永磁直驅(qū)滾筒在帶式輸送機中的應(yīng)用探討*

白文飛

(晉能控股煤業(yè)集團煤炭洗選分公司 精煤分公司燕子山選煤廠，山西 大同 037000)

0 引 言

帶式輸送機是廣泛應(yīng)用于煤礦、金屬礦、選煤廠等領(lǐng)域的重要物料輸送設(shè)備，在選煤廠散煤輸送過程中發(fā)揮著重要的作用[1]。隨著當前煤礦開采量的不斷增加，選煤廠面臨著生產(chǎn)任務(wù)重、運量大、能耗較大且維護成本較高等問題[2]。目前國內(nèi)選煤廠使用的帶式輸送機大多使用三相異步電動機、聯(lián)軸器和減速器驅(qū)動滾筒傳動，整個傳動過程中機械損耗比較大，且使用的設(shè)備比較多，非常容易出現(xiàn)各種故障，導致傳動系統(tǒng)的維護成本比較高，多臺設(shè)備同時工作消耗的電能比較大且對環(huán)境的污染比較嚴重[3-5]。

為了解決傳統(tǒng)選煤廠帶式輸送機傳動系統(tǒng)存在的機械效率低、故障率較高、系統(tǒng)能耗大、維護成本高等問題，筆者提出了永磁直驅(qū)滾筒應(yīng)用方案，利用永磁直驅(qū)技術(shù)使三相交變電流驅(qū)動空間磁場產(chǎn)生驅(qū)動力矩，直接將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能實現(xiàn)直驅(qū)，省去了電動機、減速器和聯(lián)軸器等部件，使得整個傳動系統(tǒng)的效率大大提高，此方案占地面積減小、故障率降低、維護成本降低，經(jīng)工業(yè)應(yīng)用驗證，其節(jié)能效果可觀，具有良好的市場前景。

1 傳統(tǒng)帶式輸送機傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點分析

對于選煤廠帶式輸送機而言，驅(qū)動滾筒的系統(tǒng)主要由電動機、聯(lián)軸器和減速器組成，電動機將電力轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，通過聯(lián)軸器和減速器將動力傳遞到驅(qū)動滾筒，由驅(qū)動滾筒和輸送帶之間的摩擦力實現(xiàn)輸送帶的運動[6-9]。如圖1所示為永磁同步電動機驅(qū)動滾筒結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 永磁同步電機驅(qū)動方式組成示意圖

從圖1中可以看出，永磁同步電動機驅(qū)動三相異步電機實現(xiàn)電能向機械能的轉(zhuǎn)化，隨后通過中間傳動裝置實現(xiàn)機械能的傳遞。通過減速器、聯(lián)軸器等機械部件將動力傳遞給驅(qū)動滾筒，通過變頻器對電動機的轉(zhuǎn)速進行控制。傳統(tǒng)的帶式輸送機傳動系統(tǒng)使用的三相異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用壽命長以及保養(yǎng)維護簡單等優(yōu)點，但對于整個傳動系統(tǒng)存在如下問題。

(1) 三相異步電動機效率低，功率因數(shù)低。

三相異步電動機啟動過程中，需要通過三相繞組在空中產(chǎn)生磁場從而與內(nèi)壁的定子磁場作用產(chǎn)生驅(qū)動力矩，所以實際運行中三相異步電機有90%是工作在額定功率的70%以下，負載率70%時效率是在80%左右。由于異步電動機在磁場中會吸收無功功率，所以最后導致總的功率因數(shù)比較低，并且當負載率出現(xiàn)下降時，電機的功率和效率都會下降。

(2) 傳動系統(tǒng)機械功率較低，能耗較大。

帶式輸送機傳動系統(tǒng)主要由三相異步電動機、減速器和聯(lián)軸器等部分組成，其中減速器的效率為0.94，為降低能耗使用的液力耦合器效率為0.96，機械傳動效率為0.94×0.96=0.90。電壓降系統(tǒng)效率為0.92，多電機功率不平衡系數(shù)為0.93，則可計算出傳動系統(tǒng)總效率為77%。系統(tǒng)效率低，消耗電力能源較大，液力耦合器的效率<97%，至少會浪費總電力的3%，故整個傳動系統(tǒng)每年損耗電量非常大。

(3) 故障率高，維護量大，成本較高。

傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)部件較多，使用過程中易受煤礦井下復雜工況以及惡劣環(huán)境的影響，機械設(shè)備非常容易損壞，比如常見的液力耦合器軸承損壞、工作液體泄漏、葉片損壞以及減速器齒輪損壞、潤滑不良、密封漏油等，這些問題導致整個傳動系統(tǒng)的故障率較高，維護量較大，造成整個傳動系統(tǒng)的維護成本較高。

2 永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒方案設(shè)計

為了解決傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)存在的問題，文中創(chuàng)新性提出了永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒設(shè)計方案，將電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，從而省去了減速器、聯(lián)軸器以及液力耦合器等動力傳遞機械裝置。圖2所示為永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒由驅(qū)動滾筒本體、定子主軸、軸承座以及內(nèi)置電動機等部分組成，其中主軸是固定不動的，定子鐵芯由硅鋼片疊加固定在主軸上，在定子主軸上有三相繞組。當外部通入三相對稱電流時，將會在空間中形成三相磁場，電流產(chǎn)生的磁場與固定永磁體產(chǎn)生的磁場相互作用將會產(chǎn)生驅(qū)動力矩，驅(qū)動外轉(zhuǎn)子滾筒轉(zhuǎn)動。通過控制輸入三相電流的大小控制卷筒的轉(zhuǎn)速，通過控制三相電流的方向來控制轉(zhuǎn)向與啟停。圖3所示為永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒驅(qū)動原理圖。

