永磁直驅(qū)系統(tǒng)在煤礦皮帶機(jī)中的應(yīng)用研究

張 嘉

（山西焦煤能源集團(tuán)股份有限公司鎮(zhèn)城底礦機(jī)電科， 山西 太原 030203）

引言

永磁直驅(qū)系統(tǒng)通過矢量控制永磁同步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)滾筒，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力由多級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)到一級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳遞。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子采用稀土永磁體（釹鐵硼）取代電勵(lì)磁，無額外的勵(lì)磁損耗，且沒有轉(zhuǎn)子銅耗，因而礦用重載輸送系統(tǒng)的大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)工作效率要高于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，尤其在輕載運(yùn)行時(shí)，節(jié)能效果更明顯[1-2]。

礦山機(jī)械設(shè)備裝備的電機(jī)額定功率一般參照設(shè)備的生產(chǎn)能力所選定[3]，但實(shí)際在對(duì)各種機(jī)械裝備的過程中，為了實(shí)現(xiàn)負(fù)載低轉(zhuǎn)速大扭矩要求，通常采取異步電機(jī)+齒輪減速機(jī)的生產(chǎn)方式。

1 永磁直驅(qū)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

永磁直驅(qū)系統(tǒng)的創(chuàng)新應(yīng)用，代替了傳統(tǒng)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置中異步電機(jī)、減速器和液力耦合器的作用與功能，該系統(tǒng)可直接產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、效率高、便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于煤礦皮帶機(jī)項(xiàng)目中。

1.1 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)

傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用的異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩通常是額定轉(zhuǎn)矩的130%，無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)滿載起動(dòng)，而永磁直驅(qū)系統(tǒng)所使用的永磁直驅(qū)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的220%，當(dāng)工況需要滿載或者過載起動(dòng)時(shí)，無需人工卸載，即可直接起動(dòng)，避免了因堵轉(zhuǎn)、過載而造成的電機(jī)損壞，同時(shí)極大地減輕了操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1.2 高效節(jié)能

傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率在70%以下，所用的Y 系列異步電機(jī)的能耗僅為國(guó)際IE1 級(jí)，而永磁直驅(qū)系統(tǒng)的能耗一般在93%以上，采用的永磁同步電機(jī)能耗達(dá)到國(guó)際IE4 級(jí)，綜合節(jié)能效率比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提高了20%以上。帶式輸送機(jī)采用永磁直驅(qū)系統(tǒng)，能夠大幅度提高系統(tǒng)效率、降低能耗。

1.3 系統(tǒng)免維護(hù)

由于該系統(tǒng)不需要減速機(jī)及機(jī)械軟起裝置，因此在實(shí)際使用中，無需更換潤(rùn)滑油、檢修齒輪箱，能夠節(jié)約使用成本、降低維護(hù)工作量。

1.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)智能化

永磁直驅(qū)系統(tǒng)的啟動(dòng)方式為運(yùn)用無傳感器矢量控制技術(shù)（SVC）的變頻啟動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳動(dòng)的緩慢勻速啟動(dòng)，避免了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的瞬間大電流給電網(wǎng)帶來的沖擊，以及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)給傳動(dòng)系統(tǒng)帶來的機(jī)械沖擊，由此降低了系統(tǒng)的電網(wǎng)故障和機(jī)械故障發(fā)生率。當(dāng)系統(tǒng)需要多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，通過主從控制可實(shí)現(xiàn)功率平衡，能夠避免因出力不均而造成的電機(jī)損壞。同時(shí)該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)無人值守、遠(yuǎn)程控制、在線監(jiān)控、故障診斷等。

2 永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)選型

2.1 永磁同步電機(jī)選型計(jì)算

對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速及皮帶機(jī)所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩參數(shù)進(jìn)行確定，計(jì)算公式如下：

式中：n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速；v 為皮帶機(jī)帶速；D 為驅(qū)動(dòng)滾筒直徑；T 為皮帶機(jī)所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；K 為安全系數(shù)；P 為軸功率。

通過計(jì)算，我們可以得出皮帶機(jī)總體所需轉(zhuǎn)矩，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的數(shù)量，計(jì)算出單臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，然后對(duì)照永磁電機(jī)選型表，即可選出滿足需求的永磁電機(jī)規(guī)格。

