永磁直驅(qū)系統(tǒng)在煤礦皮帶輸送機(jī)上的應(yīng)用研究

楊淘清

（金牛摩爾能源投資開發(fā)有限公司， 山西 太原 030024）

引言

皮帶輸送機(jī)作為煤礦主要原煤輸送設(shè)備，采用傳統(tǒng)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在啟動(dòng)困難、功耗高、故障率高等問題，嚴(yán)重影響礦井的正常生產(chǎn)秩序。智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)、效率和功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。為保證皮帶輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，采用智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置直接驅(qū)動(dòng)皮帶輸送機(jī)，實(shí)踐效果良好，有效提升了礦井運(yùn)輸系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。

1 永磁直驅(qū)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

永磁直驅(qū)系統(tǒng)由變頻器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。其中永磁同步電動(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)子損耗，因而礦用重載輸送系統(tǒng)大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)本身效率要高于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，尤其是輕載運(yùn)行的節(jié)能效果更明顯。

電機(jī)額定功率一般是參照設(shè)備的生產(chǎn)能力選定。但是，在各種機(jī)械實(shí)際裝備過程中，為了實(shí)現(xiàn)負(fù)載時(shí)低轉(zhuǎn)速大扭矩要求，通常采取“異步電機(jī)+齒輪減速機(jī)”的方式。永磁直驅(qū)系統(tǒng)的創(chuàng)新應(yīng)用替換傳統(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和功能，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)。永磁直驅(qū)系統(tǒng)較傳統(tǒng)的異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）啟動(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)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩通常是額定轉(zhuǎn)矩的130%，無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)滿載啟動(dòng)，而永磁直驅(qū)系統(tǒng)所使用的永磁直驅(qū)電機(jī)的啟動(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)，無須人工卸載即可直接啟動(dòng)，避免因堵轉(zhuǎn)、過載而造成的電機(jī)損壞。

2）高效節(jié)能。傳統(tǒng)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，而永磁直驅(qū)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率一般在93%以上，采用的永磁同步電機(jī)能耗達(dá)到國(guó)際IE4，綜合節(jié)能效率比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提高了20%以上。

3）系統(tǒng)免維護(hù)。由于該系統(tǒng)不需要減速機(jī)、機(jī)械軟啟動(dòng)裝置，因此在實(shí)際使用中無須更換潤(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。

4）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)智能化。永磁直驅(qū)系統(tǒng)運(yùn)用無傳感器矢量控制技術(shù)（SVC）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)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，由此降低故障率。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。

2 永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)選型

2.1 永磁同步電機(jī)的選型計(jì)算

電機(jī)轉(zhuǎn)速n 由公式（1）確定：

式中：v 為皮帶輸送機(jī)轉(zhuǎn)速；D 為驅(qū)動(dòng)滾筒直徑。

皮帶輸送機(jī)所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T 由公式（2）確定：

式中：K 為安全系數(shù)；P 為軸功率。

通過計(jì)算，可以得出皮帶輸送機(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，然后即可對(duì)照永磁電機(jī)選型表，選出滿足需求的永磁電機(jī)的規(guī)格。

2.2 電氣控制系統(tǒng)的選型

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，該變頻器選型依據(jù)為變頻器額定功率為電機(jī)功率的1.2 倍左右，同時(shí)，還應(yīng)具備電機(jī)溫度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)功能。

3 故障分析

3.1 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，會(huì)出現(xiàn)異常振動(dòng)現(xiàn)象。首先需要售后人員抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行儀器測(cè)量，如果三相電阻出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，基本可確定電機(jī)出現(xiàn)繞組匝間短路。

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

3.2 兩電平變頻器分析

兩電平變頻器的電路結(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，而且有兩電平結(jié)構(gòu)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 控制等方法使開關(guān)元器件IGBT 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，脈沖頻率是按正弦規(guī)律變化的矩形波脈沖電壓在產(chǎn)生濾波時(shí)通過電纜來傳輸，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，損壞電機(jī)。

如圖2 所示，此為一臺(tái)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2 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)易損壞電機(jī)絕緣，未保護(hù)絕緣體通常由電動(dòng)機(jī)端子上的電壓峰值和上升時(shí)間以及變頻器產(chǎn)生的脈沖頻率決定繞組絕緣的電介質(zhì)應(yīng)力。一部分應(yīng)力是由施加到線圈主絕緣的電壓水平確定，其他部分受匝間絕緣限制而由脈沖上升時(shí)間確定。兩電平變頻器雖然應(yīng)用廣泛，但其電壓尖峰對(duì)于電動(dòng)機(jī)來說，仍然具有較大的隱患。

3.3 三電平變頻器介紹

針對(duì)兩電平變頻器存在不足，高壓多電平得到快速發(fā)展。中點(diǎn)箝位式三電平拓?fù)涫且环N較好的實(shí)現(xiàn)方式。其基本機(jī)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 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；減少電磁干擾難題，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1/2；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。

通過三電平結(jié)構(gòu)輸出波形效果如圖4 所示。同兩電平變頻器相比，三電平變頻器的輸出波形更接近于正弦波，諧波含量明顯得到減少。

圖4 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1/2，其電壓尖峰也得到有效的降低。三電平變頻器實(shí)際正常運(yùn)行時(shí)在電機(jī)側(cè)，電壓尖峰值在正常運(yùn)行時(shí)只有2200 V 左右，與兩電平的尖峰相比得到了明顯的減小，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。不僅正常運(yùn)行中三電平電壓尖峰低，在啟動(dòng)時(shí)，三電平的尖峰也得到有效的控制。啟動(dòng)時(shí)雖然尖峰會(huì)有提高，但電壓尖峰值僅有2500 V 左右。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)。

3.4 匝間短路的研究處理

對(duì)于匝間短路故障的產(chǎn)生，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行處理，避免此次現(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1/2 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影響。

3）加強(qiáng)電機(jī)的散熱處理，采用直冷水進(jìn)行散熱。

3.5 三電平變頻器應(yīng)用中存在的問題

3.5.1 平衡性能及從機(jī)過壓?jiǎn)栴}

由于主機(jī)工作在速度控制模式，從機(jī)工作在轉(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[1]。

3.5.2 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，其前方有煤倉，為避免出現(xiàn)堆煤等現(xiàn)象，須在短時(shí)間內(nèi)減速停車。

3.6 三電平變頻器故障分析及解決措施

3.6.1 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)，速度上升；反之，則速度降低。皮帶輸送機(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)不能響應(yīng)，造成主從機(jī)功率不平衡。

3.6.2 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，變頻器會(huì)盡可能大的輸出發(fā)電轉(zhuǎn)矩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)[2]。

3.6.3 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，以免出現(xiàn)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，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。

4 智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)在煤礦皮帶輸送機(jī)的實(shí)際應(yīng)用效果

永磁直驅(qū)系統(tǒng)在煤礦皮帶輸送機(jī)中應(yīng)用，大幅提升了運(yùn)行效率，具有運(yùn)行故障率低、噪聲小、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。具體應(yīng)用效果如下：

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。