲取最佳濾波效果。通過對轉子位置檢測理論的研究，將傳感器位置檢測方法與轉子位置估算方法相結合，考慮系統非線性特性和故障類型，提出非線性自適應平方根無跡卡爾曼濾波方法，提高轉子位置檢測的可靠性和自適應性。

3.2.2? ? 技術創新

集成數控永磁同步電動機系統將系統主要熱源、電磁源的永磁同步電動機和功率變換器集中在一個有限的空間中，對整個系統進行統一的三維電磁熱分析設計，以系統級效率為目標，更有利于系統級效率和電氣性能指標的提高。針對礦井生產環境的安全性需求，將全控器件有源逆變電路、空間矢量控制技術和高效永磁同步電動機集成一體，構建防爆數控永磁同步電動機系統，有利于提高防爆電動機的電氣性能、效率、集成度等。

3.2.3? ? 應用創新

永磁同步電動機調速控制系統相對于交流異步電動機調速控制系統而言，具有效率高、節能性能好、故障率低等優點，永磁同步電動機系統在礦井生產環境下的應用很少有人研究，對礦用集成數控永磁同步電動機系統的研究更是鮮有報道。應用集成數控永磁同步電動機，提高電機的電氣性能指標、降低能耗，將為礦用機電設備的應用帶來巨大變革。

4 效益和推廣前景分析

集成數控永磁同步電動機相對于其他礦用電動機而言，具有無可比擬的優勢，主要表現在：

（1）節能。高效節能是集成數控永磁同步電動機最突出的特點，系統效率可達到95%，同時四象限運行的功率變換器結構，可將機械能轉變為電能饋送回供電系統，節能效果更明顯。

（2）與電動機的滿載工作狀態相比，其效率、功率因數、力能變化不大。相對于其他電動機而言，永磁同步電動機具有更大的調速比和更高的控制精度。

（3）可靠性高。永磁同步電動機轉子無繞組，結構簡單。集成數控永磁同步電動機將電機、驅動器、控制器集成為一體后，可有效減少外部干擾，并降低現場安裝、維護的復雜性。此外，集成數控永磁同步電動機更有利于信息交互，組建控制網絡。

5 結語

隨著新型礦用永磁同步電動機在煤礦企業的應用，煤礦企業將會迎來新一輪的技術革新，促使煤炭企業在節能降耗、降低成本、高效發展等發面取得重大突破，對于能源發展具有深遠意義。

[參考文獻]

[1] 賈衛國.稀土永磁發電機在工程車自發電中的應用研究[J].移動電源與車輛，2016（3）：25-30.

收稿日期：2020-06-22

作者簡介：朱二明（1980—），男，陜西西安人，研究生，工程師，研究方向：機電控制。