2.2 電氣控制系統(tǒng)選型

永磁同步電動(dòng)機(jī)需配備礦用隔爆兼本質(zhì)安全型低壓交流變頻器，該變頻器依據(jù)電機(jī)功率的1.2 倍進(jìn)行選型，同時(shí)，還應(yīng)具備電機(jī)溫度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)功能。

3 變頻器分析

3.1 兩電平變頻器分析

兩電平變頻器其電路結(jié)構(gòu)和控制都比較簡(jiǎn)單，具有技術(shù)成熟、效率高、動(dòng)態(tài)性能好、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在軋機(jī)、起重機(jī)、電力機(jī)車牽引及風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)速等方面得到了廣泛應(yīng)用。但兩電平逆變對(duì)單管的耐壓要求高，每個(gè)IGBT 承受一半的母線電壓，這限制了兩電平在高壓中的應(yīng)用，而且兩電平結(jié)構(gòu)間還存在輸出電壓的dU/dt 大，所含低次諧波分量相對(duì)較高等缺點(diǎn)。

三相輸入電壓經(jīng)整流濾波后，通過PWM 控制等方法控制開關(guān)元器件IGBT 的高速導(dǎo)通和關(guān)斷。電壓源型兩電平變頻器的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 兩電平電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

變頻器輸出的脈寬調(diào)制電壓波形為固定幅值的矩形波脈沖電壓，脈沖頻率按正弦規(guī)律變化，產(chǎn)生的濾波通過電纜傳輸，并在電機(jī)的接線端子產(chǎn)生強(qiáng)大電壓，使電機(jī)承受電壓尖峰。

電壓尖峰現(xiàn)象可由輸出電壓的諧波在傳輸線上的行波理論作出解釋，變頻器輸出的電壓波形和正弦交流電壓波形不同，它是具有極快上升沿和極快下降沿的方波。當(dāng)通過電纜傳輸介質(zhì)將電能傳送至電動(dòng)機(jī)時(shí)，電纜兩端會(huì)產(chǎn)生波的反射與折射，反射程度受變頻器、電纜和電動(dòng)機(jī)波阻抗的影響。尖峰過電壓時(shí)容易引起變頻牽引電機(jī)內(nèi)部局部放電的發(fā)生。局部放電對(duì)電機(jī)絕緣的破壞作用可能導(dǎo)致變頻電機(jī)絕緣過早失效。

因此，PWM 控制兩電平逆變器輸出電壓產(chǎn)生電壓尖峰的危害很大，隨著開關(guān)頻率的升高，電壓上升時(shí)間縮短，局部放電次數(shù)增加且放電行為加劇，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)繞組絕緣的老化更為嚴(yán)重，縮短電機(jī)的使用壽命，甚至在薄弱環(huán)節(jié)擊穿、損壞電機(jī)。

圖2 為正常狀態(tài)下的兩電平變頻器輸出電壓后在電機(jī)端的波形，此時(shí)最高的電壓尖峰為2.8 kV，并且尖峰電壓值已接近電機(jī)的絕緣耐壓值。

圖2 兩電平結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)側(cè)波形圖

圖3 為兩電平變頻器啟動(dòng)時(shí)在電機(jī)側(cè)的波形，此時(shí)的電壓尖峰已接近市面上大多數(shù)電機(jī)的絕緣耐壓值。

圖3 兩電平結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)側(cè)波形圖

在電壓尖峰時(shí)，電機(jī)絕緣易發(fā)生損壞，未保護(hù)絕緣體的繞組絕緣的電介質(zhì)應(yīng)力通常由電動(dòng)機(jī)端子上的電壓峰值和上升時(shí)間以及變頻器產(chǎn)生的脈沖頻率決定。一部分應(yīng)力是由施加到線圈主絕緣（相間或相對(duì)地）的電壓水平確定，其他部分應(yīng)力受匝間絕緣限制，由脈沖上升時(shí)間確定。較短上升時(shí)間的脈沖導(dǎo)致電壓在整個(gè)線圈中分布不均衡。通過電壓分布與脈沖上升時(shí)間的關(guān)系曲線，得出上升時(shí)間和電壓成正比例關(guān)系。在接線的電機(jī)繞組中，接觸的端頭與端尾處是受損最嚴(yán)重的部位，通常在這類情況下，介質(zhì)擊穿現(xiàn)象易在低于局放起始電壓（PDIV）強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)，普通電機(jī)出廠時(shí)一般只進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)，這種類型的電機(jī)絕緣耐受能力無法通過常規(guī)的工頻耐壓試驗(yàn)得出。

