選煤廠帶式輸送機能耗優化控制研究

吳濤

（中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710055）

1 帶式輸送機基本構成和優點

帶式運輸機是一種以輸送帶為牽引部件和承載部件，由托輥支承，通過主動滾筒與傳送帶之間的摩擦傳遞牽引力的連續輸送設備。可在一定的輸送線，從裝料點到卸載點，不間斷地流動各種粉末、粒狀、塊狀等散狀物料。在工業企業內部運輸中起著重要作用，也是企業對外運輸的重要手段。皮帶輸送機在化工、煤炭、冶金、礦山、建材、電力、輕工、食品、交通運輸等行業中得到了廣泛應用。和其他大件運輸飛機、汽車、鐵路運輸相比，有許多優點。

1.1 結構簡單

帶式輸送機由滾筒、托輥、機架、驅動裝置及輸送帶等主要部件組成，安裝相對簡單。

1.2 輸送物料種類廣泛

帶式輸送機輸送物料的范圍可以從很細的粉狀、顆粒狀物料到大塊的煤炭、礦石等，由于特殊用途的輸送帶具有耐磨、耐酸堿、耐熱、耐油抗腐蝕、阻燃等性能，可滿足各種條件下輸送多種物料。

1.3 輸送能力大

帶式輸送機的輸送能力可以滿足任何要求的輸送任務，既有輕型的，也有大型的，由于高帶速和大帶寬的應用，每小時可輸送數千噸甚至上萬噸物料。

1.4 輸送距離長

由于帶式輸送機獨特的結構形式，可更經濟地將物料輸送到較遠的距離。在國外已有應用單機長度10～20km的帶式輸送機，采用中間驅動方式使帶式輸送機單機長度得到更大的延伸，輸送系統總長度可達上百千米。

1.5 輸送線路適應性強

帶式輸送機輸送路線的選擇具有很大的靈活性，輸送線路可根據需要進行延長和縮短，且移置方便。根據地形條件，帶式輸送機可沿地面、地下或高架及空間曲線進行布置，水平、傾斜布置或者成凸弧、凹弧段布置，從而降低基建投資，免受鐵路、公路以及社區、河流等因素的干擾。

1.6 輸送角度大

帶式輸送機比卡車等輸送設備具有更大的輸送角度。散狀物料的性質，如密度、內摩擦角、粒度、外形等決定著普通帶式輸送機能夠向上或向下輸送的最大傾斜角，過大的傾角會造成物料在輸送帶上下滑，通用帶式輸送機提升角度可為16～18°，甚至可超過25°。

1.7 靈活地裝卸料

帶式輸送機可設在地面、井下或設備上，根據工廠的流程需求，可由多個點向一條帶式輸送機上裝料，形成干線輸送機輸送。可以通過供料設備在輸送機的任意點統一加料，也可以向多點或多個區域卸料。

2 選煤廠帶式輸送機能耗影響因素

選煤廠皮帶輸送機的能源消耗主要取決于整個機組的運行阻力和傳動系統的效率。目前，變頻器的使用已逐步普及。大型帶式輸送機的驅動裝置通常是由變頻器、電動機和減速器組合而成。在大功率帶式輸送機中，傳統的軟起動比例逐年下降。為此，筆者主要對現有的變頻調速系統進行改造，選用PMSM代替電機與減速機的傳動組合，提高電機效率，減少傳能環節，從而進一步增加能耗。

3 選煤廠帶式輸送機能耗優化策略

作者對現有變頻調速系統進行了改造，選用 PMSM代替電機和減速器的驅動組合，在提高電機工作效率的同時，降低了能量傳遞這一環節，從而更好地提高帶式輸送機的整體傳動效率，從而減少帶式輸送機在系統上所產生的能耗，進一步提高選煤廠的經濟效益。

