高壓永磁同步變頻一體機(jī)在港口皮帶機(jī)實(shí)踐應(yīng)用

周文錦 邢亮 管輝 高玉軍 劉錫安 宋承林

摘 要：永磁同步變頻一體機(jī)作為一種全新概念的永磁電動(dòng)機(jī)形式，將電動(dòng)機(jī)與變頻器一體化設(shè)計(jì)，節(jié)省了勵(lì)磁電流，減速器，液力耦合等裝置，具有高效、節(jié)能、環(huán)保、安全的特點(diǎn)。本文以港口礦石輸送皮帶機(jī)應(yīng)用案例為出發(fā)點(diǎn)，介紹分析了永磁同步變頻一體機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢，改造方案及實(shí)施效益，該方案對于散貨港口推廣技術(shù)應(yīng)用具有借鑒意義，能創(chuàng)造巨大的社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：皮帶輸送機(jī);永磁同步變頻一體機(jī);高壓;散貨港口

中圖分類號：U692? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）06-0061-03

新型節(jié)能設(shè)備的應(yīng)用既是國家戰(zhàn)略的需要，也是建設(shè)綠色生態(tài)港口的需要。電動(dòng)機(jī)作為散貨運(yùn)輸碼頭的主要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)，巨大的電能消耗成本是促使董礦公司技術(shù)創(chuàng)新，推進(jìn)節(jié)能減排的內(nèi)部動(dòng)力。皮帶輸送機(jī)原驅(qū)動(dòng)形式為電機(jī)+耦合器+減速箱的傳統(tǒng)方式，供電電壓為10kv，功率315kw-630kw不等，皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)能力設(shè)計(jì)余量充裕，實(shí)際運(yùn)輸功率低于額定設(shè)計(jì)能力，如果節(jié)約這部分能源，將創(chuàng)造大量的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

永磁同步電機(jī)綜合展現(xiàn)了一種全新的電機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行概念，具有高功率密度、寬調(diào)速范圍、高效率、高功率因素及體積小、重量輕等顯著優(yōu)點(diǎn)，尤其是隨著高性能釹鐵硼永磁材料（第三代）的問世，這種磁鐵的磁能積（BHmax）大于釤鈷磁鐵，是當(dāng)時(shí)全世界磁能積最大的物質(zhì)，穩(wěn)定性強(qiáng)，剩磁和矯頑力極高，能吸起自身重量六百多倍的物體永磁電動(dòng)機(jī)技術(shù)產(chǎn)生了里程碑式的發(fā)展。目前主流的可行性方案有三種，即變頻器調(diào)速、液力耦合調(diào)速、永磁磁力耦合調(diào)速。節(jié)能原理均是通過改變負(fù)載的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦中廣泛使用，現(xiàn)階段礦井帶式輸送機(jī)原煤運(yùn)輸系統(tǒng)、綜采工作面膠帶輸送系統(tǒng)大多采用變頻調(diào)速、異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，而安裝到散貨港口的永磁電動(dòng)機(jī)均為分體式，降低了整體效率，一體式設(shè)計(jì)的高壓大功率永磁變頻電動(dòng)機(jī)應(yīng)用鮮有案例。

1永磁同步一體機(jī)的優(yōu)勢

將永磁電動(dòng)機(jī)與變頻器組合成的一體機(jī)的方案，兼顧永磁電機(jī)的優(yōu)勢和變頻器的控制，并同滾筒等裝置整體集成于一體，如圖1，同傳統(tǒng)的異步電機(jī)和減速器，聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)，具有以下技術(shù)優(yōu)勢：

（1）一體機(jī)使電纜線長度降低，將變頻裝置和電機(jī)分離布置的方式存在長距離供電電纜形成的分布電感和分布電容，變頻器輸出高頻信號時(shí)，對感抗高的電機(jī)絕緣壽命有不利影響，一體化后，避免了電壓震蕩過高，解決了電磁干擾的問題。