圖4 第一匝上的電壓與脈沖上升時(shí)間的關(guān)系

因此，兩電平變頻器雖然已廣泛應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，但其電壓尖峰對(duì)電動(dòng)機(jī)來說仍具有較大的隱患。

3.2 三電平變頻器介紹

兩電平變頻器仍存在眾多不足，而且其在高壓領(lǐng)域中，由于受電子元器件的限制，很難得到應(yīng)用，當(dāng)前變頻器正朝著高壓多電平方向發(fā)展。其中中點(diǎn)箝位式三電平拓?fù)涫且环N較好的實(shí)現(xiàn)方式，其基本結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 中點(diǎn)箝位式三電平電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

與兩電平變頻器相比，三電平變頻器有如下優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓或電流波形接近正弦，諧波分量小；電磁干擾大大減小，一次動(dòng)作的dv/dt 只有普通兩電平的1/（M-1），每個(gè)開關(guān)器件承受的直流側(cè)電壓值為兩電平的一半；開關(guān)頻率降低，損耗小；電壓尖峰減小，有利于電機(jī)可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

三電平結(jié)構(gòu)輸出波形效果如圖6 所示，由圖6可知，三電平變頻器的輸出波形比兩電平變頻器更接近于正弦波，諧波含量明顯減少。

圖6 三電平結(jié)構(gòu)輸出波形效果圖

三電平變頻器每個(gè)IGBT 上承受的電壓為兩電平的一半，其電壓尖峰也得到有效降低。三電平變頻器在實(shí)際正常運(yùn)行時(shí)電機(jī)側(cè)的電壓尖峰波形圖如圖7 所示。

圖7 三電平結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)側(cè)波形圖1

從圖7 中可以看出，電壓尖峰值在正常運(yùn)行時(shí)只有2 200 V 左右，與兩電平的尖峰相比得到了明顯減小，對(duì)于電機(jī)絕緣材料來說，此電壓尖峰值不會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生影響。

三電平電壓尖峰不僅在正常運(yùn)行時(shí)較低，在變頻器啟動(dòng)時(shí)三電平的電壓尖峰也得到了有效的控制。變頻器啟動(dòng)時(shí)的三電平結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)側(cè)波形圖如圖8 所示。

圖8 三電平結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)側(cè)波形圖2

從圖8 可以看出，啟動(dòng)時(shí)雖然尖峰會(huì)有提高，但電壓尖峰值僅有2 500 V 左右。

因此，在電壓尖峰方面，三電平相比兩電平變頻器具有較大的優(yōu)勢(shì)。

4 故障分析

4.1 故障現(xiàn)象

永磁同步電動(dòng)機(jī)如果出現(xiàn)電機(jī)三相溫度偏差較大，或是異常震動(dòng)現(xiàn)象，首先需要售后人員抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行儀器測(cè)量，若三相電阻出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，則基本可確定電機(jī)出現(xiàn)繞組匝間短路情況。

一般匝間短路出現(xiàn)在繞組首包線的首匝，由于電壓尖峰導(dǎo)致絕緣擊穿，繼而引發(fā)的匝間短路。這種現(xiàn)象多出現(xiàn)于兩電平變頻器。兩電平變頻雖然已得到了廣泛的應(yīng)用，但實(shí)際中仍存在諧波嚴(yán)重、電壓尖峰較高等問題。

4.2 匝間短路的研究處理

對(duì)于此次故障的產(chǎn)生，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行處理，以避免該現(xiàn)象的發(fā)生。

1）加強(qiáng)永磁同步電機(jī)的絕緣處理，在容易引起電壓尖峰造成匝間短路的線圈處加強(qiáng)絕緣并疊加5446 云母帶。

2）采用多電平結(jié)構(gòu)，可有效降低變頻器的電壓階躍，特別是三電平結(jié)構(gòu)，在不增加費(fèi)用前提下即可降低電壓尖峰的威脅。

3）加強(qiáng)電機(jī)的散熱處理。若夏季炎熱異常時(shí)，水箱可能存在散熱緩慢現(xiàn)象，故根據(jù)實(shí)際情況，在夏季炎熱時(shí)間直接采用直冷水進(jìn)行散熱。