3.1 將永磁同步電動機應用在帶式輸送機上

中國是永磁材料產量最大的國家之一。釹鐵硼等稀土永磁體資源十分豐富。我國以“稀土之國”著稱。國內研究和開發稀土永磁電機的技術水平處于世界領先水平。PMSM系統結構簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高。與直流電機相比，PMSM沒有換向刷等缺點。PMSM自身的矢量控制系統不但具有高精度、高動態特性，而且可以實現大范圍的調速及定位。因此，PMSM矢量控制系統已經引起了國內外越來越多學者的重視。軟起動技術是解決帶式輸送機大功率傳動系統中遇到問題的關鍵技術。隨著帶式輸送機的不斷發展，對其本身系統的需求也越來越高。

3.2 將驅動單元升級成變頻器與永磁電動機組合

3.2.1 新型帶式輸送機驅動系統特點

（1）安全性上更加可靠。①沒有專門的減速系統，系統在運行方面更加平穩，振動會更小，同時，噪聲相對較低，可靠性也得到了提高。②無齒輪傳動，使用的壽命變得更長。③變頻器匹配電抗器以及濾波等裝置，不會對電網產生污染以及對其他設備工作產生影響。④部件在數量上也得到了減少，在安裝的過程中更加方便。（2）不需要進行維護。①無減速系統及附屬的液壓系統、冷卻系統，在維護方面的難度得到了降低。②維護的周期變得更長，停機的時間也在一定程度上減少，因此其生產的效率也會大大提高。（3）可進行智能化的控制。①具備零速滿轉矩輸出特性；②長時間低速驗帶功能；③矢量控制，實現多驅功率平銜；④變頻控制，實現帶式輸送機的“S”曲線啟動，停車；⑤采用四象限運行方式能解決下運制動及緊急停運問題。

3.2.2 永磁同步電動機與異步電動機功耗對比

PMSM與異步電機在功耗方面相比，具有非常明顯的優勢，它的運行效率也比較高，同時，其功率因數較高，可以進一步優化電網的品質等。（1）工作效率。PMSM的磁場來自永磁體，因此避免了在勵磁電流中產生磁場所引起的勵磁損耗。從節能角度看，永磁電機的效率可達96%(IE4)，而異步電機的能耗大約是90%。（2）功率因數。因為感應電機系統的功率因數比較低，在使用過程中，隨著電流的不斷增加，將造成線纜損耗很大，從而使電網及輸變電設備在發電過程中的負荷進一步增大。PMSM系統將較先進的轉子工藝融入傳輸系統中，期間將能夠更好地促使高性能永磁體材料嵌入轉子內部，而后利用永磁體產生的磁場替代電勵磁，使其內部的感應電流激勵能夠得到實現，同時，促使電機功率因數接近于1。

3.3 取消減速器環節降低能量傳遞損耗

（1）實施減速器失效的可行性分析。它是一種 PMSM系統，它在設計時可以對其功率因數進行調整，其中成功率可以設計為1，與電機極數無關，但是，它與電機極數有密切關系，它的勵磁特性必然導致功率因數的逐步下降。PMSM自身功率因數能夠更好地突破電機極數的限制，期間通過配合機電系統發展的方式，將能夠促使電動機的設計級數得到提升，以此最終實現轉矩輸出配置的目的。（2）取消減速器能耗分析。減速機是連接在驅動電機和膠帶輸送機滾筒之間的機械連桿，以放大扭矩。現在市場上質量好的減速器使用效率不會超過96%，所以減速器在這一環節會有一些耗能，所以在這個環節會有一些能耗。

4 結語

永磁直驅帶式輸送機在系統上有明顯的優越性。它主要包括永磁同步電動機和變頻器。它們沒有安裝減速器和液力耦合器，其節能、效率高、運行穩定、噪音相對小。PMSM具有高極數、大輸出轉矩的特點，不僅大大提高了運行效率，而且節約了大量的成本。PMSM作為一種新型驅動方式，具有高效、節能、性能穩定等特點，符合當前選煤廠發展的趨勢。本電動機已在選煤廠推廣應用。