低速大轉矩永磁直驅傳動系統在礦井提升機上的應用

劉坤良，徐永福，杜 波，李文灑

1中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

2智能礦山重型裝備全國重點實驗室 河南洛陽 471039

礦 井提升機是利用電動機驅動卷筒，卷筒帶動鋼絲繩牽引提升容器，沿井筒或斜坡道進行提升的機械設備。它主要用于提升煤炭、礦石、矸石，下放材料，升降人員和設備，是聯系礦井井下和地面的“咽喉”設備。傳統的礦井提升機傳動系統效率低，能耗大，維護量大，可靠性差；現急需一種效率高、可靠性高、節能降耗的傳動系統來滿足礦山節能減排、綠色生產需求[1]。

1 礦井提升機傳動系統

礦井提升機根據原理不同，分為單繩纏繞式、多繩摩擦式、多繩纏繞式提升機。纏繞式和摩擦式提升機根據驅動電動機的類型不同，其傳動系統可分為以下兩種。

1.1 異步高速電動機+減速器傳動系統

礦井提升機采用異步高速電動機時，其傳動系統如圖1 所示，通常稱之為Ⅰ型。它包括異步高速電動機、彈性棒銷聯軸器、減速器、齒輪聯軸器、主軸裝置。該傳動系統比較成熟，雖然其傳動鏈軸向方向尺寸較大，占地空間較大，效率低，故障點多，維護量大，但是由于一次性投入相對較少，在礦山開采中應用較多，主要用于中小規格礦井提升機。

圖1 Ⅰ型多繩摩擦式提升機傳動方式Fig.1 Drive mode of type I multi-rope friction hoist

1.2 電勵磁低速直聯同步電動機傳動系統

礦井提升機采用電勵磁低速直聯同步電動機時，其傳動系統如圖2 所示，通常稱之為Ⅲ型。電動機與提升機共用主軸；電動機轉子采用錐孔過盈配合與提升機主軸相連，傳扭能力大；利用液壓工具進行安裝及拆卸，技術成熟；軸向尺寸較小，占地空間小。由于需要對電動機進行電勵磁，損耗較大，且需對碳刷和滑環進行維護，該傳動系統主要應用于中大型礦井提升機。

圖2 Ⅲ 型多繩摩擦式提升機傳動方式Fig.2 Drive mode of type III multi-rope friction hoist

2 變頻調速永磁電動機工作原理及特點

2.1 工作原理

永磁電動機采用永磁體磁極代替電流勵磁的磁極，磁鋼設置在轉子中，不需要輸入電流就可以產生磁場。在運行過程中，借助永磁體產生的旋轉磁場，轉子與旋轉磁場同步旋轉。永磁直驅電動機不需要無功勵磁電流，可以顯著提高效率和功率因數，減少定子電流和定子損耗[2]。

2.2 特點

相比于異步電動機，永磁電動機轉子結構簡單，沒有勵磁繞線組，轉子銅耗較少，負載率相同時，其功率因數比同規格的異步電動機可提高 10%～15%[3-4]，效率也高于異步電動機。異步電動機與永磁電動機功率因數與效率對比如圖3、4 所示。

圖3 功率因數對比曲線Fig.3 Comparison curves of power factor

圖4 效率對比曲線Fig.4 Comparison curves of efficiency

與電勵磁同步電動機相比，永磁電動機在性能方面與之相當，但永磁電動機具有自己的優勢。永磁電動機極對數多，額定頻率點高，易于實現超低速運行；不需要勵磁電流，也不存在碳刷和集電環之間的接觸損耗，維護簡單，整體效率高，運行更加節能[5]。

2.3 變頻驅動調速工作原理

變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。它將電網提供的恒壓、恒頻的交流電轉變成提升機所需要的新的電壓和頻率的交流電，實現對電動機的無極調速，來滿足礦井提升機不同提升階段的速度需求[6]。低速直聯永磁同步變頻驅動傳動系統配備永磁直驅變頻器，運行穩定，過載能力強，更適用于礦井提升機運行工況。

3 低速直聯永磁同步變頻驅動傳動系統

3.1 系統組成及特點

礦井提升機采用低速直驅永磁同步電動機時，具體布置如圖5 所示。永磁同步電動機與提升機主軸裝置直接采用齒輪聯軸器連接，結構簡單，軸向尺寸小，占地面積小。由于省掉了減速器及潤滑站，傳動鏈大大縮短，提高了傳動效率，節約了維護及用油成本，提高了設備運轉率。