（2）一體機(jī)基于原來供電系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)布置緊湊，原先機(jī)殼部分空間充足，供電系統(tǒng)無需改造，簡單易用，容易實(shí)現(xiàn)對原先的驅(qū)動(dòng)方式的無縫替代;對關(guān)鍵電子器件進(jìn)行電磁屏蔽，將易受干擾的信號轉(zhuǎn)化成光信號，利用光纖進(jìn)行傳遞，此外使用疊層母排配線技術(shù)，比傳統(tǒng)產(chǎn)品體積更小，可以節(jié)省安裝空間。

（3）永磁同步變頻一體機(jī)采用新材料、新技術(shù)，有著更高的傳輸效率，建立氣隙磁場不需要?jiǎng)?lì)磁電流，消除了轉(zhuǎn)子中間環(huán)節(jié)造成的銅耗和鐵耗，其整體結(jié)構(gòu)緊湊，受負(fù)載影響小，功率因數(shù)高和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍寬等特點(diǎn)。

2董礦公司改造應(yīng)用方案

董礦公司火車裝車流程有兩條作業(yè)線，其中BCZ3A與BCZ3B皮帶機(jī)并行設(shè)計(jì)，距離長度相同，作業(yè)工況相同，未改造前，驅(qū)動(dòng)電機(jī)均為10kv/560kw，單機(jī)驅(qū)動(dòng)。本次改造將BCZ3A皮帶機(jī)原驅(qū)動(dòng)形式改造為變頻高壓永磁驅(qū)動(dòng)同步一體機(jī)，與BCZ3B皮帶機(jī)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行對比。

本次BCZ3A皮帶機(jī)搭配永磁同步變頻一體機(jī)，并配備了水循環(huán)制冷系統(tǒng)、電機(jī)智能管理控制系統(tǒng)、皮帶機(jī)流量監(jiān)測裝置等。

為了控制工作中電動(dòng)機(jī)和電子電力控制器件的升溫，將其穩(wěn)定在適宜的溫度范圍，一體機(jī)裝配水循環(huán)制冷系統(tǒng)，通過對多個(gè)管道以及布置在變頻一體機(jī)上的多個(gè)水座進(jìn)行不同方式的連接，安裝和操作快速方便，在對變頻一體機(jī)進(jìn)行有效地散熱降溫的同時(shí)，從而大大提高了變頻一體機(jī)的適用性，如圖3所示。

一體機(jī)調(diào)速配置電機(jī)智能管理控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)監(jiān)視電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，元器件參數(shù)調(diào)節(jié)，功率平衡以及各個(gè)器件之間的通訊和協(xié)調(diào)，人機(jī)交互，故障警報(bào)，進(jìn)而對整體電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)得到所需的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和機(jī)械特性，目前該系統(tǒng)主要由PLC、I/O數(shù)字量輸入輸出模塊、CANOPEN通信模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、無線4G模塊、人機(jī)交互界面（HMI）等器件組成。PLC經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊與中控上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，通信協(xié)議采用ModBusTCP，運(yùn)行數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)監(jiān)控;中控上位機(jī)通過I/O數(shù)字量控制PLC，實(shí)現(xiàn)永磁同步變頻一體機(jī)的啟停控制。

智能控制箱與中控上位機(jī)I/O控制邏輯如圖4，5所示：

此外針對皮帶機(jī)不同的負(fù)載情況，設(shè)立皮帶機(jī)流量監(jiān)測裝置監(jiān)測皮帶機(jī)物料變化，通過4G信號傳輸至電機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)合企業(yè)對物料運(yùn)輸?shù)臈l件和減少能耗2個(gè)主要的目標(biāo)，計(jì)算分析電動(dòng)機(jī)的輸出功率和運(yùn)轉(zhuǎn)速度等，通過對變頻器相關(guān)參數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)BCZ3A皮帶機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)整。

如圖6所示，該系統(tǒng)采用線結(jié)構(gòu)光視覺檢測方法，選用650nm綠光作為線結(jié)構(gòu)光源，安裝于被測位置上方，并垂直入射被測層表面，該結(jié)構(gòu)光會(huì)在物料表面形成料流包絡(luò)，采集反射的綠光，并對料流包絡(luò)進(jìn)行積分就能得到料流截面積，對于已知的傳送帶瞬時(shí)速度，雙重積分運(yùn)算得到料流體積。

