永磁電機直聯式驅動系統設計與應用

許劍波

（山西晉能控股煤業集團成莊煤礦，山西 晉城 048021）

0 引言

煤礦井下皮帶機是保證礦井安全、可靠運行的重要組成部分，皮帶機驅動系統經歷了直流電機為主的直聯驅動模式、異步電機為主的間接驅動模式、以外轉子電機為主的直接驅動模式以及永磁電機直驅模式等，在占地空間、系統布置、維護頻度、調速范圍、傳動效率、可靠性等方面直驅系統有較大優勢［1－3］。對于永磁電機調速系統的研究主要集中在矢量控制、直接轉矩控制、自適應控制、滑模變結構控制以及預測控制等方面，以提高調速系統性能［4－6］。成莊礦順槽1.4 m皮帶機驅動裝置采用電機加CST的方式，CST采用液壓油作為傳輸介質，兼具軟啟動和減速機的功能，在實際應用過程中，其技術局限性主要表現為體積大、成本投入高、故障率高、結構復雜、控制繁瑣、不能實現連續調速等。為了解決以上順槽皮帶機的技術問題，本文對順槽皮帶機驅動技術進行了深入研究，通過分析比較，決定采用永磁電機直聯式驅動系統，該驅動系統中永磁電機直接與皮帶機驅動滾筒相聯接，不需要配置減速機，采用基于無模型自適應控制模型，設計控制器－變頻器－永磁電機控制模式，提高控制系統實時性，降低故障發生率，保證皮帶機安全、連續、穩定運行。

1 關鍵技術

1.1 電壓等級確定

煤礦井下大功率電機工作電壓等級一般有660 V、1 140 V、3 300 V這3個等級。成莊礦順槽1.4 m皮帶機單臺驅動功率為400 kW，若工作電壓選擇660 V，電機及配套的變頻器對絕緣系統要求較低，但其工作電流較大，對磁力啟動器及電纜等供電系統選型要求高，否則極易造成供電系統發熱而影響安全運行。若工作電壓選擇3 300 V，雖然其工作電流大大降低，但電機及配套的變頻器對絕緣系統要求較為苛刻，制造成本高昂。若工作電壓選擇1 140 V，電機及配套的變頻器對絕緣系統要求稍高，但由于其工作電流較小，對磁力啟動器及電纜等供電系統選型要求較低，因此是較為合理的選擇。通過綜合比較，最終確定電機工作電壓等級為1 140／660 V，正常工作時接入1 140 V供電系統。

1.2 極數確定

成莊礦井下順槽皮帶機運行速度一般為3.5 m／s，驅動電機的異步轉速約1 485 r／min，因此，要獲得皮帶機所需的運行速度，電機與驅動滾筒之間必須加裝減速機，通過減速機與皮帶機驅動滾筒連接。永磁電機可以將電機極數增多，達到32極甚至更高。根據下式可知，電機的轉速將會大幅下降：

式中：n為電機轉速，r／min；f為電源頻率，Hz；p為電機極對數（極數的一半）。

根據上式可知［7－8］，當電機極數p為32時，其輸出轉速為187.5 r／min，僅為普通電機的12.6%，如下：

通過調研分析比較，32極永磁電機制造工藝相對成熟且成本較低，因此，成莊礦在設計選型時，所選永磁電機為32極，功率為400 kW，驅動數量為3驅，與現用皮帶機總裝機功率保持一致，電機直接與皮帶機驅動滾筒相連，省掉了減速機，聯接方式如圖1所示。

圖1 永磁電機直聯式驅動配套

1.3 變頻控制裝置

1.3.1 確定變頻器輸出頻率

采用永磁電機后，雖然電機轉速大幅降低，但仍高于皮帶機正常運行所需的轉速，而且電機不能直接啟動，需對電機進行軟啟動控制。要滿足速度和軟啟動的要求，變頻技術成為首選，采用變頻器改變電源頻率，實現電機在低頻狀態下運行，同時皮帶機加速時間在0～180 s內連續可調，保證皮帶機啟動平穩、無機械沖擊和電氣沖擊，從技術上實現真正的軟啟動。通過變頻技術實現的軟啟動，可以提高起動轉矩至2.5倍額定轉矩，大大提高重載起車性能［9－10］。根據以下皮帶機速度計算公式，可以推算出電機所需工作頻率為18 Hz，因此變頻器最大頻率設定為18 Hz，皮帶機的運行速度在0～3.5 m／s內連續可調。