5 三電平變頻器應(yīng)用分析

5.1 三電平變頻器應(yīng)用中的故障現(xiàn)象

5.1.1 三相功率平衡略差及從機(jī)過壓?jiǎn)栴}

由于主機(jī)工作處于速度控制模式，從機(jī)工作處于轉(zhuǎn)矩控制模式，極易出現(xiàn)空載多驅(qū)功率平衡性能不好和從機(jī)報(bào)過壓故障等問題。

5.1.2 減速過壓?jiǎn)栴}

為避免電動(dòng)機(jī)停止過快對(duì)皮帶、逆止器等設(shè)備造成的機(jī)械沖擊損傷，故停車方式采用減速停車，但此時(shí)改造皮帶為主運(yùn)中間轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶，因其前方有煤倉(cāng)，會(huì)出現(xiàn)堆煤現(xiàn)象。因此，為避免此現(xiàn)象，必須在較短時(shí)間內(nèi)完成減速停車，但也會(huì)帶來停車報(bào)減速過壓故障的現(xiàn)象。

5.2 三電平變頻器故障分析及解決措施

5.2.1 功率平衡略差及從機(jī)過壓分析

在實(shí)際的運(yùn)行中，從機(jī)運(yùn)行的速度受到兩個(gè)因素影響：系統(tǒng)設(shè)定最大速度（上限頻率決定）和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。上限頻率是由變頻器設(shè)定參數(shù)決定。當(dāng)從機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于主機(jī)通過CAN 總線設(shè)定的轉(zhuǎn)矩時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行速度提高；反之，則速度降低。皮帶機(jī)系統(tǒng)中，各滾筒、電機(jī)參數(shù)必然有微小差別，各電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩和功率也有微小不同。當(dāng)主機(jī)發(fā)送給從機(jī)的轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，并且運(yùn)行速度達(dá)到最大允許速度時(shí)，因受速度限制，此時(shí)主機(jī)給定的轉(zhuǎn)矩從機(jī)不能予以響應(yīng)，就會(huì)造成主從機(jī)功率不平衡。同理，出力大的電機(jī)帶動(dòng)出力少的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，也會(huì)造成電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，此時(shí)產(chǎn)生的電壓會(huì)回饋到變頻器系統(tǒng)中，從而引起過壓現(xiàn)象。山東歐瑞安電氣有限公司生產(chǎn)的三電平變頻器具有出色的過電壓保護(hù)功能，當(dāng)實(shí)際電壓高于限制電壓時(shí)，變頻器會(huì)對(duì)停機(jī)進(jìn)行保護(hù)，并報(bào)過壓故障。

5.2.2 減速過壓分析

變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速運(yùn)行，若減速過快，動(dòng)能變成電能，反充到變頻器中造成變頻器過壓。特別是矢量控制中，在不考慮過壓的情況下，變頻器會(huì)盡可能大的輸出發(fā)電轉(zhuǎn)矩，并以最快的減速度減速，在此過程中非常容易產(chǎn)生過壓保護(hù)。

5.2.3 解決措施

針對(duì)功率平衡略差和從機(jī)過壓?jiǎn)栴}，在控制程序中加入偏差上限參數(shù)，從而使從機(jī)的最大轉(zhuǎn)速允許略高于主機(jī)所設(shè)置的最大轉(zhuǎn)速上限，以免從機(jī)轉(zhuǎn)速高于主機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)出現(xiàn)電壓過調(diào)制現(xiàn)象，進(jìn)而引起功率不平衡和過壓故障。

針對(duì)減速過壓?jiǎn)栴}，則需要經(jīng)過計(jì)算仿真和反復(fù)論證，在程序中加入控制算法，在減速停車時(shí)，對(duì)發(fā)電轉(zhuǎn)矩進(jìn)行限制，從源頭上抑制電動(dòng)機(jī)發(fā)電，從而避免發(fā)電功率過大，回饋到母線造成過壓故障。

6 智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)在煤礦皮帶機(jī)的實(shí)際應(yīng)用總結(jié)

1）取消了減速機(jī)、液力耦合器和同步齒輪等故障率高的機(jī)械裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于后期的維護(hù)與檢修。

2）永磁直驅(qū)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率相較傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式，效率提升20%。

3）實(shí)現(xiàn)了電機(jī)、變頻器、水箱等的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋，便于及時(shí)調(diào)節(jié)生產(chǎn)和發(fā)現(xiàn)故障。