3 永磁同步變頻一體機(jī)與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)形式投資收益分析

永磁同步變頻一體機(jī)在理想狀態(tài)下功率能夠達(dá)到100%在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中其功率也在90%以上。傳統(tǒng)的皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)往往留有比較大的余量，根據(jù)皮帶輸送機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)總結(jié)得出，皮帶輸送機(jī)長期工作于滿電壓和滿速的階段，大部分電能被無用功率消耗，電機(jī)平均運(yùn)行功率為額定功率的50%左右。采用變頻器驅(qū)動(dòng)可以減少一半的沿線熱損耗。即將整個(gè)系統(tǒng)的供電效率提高到95%左右，節(jié)省5%的電能。如表1，永磁驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，且調(diào)速區(qū)間大，很好地彌補(bǔ)這方面的缺陷。

采用永磁同步變頻一體機(jī)驅(qū)動(dòng)省掉了液力耦合器、減速箱等中間環(huán)節(jié)。此類調(diào)速設(shè)備的運(yùn)行效率在0.85～0.97之間。越是頻繁啟動(dòng)或者低速運(yùn)行的場合，傳遞效率越低。這類驅(qū)動(dòng)方式的平均工作效率為90%左右。折算掉變頻器的自身損耗，采用變頻器驅(qū)動(dòng)比液力耦合器等其他驅(qū)動(dòng)方式節(jié)省電能8%左右。

變頻器啟動(dòng)電機(jī)時(shí)無沖擊電流，降低沖擊電流損耗，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)節(jié)能。電機(jī)工頻啟動(dòng)時(shí)有5～7倍的沖擊電流，這部分電流是電機(jī)發(fā)熱而無功率輸出。啟動(dòng)次數(shù)越多，沖擊電流損耗越大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，變頻驅(qū)動(dòng)在啟動(dòng)時(shí)可以節(jié)省3%的電能。

皮帶輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的變頻調(diào)速，減少空載損耗，實(shí)現(xiàn)調(diào)速節(jié)能。皮帶輸送機(jī)在空轉(zhuǎn)時(shí)也消耗電能，一般空轉(zhuǎn)損耗占額定功率的20%～30%左右。這部分損耗可以通過變頻調(diào)試降低皮帶輸送機(jī)的速度來降低。皮帶輸送機(jī)采用變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)時(shí)平均運(yùn)行速度為額定速度的90%左右，即變頻調(diào)速可以減少10%的空載損耗。綜上所述，變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)總的損耗可以減少：P×（20%～30%）×10%=（0.02P～0.03P）。即采用變頻調(diào)速時(shí)膠帶輸送機(jī)可節(jié)省（2%～3%）的電能。

4 實(shí)際測算數(shù)據(jù)

改造前后，查看電源管理系統(tǒng)，對兩條皮帶機(jī)總的作業(yè)量和對應(yīng)的耗電量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對比如下表2：

由表2可見，改造前后永磁變頻一體機(jī)節(jié)能效果明顯。

5 結(jié)論

綜合以上分析，理論節(jié)能達(dá)到約5%+8%+3% +2%=18%，實(shí)際測算節(jié)能滿足18%以上，按照董礦公司火車線皮帶機(jī)平均利用率40%計(jì)算，年工作臺(tái)時(shí)約為365×24×40%=3504臺(tái)時(shí)，平均有功功率50%。使用永磁同步變頻一體機(jī)年節(jié)約電能3504×560×50%×18%=17660.2kwh，按照1元/kwh的電費(fèi)計(jì)算，年可節(jié)能約17.66萬元。以10kv，560kw電機(jī)為例，永磁同步變頻一體機(jī)整體投資成本較傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)形式（電機(jī)+減速機(jī)+液力耦合器）投資成本多投資50萬元。初期投資雖然略高，但是通過系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能，約2.83年即可收回多投資的成本，同時(shí)能夠減少減速箱、液力耦合器、制動(dòng)器等設(shè)備的日常維護(hù)保養(yǎng)工作量。

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