式中：v為皮帶機運行速度，m／s；d為驅動滾筒直徑，取1.03 m；n為電機轉速，計算時轉換成r／s。

1.3.2 電壓峰值與繞組耐壓相匹配

變頻器控制永磁電機時，變頻器輸出電壓峰值必須與電機繞組的極限耐壓值相匹配，否則會造成電機繞組絕緣擊穿。如圖2所示。因此，通過分析，在變頻器輸出電路中，設計了一種壓敏電阻裝置吸收過電壓。當產生過電壓時，壓敏電阻的阻值會迅速減小，把壓敏電阻兩端的電壓鉗位在它的殘壓，從而對與其并聯的設備起到保護作用［11］。當電壓恢復正常時，壓敏電阻又會恢復高阻狀態，不影響系統正常工作。通過實際測量，變頻器輸出電壓峰值為2 180 V，遠低于電機絕緣耐壓值，從而保證了電機安全運行。

圖2 變頻器輸出電壓峰值

1.4 調速系統模型

調速系統的核心任務是控制每臺變頻器的啟停并實現相應的保護功能，同時控制變頻器頻率輸出，使皮帶機從靜止到滿速狀態的過程控制，實現皮帶機運行的各個階段多臺電機功率平衡控制。皮帶機運行時負載與環境參數有時變、非確定性以及滯后性的特點［12］，傳統PID或者模糊PID控制方法難以保證調速系統的控制精度和穩定性，因此采用無模型自適應控制（Model－free Adaptive Control，MFAC）算法進行調速系統控制，其調速模型如圖3所示。

圖3 控制系統調速模型

變頻器啟動后，通過PLC程序來控制其頻率輸出，使皮帶機按預定的速度曲線開始運行直到滿速。皮帶機在設定的時間范圍內基本沿S型曲線爬升，保證皮帶機無論在重載還是輕載的工況下平穩起車，對電網系統和機械系統沖擊最小，設計的啟動速度曲線如圖4所示，MFAC控制模式對皮帶機目標速度的跟隨性較好。

圖4 皮帶機啟動時MFAC與PID控制系統速度跟蹤對比

對大型皮帶機配置的多個驅動系統，在皮帶機運行過程中都要使各驅動器之間達到適當的負載平衡以使皮帶機上所有部件的負載和應力最小。調速控制系統通過PLC程序里的多個PID控制回路來實現各驅動電機達到負載均勻分配。當多驅中的某一臺被選定為主驅后，其輸出軸速度傳感器提供初級反饋值用來控制皮帶機的加速度，主驅輸出功率始終控制在滿速時所需的范圍內，而從驅功率控制將使從驅始終跟隨主驅功率，達到平衡狀態。

2 應用效果分析

永磁電機直聯式驅動系統在成莊礦5314大采高工作面進行了工業性應用，順槽皮帶機設計長度為1 600 m，按三驅配置，累計出煤量已達300萬t，目前該面已回采完畢，皮帶機運行狀況良好，未出現任何故障。應用效果主要表現在：

（1）省掉了減速機，體積大大縮小，機頭部基礎工程量減少一半，原來15天的工期可以壓縮為7天左右；

（2）由于永磁電機轉速極低，發熱量小，滿載狀態下，電機溫度也不會超過25℃，因此對冷卻系統要求簡單，僅需保證冷卻水暢通即可；

（3）采用變頻器控制永磁電機，使得皮帶機起車過程可在0～180 s內連續可調，保證皮帶機啟動平穩，無機械沖擊和電氣沖擊；可實現低速大扭矩功能，起動轉矩達到2.5倍額定轉矩，滿足重載平穩起車，基本杜絕了重載情況下壓帶的現象；

（4）皮帶機機頭驅動部基本實現了免維護，減少了工人的維護工作量，降低了維護成本投入，每年減少相應的成本約100萬元。

永磁電機直聯式驅動系統故障率低，在實際使用過程中，整個系統運行良好，直至采面回采結束，沒有出現任何故障，保證了工作面安全穩定生產。

3 結束語

本文針對成莊煤礦順槽1.4 m皮帶機永磁電機直聯式驅動系統進行設計并實際應用，得出下述結論：

（1）確定永磁電機工作電壓等級，采用660／1 140 V雙電壓系統，使其在煤礦井下具有廣泛的適應性；

（2）確定永磁電機極數，電機極數為32極，其輸出轉速為187.5 r／min，僅僅是普通異步電機轉速的12.6%；

（3）根據永磁電機轉速和皮帶機運行速度設計匹配變頻器，解決了變頻器輸出電壓與永磁電機絕緣等級相匹配的技術難點，保證電機安全穩定運行；

（4）設計控制系統，對多臺永磁電機驅動系統進行MFAC調速控制，實現一鍵式啟停、保護及功率平衡功能。

從實際應用效果來看，永磁電機直聯式驅動系統不僅解決了煤礦井下順槽皮帶機軟啟動的技術難題，同時在設備配套上數量更少，占用空間更小，控制邏輯上更加簡單清晰，皮帶機調速性能更加優越。