圖3 永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)

如圖3所示，文中提出的永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒是將電動機置于滾筒內(nèi)部，主要由定子主軸、永磁體、定子鐵芯以及滾筒部件等組成。在滾筒內(nèi)壁安裝有永磁體，永磁體分為N極和S極，滾筒作為永磁同步電機的外轉(zhuǎn)子，當電流通過導線時將會產(chǎn)生磁場并與固定永磁體磁場作用產(chǎn)生驅(qū)動電磁力矩，從根本上改變傳統(tǒng)帶式輸送機的驅(qū)動和傳動方式，減少傳動環(huán)節(jié)，從而顯著提高傳動效率，結(jié)構(gòu)緊湊、安全，可靠性高，高效節(jié)能，此外采用永磁直驅(qū)技術(shù)可同時實現(xiàn)超低頻大扭矩啟動、低速運轉(zhuǎn)，該技術(shù)還具備無高速軸承，無諧波等特點。

3 永磁直驅(qū)滾筒變頻控制關(guān)鍵技術(shù)研究

永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒可將電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，通過對輸入電流的控制從而驅(qū)動外轉(zhuǎn)子滾筒牽引輸送帶實現(xiàn)物料輸送。將電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能需要對電流進行變頻控制，因而控制系統(tǒng)受外部擾動的響應(yīng)會比較強烈，這就導致永磁直驅(qū)滾筒的控制難度加大。為此，提出了永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒變頻調(diào)速控制系統(tǒng)方案，如圖4所示。

圖4 永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒控制系統(tǒng)模型

如圖4所示，直驅(qū)控制系統(tǒng)是利用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)來直接控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩，此系統(tǒng)可以保持恒定的定子磁場。利用直接轉(zhuǎn)矩的控制方式可將電動機定子磁鏈的幅值通過電壓空間矢量進行控制并使其變?yōu)楹愣ㄖ担诟淖冝D(zhuǎn)矩大小時需控制定子與轉(zhuǎn)子之間夾角。在Simulink中搭建控制系統(tǒng)模型，并對其進行仿真分析，得到如圖5所示的仿真分析曲線。

圖5 控制系統(tǒng)仿真分析結(jié)果

從圖5中可以看出，設(shè)定的轉(zhuǎn)速為50 r/min，在固定仿真時間段內(nèi)滾筒速度曲線表現(xiàn)比較平穩(wěn)；在梯形速度模式下，啟動瞬間產(chǎn)生一定的速度超調(diào)，但是在經(jīng)過短暫的0.4 s之后速度恢復到穩(wěn)定狀態(tài)，從中可以看出變頻控制系統(tǒng)方案魯棒性較強，抵抗外部干擾的能力較強并且能充分利用控制器自身優(yōu)點實現(xiàn)對運行過程控制。圖中速度曲線平滑控制下速度波動比較小，運行比較平穩(wěn)。

4 應(yīng)用與能效分析

為了驗證此永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒的應(yīng)用效果和優(yōu)勢，在山西某煤礦主斜井進行現(xiàn)場安裝和調(diào)試，圖6所示為永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒實物圖。表1所列為此次應(yīng)用的斜井帶式輸送機參數(shù)特征，其中使用永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電動機、減速器和聯(lián)軸器驅(qū)動。

圖6 永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒實物圖

表1 帶式輸送機參數(shù)表

圖6所示為永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒。應(yīng)用表明：此次提出的永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒實現(xiàn)了軟啟動，滿載運行工況下的實際啟動電流未超過額定電流的2倍。其中永磁電機的過載能力可達到2倍以上的額定轉(zhuǎn)矩。永磁直驅(qū)系統(tǒng)高效、節(jié)能，節(jié)電效果可達20%以上，整臺設(shè)備的維修費用非常低，人員成本大幅下降。

綜上所述，文中提出的永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒實現(xiàn)了集成化設(shè)計，將電動機內(nèi)置于滾筒內(nèi)部，整體占地面積更小，機械傳動效率達到了95%以上，并且使用變頻器進行控制啟動，實現(xiàn)了傳動系統(tǒng)的軟啟動，免維護，有效避免電動機啟動瞬間產(chǎn)生的較大電流對電網(wǎng)帶來的沖擊，降低了系統(tǒng)的電網(wǎng)故障以及機械故障，大大降低了維修成本，同時整個傳動系統(tǒng)鏈條縮短，整個系統(tǒng)的電能消耗大大降低，每年可節(jié)省維護費用達到12.85萬元，節(jié)省電費成本大約為190萬元，取得良好的應(yīng)用效果和巨大的經(jīng)濟價值。

5 結(jié) 語

針對選煤廠帶式輸送機傳統(tǒng)驅(qū)動方式存在效率低、設(shè)備數(shù)量多、能耗較大、成本較高等問題，提出了一種永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒設(shè)計方案，在組成結(jié)構(gòu)上省去了傳統(tǒng)的電動機、聯(lián)軸器、減速器等部件，將電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能從而使得機械效率大大提高，并對其永磁直驅(qū)變頻控制技術(shù)進行了研究，得出變頻控制系統(tǒng)魯棒性較強，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快、超調(diào)量小。經(jīng)某煤礦工業(yè)性應(yīng)用表明，此次提出的選煤廠帶式輸送機用永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子滾筒總占地面積小、模塊化程度較高、驅(qū)動控制系統(tǒng)靈活，通過軟啟動實現(xiàn)了對電路系統(tǒng)的保護，并且大大降低了系統(tǒng)的運行維護成本，對于選煤廠而言，每年可節(jié)省電力成本約為190萬元，取得了可觀的經(jīng)濟效益，具有很高的推廣價值。