圖5 低速永磁直驅礦井提升機傳動方式Fig.5 Drive mode of mine hoist with low-speed permanent magnet direct drive

礦井提升機采用永磁同步電動機直驅，使用永磁專用變頻器，電流/轉矩動態響應快，可消除起車超調及啟動沖擊，實現零速滿轉矩輸出，停車穩定無沖擊，更適用于提升機運行工況。

3.2 與傳統傳動系統的對比

以 JKM-2.8×4 多繩摩擦式提升機為例，其提升系統參數：采用 ZZDP900 行星齒輪減速器；提升機主軸負載功率按 1 120 kW 計算；提升機年工作 330 d，每天 3 班，每班 8 h。永磁同步低速直聯變頻驅動系統與傳統的礦井提升機傳動系統對比情況如表1、2所列。

表1 傳動效率對比分析Tab.1 Comparative analysis of drive efficiency

表2 節能效果對比分析(滿載運行)Tab.2 Comparative analysis of energy saving effect(full-loading operation)

由表1、2 可知，低速直聯永磁同步變頻驅動系統的各項指標均占優勢。它占地空間小，總傳動效率高，故障點少，維護量小，節能效果顯著，符合礦山節能減排、綠色生產需求。

4 提升機永磁變頻驅動電控系統

礦井提升機永磁變頻驅動電控系統主要由高低壓開關柜、PLC 控制柜、永磁專用變頻器、控制板、接口板、位移傳感器、磁開關等組成。

礦井提升機永磁變頻驅動電控系統為了滿足礦井提升機的工況需求，采用六大核心技術，包括有源前端四象限控制技術、最大轉矩電流比矢量算法、載波移項多電評級聯技術、靜態轉子位置辨識技術、雙電動機平衡控制技術、堵轉及懸停控制技術。

(1)有源前端四象限控制技術基于虛擬磁鏈和 dq矢量變換，電流響應快，能量快速雙向流動；

(2)最大轉矩電流比矢量算法技術基于 Foc 高性能矢量控制算法，動態特性好，起制動平滑；

(3)載波移相多電平級聯技術基于載波移相技術實現多電平級聯，輸出電壓高，波形正弦、諧波小；

(4)靜態轉子位置辨識技術高頻信號注入，無需開車自動檢測轉子位置，擺脫編碼器限制；

(5)雙電動機平衡控制技術基于高速光纖通信及主從轉矩平衡控制，轉矩不平衡度≤ 1%；

(6)堵轉及懸停控制技術通過轉矩前饋、限幅等技術實現堵轉及懸停功能，防止溜車，停車沖擊小。

主控系統采用以上核心技術具備高可靠性，可實現小于 0.1 m/s 超低速運行及零速懸停控制，保證提升機制動更加平穩。

5 低速直聯永磁同步變頻驅動應用

目前，中信重工生產的單繩纏繞式、多繩摩擦式礦井提升機均已廣泛采用低速直聯永磁同步變頻傳動，并已應用于實際項目中，如圖6 所示。其中，圖6(a)為單繩纏繞式提升機；圖6(b)為多繩摩擦式提升機，它用于內蒙古大中礦業，這也是當時國內首次在多繩摩擦式礦井提升機上使用永磁同步低速直聯變頻驅動。該項目為中信重工機-電-液成套供貨，配備自主研發的 CHIC1000PM 系列提升機永磁直驅四象限高壓變頻器。經過調試，該設備順利投運，現場運行情況良好，性能穩定。

圖6 低速直驅永磁同步傳動礦井提升機的現場應用Fig.6 Field application of mine hoist with low-speed direct drive permanent magnet synchronous drive

6 結論

(1)礦井提升機采用低速直聯永磁同步變頻驅動，較傳統傳動系統占地空間小，日常維護量小，可靠性高。該驅動系統利用變頻器技術，可以實時調節轉速和輸出轉矩大小，低速性能好，動態響應快，節能效果顯著。它在給用戶維護帶來便利和實際效益的同時，也符合國家礦山節能減排、綠色生產需求。

(2)礦井提升機老舊設備改造項目可參考采用低速永磁直驅同步傳動方案。

(3)目前應用的低速直聯永磁同步變頻驅動系統，由于齒聯傳扭能力限制，提升機規格相對較小，后期可開發錐孔直聯式永磁同步驅動系統用于大型礦井提升機。