永磁同步變頻電動滾筒在主煤流系統帶式輸送機上的應用

尹夢哲

(河南永錦能源有限公司云蓋山煤礦二礦，河南 禹州 452570)

1 傳統滾筒驅動系統應用現狀

在所使用的傳統帶式輸送系統中，滾筒驅動裝置涉及滾筒、減速器、異步電機。內置電動滾筒能夠在滾筒中安裝減速器以及異步電動機，其具有良好的封閉性，可將其用于潮濕環境和井下粉塵環境中。但內置電動滾筒輸出功率較大，存在散熱大等問題，無論采用風冷或自然冷方式散熱，其效果均不明顯，因此會使電機繞組溫度較高，出現過熱故障問題。對于該問題一般采取大馬拉小車的方式。此外，減速機結構相對復雜，成本高，無論在設備投產初期或后期設備運行維護中，其需要花費的成本和工作量是比較大的，會從一定程度上提升煤礦生產企業的運營成本，提高員工工作強度。帶式輸送機其滾筒需要按照最大負荷進行設計，但正常運行條件下設備很少能夠達到額定負載，在處于輕載或空載條件下，但設備運行功率為30%額定功率，其運行不符合國家節能減排相關要求。

圖1 風冷電動滾筒

圖2 自然冷電動滾筒

2 永磁同步電動滾筒運行原理及優勢

為有效改善傳統帶式輸送機在運行中存在的問題，減少設備運行中的能耗，很多煤礦生產企業目前推出了新的產品和技術，即永磁直驅系統。它能夠對帶式輸送機進行直驅改造，是由變頻控制器與永磁同步電動滾筒構成的。從其系統運行原理來看，相對感應電動機來說，該設備基本不存在轉子電阻損耗。因此，該設備的總損耗相比傳統帶式輸送機有顯著降低，并且減少風扇等設備的損耗，相對應同規格感應電動機來說，其功率能夠提升10%。除此之外，在額定負載達25%～120%條件下，在運行永磁同步電動機時，由于其具有良好的運行效率和較高功率因數，因此在空載或輕載條件下節能效果相對明顯。比如驅動系統其主要采用的控制系統型號為PLC，可將其作為上位機，具體涉及模擬量輸出和模擬量輸入，即給定電機速度和電機軸承繞組溫度等，其所采集的信息能夠通過485通信系統將其傳遞至顯示屏中，變頻器能夠利用電機軸承的編碼器進行速度信息快速采集，同時采用閉環矢量控制模式，能夠穩定運行電機并使其快速達到穩定轉速，進而有效保護電機過欠壓，過載，短路等相關問題。根據皮帶機機尾滾筒運行要求和永磁同步電動機的性能優勢，將原有異步電動機進行優化，改進經過減速機驅動，將其優化為外轉子低轉速同步電機連接驅動模式，相對原有的系統來說經過優化改進之后，主煤流系統其驅動方式能夠省略減速箱等相關傳動裝置的設置，并且用永磁同步電機來代替異步電機，即可滿足代式輸送要求，進一步滿足高扭矩和低轉速的傳統需求。對于主煤流驅動系統來說其具備特點如下：第一，具有良好的系統運行效率；第二，具有良好的系統調節性能和控制性能；第三，能夠有效減少系統的內部元部鍵，以減少后續系統維護量以及停運時間；第四，安裝相對便捷；第五，具有較高的系統運行可靠性，能夠延長系統使用壽命；第六，可縮短系統的起停時間，減小起停電流和配電電容量；第七，能夠有效設定和調節系統的運行模式及啟動模式，以滿足不同運行條件和啟動條件相關要求。除此之外，采用該主流煤流驅動系統能夠縮短在井下電動滾筒軸向長度，進一步能夠用于一些空間狹小的井下位置中，相對含減速箱的感應電動機來說，整體電機重量有所減輕，鉆井內可鑲嵌轉子勵磁是通過永磁材料為其提供的，即由電網吸收粒子電流較小。基于此，相比相同轉速異步電機來說，該永磁電機具有較高的功率因數，從一定程度上來看，其系統在運行時所需電源容量和變頻器容量較小，相比相同轉速同步電機能夠有效減少轉子勵磁調節器和華還，且無勵磁損耗。

