永磁電動滾筒在帶式輸送機升級改造中的應用

韓鵬

汾西礦業(yè)(集團)有限責任公司賀西煤礦 山西 汾西 031500

煤礦帶式輸送機是煤礦主要的運輸設備，目前井下帶式輸送機大部分采取傳統(tǒng)的傳動驅動方式，主要由異步電動機、液力耦合器、減速機、聯(lián)軸器等組成，這種機械傳動方式主要是通過電動機帶動減速機，減速后再通過滾筒驅動輸送帶，實現(xiàn)煤炭等物料的運輸。其啟動電流大，扭矩小，重載、過載情況下啟動困難，啟動時產(chǎn)生大電流沖擊電網(wǎng)，同時沖擊機械設備，穩(wěn)定性差，故障率高，并且后期維護保養(yǎng)成本高，嚴重制約煤礦安全生產(chǎn)。

隨著新設備、新技術、新工藝的推廣應用，賀西礦對部分耗能高、技術落后的設備進行更新改造，率先在三采區(qū)集中皮帶巷帶式輸送機實施設備技術更新改造，采用了安徽明騰公司研發(fā)生產(chǎn)的永磁電動滾筒，替換升級改造傳統(tǒng)的機械傳動驅動方式，配備變頻器組成了帶式運輸機的永磁變頻直驅系統(tǒng)，取得較好的效果。

1 永磁電動滾筒的工作原理

永磁電動滾筒實際是一臺永磁電動機，永磁體由稀土永磁材料制成，滾筒表面采用阻燃性、抗靜電性材料進行包膠，滾筒軸相當于電動機的定子部分，定子鐵芯由硅鋼片疊加固定到軸上，其中嵌入定子繞組，永磁電動滾筒的筒面相當于電機轉子部分，轉子鐵芯由硅鋼片疊加固定在滾筒的內表面，內嵌入永磁體，通入三相交流電后，產(chǎn)生一個以同步轉速推移的旋轉磁場，滾筒轉動直接在摩擦阻力下帶動輸送帶運行。

2 永磁電動滾筒主要技術特點

永磁電動滾筒是一種直驅式電動機，直接驅動皮帶，不需要減速裝置，簡化了傳動結構，提高運轉效率，不需要日常維護、檢修工作，節(jié)約了維修費用，降低了人工成本，省去了勵磁環(huán)節(jié)，具有能效高、功率因數(shù)高、啟動力矩大。該系統(tǒng)具有以下特點。

2.1 高效節(jié)能

傳統(tǒng)的異步電動機、聯(lián)軸器、減速機、液力耦合器組成的驅動系統(tǒng)傳動效率低，使用的Y系列異步電機能耗高。永磁電動滾筒省去了勵磁環(huán)節(jié)，效率高，直接驅動輸送帶，省去傳動環(huán)節(jié)，傳動效率高達 100%，能耗達到國家一級能耗標準，帶式輸送機使用永磁電動滾筒和變頻器的變頻直驅系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)運轉效率，節(jié)能效果明顯，運行成本低。

2.2 起動轉矩大，過載能力強

傳統(tǒng)的機械傳動驅動系統(tǒng)使用的三相異步電動機起動轉矩小，一般為額定轉矩的55%左右，只能滿足空載啟動要求，實際煤礦生產(chǎn)中常常出現(xiàn)重載起動的情況，驅動系統(tǒng)無法滿足滿載起動，需人工卸載，經(jīng)常重載起動會造成設備故障率高，嚴重影響安全生產(chǎn)。采用永磁電動滾筒和變頻器直驅系統(tǒng)，起動轉矩大，是額定轉矩的2倍，可直接起動，避免了因過載而造成的設備損壞，同時減輕了工人的勞動強度和設備維護工作量[1]。

2.3 避免電網(wǎng)及機械沖擊

永磁電動滾筒直驅系統(tǒng)運用變頻起動，實現(xiàn)系統(tǒng)變頻勻速起動，輸出力矩大，啟動平穩(wěn)，恒轉矩控制，避免了啟動瞬間大電流對電網(wǎng)的沖擊及轉矩波動給傳動系統(tǒng)帶來的機械沖擊，降低了供電系統(tǒng)故障率和機械故障率。

2.4 系統(tǒng)維護簡單

永磁電動滾筒變頻直驅系統(tǒng)去除了減速器，無齒輪磨損、無油脂泄漏，一體化布置，結構簡單，傳遞直接，占用空間小，維護量少，運行成本低。節(jié)省維護成本，維護簡便。

2.5 驅動智能化

兩臺及以上永磁電動滾筒驅動帶式輸送機時，通過變頻主從控制實現(xiàn)多機傳動及功率平衡，避免了因出力不均而造成的電機損壞。通過多種通信接口與上位機通訊，實現(xiàn)設備集中控制運行，能夠將運行數(shù)據(jù)傳送至地面調度室，實現(xiàn)無人值守、遠程控制、在線監(jiān)控功能。