比如某煤礦將原有帶式輸送機驅動裝置進行拆除，具體涉及聯軸節，減速機，異步電動機和膠帶滾筒，在原有位置可適當增加墊片部件，重新進行尺寸調整和優化安裝，即可改造永磁同步電動滾筒。同時，將配套的變頻柜安裝在滾筒附近，整體改造流程相對簡單，經過改造之后的永磁同步電動滾筒可優化原有的減速機，聯軸節，異步電動機將其整合為驅動組，減少空間設計，能夠有效簡化原有驅動系統的連接方式，具有較大節能優勢和經濟價值。如下圖3所示為經改造后的驅動系統結構示意圖。

圖3 經改造后的驅動系統結構示意圖

經過改造之后，該系統額定電流和額定電壓分別為37 A和380 V，額定功率大小為16.7 Hz，運行效率達92%，功率因數為0.98，該設備成本為7萬元。變頻器采用矢量控制的方式，其成本為1.5萬元。安裝設備后在室溫條件下用500 vm歐姆表進行電機絕緣電阻的測量。在具體測量中，相間電阻和對地電阻分別為500 MΩ，在設備運行時，變頻柜中的各個連接線和儀表源部件可實現正常運行。設備在處于負載運行時，經2 h運行后，該設備的輸出電壓，噪聲，振動，轉速等指標可滿足設備運行相關要求。在處于負載運行過程中，變頻器給定頻率達到16 Hz，滾筒轉速為50 r/min，基本能夠實現煤礦企業帶式輸送機材料運輸需求。對比改造前后帶式輸送機，在負載運行過程中的輸出電流可以發現，經過改造之后，其負載過程中輸出電流可降低至14 A，電流降低率達30%，所改造的永磁同步電動機驅動系統進行簡化設計，省略減速機等設備的安裝，每年能夠幫助煤礦企業節約減速機，聯軸節等設備維護費用達1萬元。

3 永磁同步電動滾筒在主煤流系統中的應用價值分析

對于永磁同步電動滾筒來說，可將其用于不同類型主煤流系統的帶式輸送機尾中，從國內應用情況來看，可以說該系統為國內首創，相比傳統的驅動功能來說，具有較高的運行穩定性，且能夠縮小系統停運時間和維護量，需要提升市場競爭力。同時該帶式輸送機采用的是變頻調速的方式，具有良好節能效果。在一些大型煤礦進行推廣使用之后，獲得了實驗數據，可將該設備廣泛推廣于全國范圍，在煤礦行業中具有較大的推廣意義。通過對永磁同步變頻電動滾筒進行節能效果分析，該系統能夠簡化傳統帶式輸送機的元部件和機械裝置，可進一步提升系統運行的可靠性，穩定性，具有良好的社會經濟等綜合效益。比如對于日產量達到5000 t的煤礦來說，如果煤礦停產一天需損耗成本達100萬元以上，對電動滾筒的驅動系統進行改造后，能夠實現維護減少。由于設備維護使煤礦出現停運的時間，盡可能減少煤礦由于停產導致的經濟損失，同時該驅動系統在使用過程中維護費用較少，基本能夠實現一次投入終身受益的目標。目前，永磁同步變頻電動滾筒的帶式輸送機及驅動裝置，運輸距離以及輸送量功率顯著提高，并且更多場合運用了電動滾筒，其運行效率達90%以上，在處于空載或輕載運行時電能為機械能損耗，具有良好的節能效果。

4 總結

總而言之，相比傳統驅動系統來說，經改造后的永磁同步變頻電動滾筒其驅動系統利用高頻率，永磁同步電動滾筒以及變頻調速的方式具有良好節能效果。隨著目前煤礦資源整合，大、中型煤礦需進行機械化改造，其對于長距離和大功率帶式輸送機具有較大的需求量，因此整體來看，永磁同步電動滾筒具有良好的市場發展前景。