3 帶式輸送機驅動系統(tǒng)改造方案

改造前三采區(qū)集中皮帶巷總長1200米，平均坡度5°，安裝兩部DSJ80/40/2×75型帶式輸送機，其中三采區(qū)西翼第一部帶式輸送機長550米，第二部帶式輸送機長650米，分別配備75kW異步電動機、減速器、液力偶合器和聯(lián)軸器各兩臺，帶寬均為800mm，運量為400T/h，帶速為 2m/s。2022年4月，對三采區(qū)集中皮帶巷帶式輸送機原機械傳動驅動系統(tǒng)進行升級改造，將三采區(qū)西翼原第一部和第二部帶式輸送機的4套電動機、減速機、聯(lián)軸器、驅動滾筒、機頭架及控制開關拆除，將第一部和第二部整合為一部帶式輸送機。在三采區(qū)西翼第一部機頭位置更換為一套 2×110kW的STYB 系列隔爆型永磁電動滾筒和變頻器組成的永磁變頻直驅系統(tǒng)[2]。

帶式輸送機永磁變頻直驅系統(tǒng)的升級改造，解決了傳統(tǒng)驅動存在的啟動電流大、易損壞電機減速機、重載壓死輸送機、電動機恒速運行等問題，實現(xiàn)了帶式輸送機節(jié)能運行，降低了故障點，有效提高了帶式輸送機運行的可靠性和運行效率。 帶式輸送機系統(tǒng)基本結構簡圖如圖1所示。

4 永磁電動滾筒配套變頻器選用

設計時選用具有回饋功能的四象限變頻器。可以實現(xiàn)能量的雙向流動，將電動機被動轉動時產(chǎn)生的電能回饋到電網(wǎng)，實現(xiàn)電氣軟制動。經(jīng)過設計選用 BPJ1-200/1140 型變頻器，額定功率200kW，額定電壓 1140V，冷卻方式為風冷。與永磁電動滾筒配套設計，具有恒轉矩輸出、大轉矩軟起動的特性，采用先進的三電平拓撲結構，諧波總畸變率遠小于二電平變頻器，電波形更平滑，極大的減少浪涌電壓和峰值對電機的影響。三電平變頻器有效降低電機軸電壓和軸電流，減小對電機軸承的損壞，增加電機的使用壽命[3]。

5 升級改造后應用效果

（1）永磁電動滾筒變頻直驅系統(tǒng)的升級改造，降低了供電電壓波動，減少對電網(wǎng)的沖擊，加速功能、運行速度可控，能控制電動機的啟動電流，實現(xiàn)帶式輸送機的平穩(wěn)啟動，避免了機械沖擊。

（2）在原有的設備基礎上進行永磁變頻直驅系統(tǒng)升級改造，使帶式輸送機能夠在煤量減少時降低運行速度，煤量增加時加快運行速度，實現(xiàn)了變頻拖動的帶式輸送機節(jié)能運行。

（3）永磁電動滾筒直驅系統(tǒng)的使用降低了設備事故造成的損失，減少了機械傳動部件的磨損，有效降低了設備維護、檢修工作量。采用變頻啟動，降低了啟動時對機械設備的沖擊，提高了帶式輸送機的運行效率，延長了帶式輸送機的使用壽命。

（4）節(jié)能效果明顯，提高功率因數(shù)，節(jié)約大量電能。經(jīng)比較改造前兩部帶式輸送機電動機功率為300kW，效率為85%，現(xiàn)在使用兩臺永磁電動滾筒功率為220kW，帶式輸送機每天運行16h，每年運輸200萬噸。

經(jīng)統(tǒng)計，改造前年消耗電量34.2萬KWh，改造后皮帶輸送機運量給定，年消耗19.3萬KWh，經(jīng)計算，采用變頻改造后，年消耗電量減少14.9萬Kwh，節(jié)能效率約為43.5%，效果顯著。

6 結論

通過永磁電動滾筒變頻直驅系統(tǒng)在帶式輸送機升級改造應用，運行穩(wěn)定，有效地降低了設備維護成本，減少設備故障率，減少電網(wǎng)和機械沖擊，節(jié)能效果明顯，提高了運輸系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。將帶式輸送機傳統(tǒng)驅動方式改造為永磁直驅方式，實現(xiàn)了節(jié)能、增效，提高了煤礦的生產(chǎn)效率，提升了礦井新技術、新產(chǎn)品裝備水平，為同類煤礦帶式輸送機的升級改造，開創(chuàng)了新路子，具有良好的推廣應用前景。