永磁變頻節能技術在煤礦機電設備中的應用

吳衛國 李 春

（棗莊礦業（集團）有限責任公司田陳煤礦，棗莊 277523）

近年來，煤礦機電設備逐漸引入諸多技術手段，其自動化及智能化水平持續提升。煤礦機電設備節能始終是煤礦事業發展的一個重要內容。為實現煤礦機電設備節能目標，永磁變頻節能技術被應用于煤礦機電設備。相較于其他變頻技術，該技術手段能夠提升煤礦機電設備的工作效率，降低設備能耗，減少設備維護成本支出。但是，該技術在煤礦機電設備中的應用時間較短，要想更好地發揮該技術的實際價值，必須深入探究其在煤礦機電設備中的具體應用[1]。

1 永磁變頻節能技術原理

永磁變頻節能技術的應用主要是調整電機工作頻率，控制其實際運行速度，最終達到節能的目的。通常情況下，當三相對稱電流經過定子時，電機中會產生多級旋轉磁場，其實際級數與定子相同，均為2p。三相電流頻率f與磁場旋轉速度n之間存在密切聯系，表達式為

式中：p為電機的極對數。

定子旋轉磁場可與級數相同的轉子磁場形成作用關系，在定子旋轉磁場的帶動下，能夠使轉子處于轉動狀態。同時，在永磁變頻節能技術支持下的電機，其轉子的轉動速度與旋轉磁場的轉速相同，因此這種電機被稱為永磁同步電機，結構如圖1 所示。三相交流電流經定子繞組時，往往會出現阻礙電流通過的力，即電動勢。定子旋轉磁場磁極與轉子磁極間的位置關系，與電動勢密切相關。當定子旋轉磁場兩個相鄰磁極間存在轉子磁場磁極中線時，電動勢呈現最大值；當兩磁場相對位置向后偏離時，電動勢呈現最小值。反電動勢隨著兩者位置距離的增加而減小，此環節電機電流及轉矩處于逐漸增大趨勢。負載轉矩不斷減小時，會出現相反的情況。定額負載為25%～120%時，永磁電機能保持較高的功率及功率因數，節能作用更加明顯，相比于普通變頻電機，其作業功率高出5%～10%[2]。

圖1 永磁同步電機結構

2 永磁變頻節能技術的應用優勢

永磁變頻節能技術具有諸多應用優勢。第一，更加節能、高效。應用永磁變頻節能技術的永磁同步電機，其轉子為永磁材料能夠使電機本身帶有磁場。而異步電機需要電流帶動才能使轉子勵磁，會出現無功電流。因此，永磁變頻節能技術能夠使機電設備效率更高，更加節能。不同負載率下永磁變頻驅動系統與異步電機驅動系統效率對比如表1 所示。第二，啟動性能好。在永磁變頻節能技術的支持下，變頻器能結合實際需要緩慢增大煤礦機電設備的轉速，實現軟啟動效果。永磁變頻驅動系統還能夠有效減少整個傳動系統的機械沖擊。第三，變頻控制精準。在煤礦開采環節，由于落煤量不一致，輸送機負載不穩定。應用永磁變頻節能技術的控制系統能快速響應，控制煤礦機電設備，確保其輸出合理的轉速與轉矩，同時可以控制其他系統并良好配合，在全矢量算法的支持下實現精準控制。

表1 永磁變頻驅動系統與異步電機驅動系統效率對比

3 永磁變頻節能技術在煤礦機電設備中的具體應用

3.1 在皮帶輸送機中的應用

皮帶輸送機是煤礦開采運輸過程中不可或缺的設備，也是煤礦生產活動順利開展的關鍵設備[3]。但是，因皮帶輸送機在實際運行中會面臨較大的負荷，往往存在能耗較大的問題。通過應用永磁變頻節能技術，能明顯降低能耗，提高運輸效率。借助永磁變頻技術，結合皮帶輸送機的電機情況對其進行有效控制。在科學調速下，永磁變頻器能結合工作需求，對設備負載及速度實施針對性調整，以降低能耗。永磁變頻節能技術主要是通過在皮帶輸送機中安裝永磁驅動設備進行應用。不同類別永磁電機的特點及應用領域如表2 所示。

表2 不同類別永磁電機的特點及應用領域

皮帶輸送機中的永磁驅動設備調速控制系統主要包含如下部分。

第一，檢測單元。檢測單元的各構成部分分別采集不同的數據。其中：核子皮帶秤主要采集運量數據；電流互感器與變送器主要采集電機電流數據；轉速傳感器負責獲取轉速數據，并將其轉換為電壓數據；帶速傳感器負責獲取帶速數據，并將其轉換為電壓信號。檢測單元獲得各項數據后，傳輸給核心模塊。

第二，控制單元。可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）接收檢測數據后進行分析，根據分析結果控制皮帶輸送機，實現節能調速等功能。此外，控制單元具有多種故障保護功能，能夠確保設備良好運行。

第三，執行單元。PLC 向變頻器發出指令，變頻器根據指令要求向電動機輸出相應電壓，從而調節電機速度，確保皮帶輸送機功能的實現。應用永磁變頻節能技術來改造皮帶輸送機，使其具有更加穩定的性能。改造后，皮帶輸送機的系統功率因數大于0.9，能避免出現較多無功功率。在變頻器正常工作的情況下，其傳遞效率比液力偶合器驅動高5%～10%。此外，在永磁變頻節能技術的支持下，系統可結合實際負載情況自動調整輸出力矩和頻率，避免恒速運行產生較大的能源消耗。

3.2 在流體負荷設備中的應用

煤礦中的水泵、風機等均屬于較為常見的流體負荷設備，在實際運行過程中，往往結合具體需求來設定相應參數[4]。在煤礦流體負荷設備中應用永磁變頻節能技術，能科學調控運行速度，從而實現流體負荷設備的節能目標。例如：將永磁變頻節能技術應用于煤礦水泵，永磁變頻器能結合水位變化情況，科學調整水泵轉速，還可避免水泵啟動次數過多，使其長期處于良好的運行狀態；將永磁變頻節能技術應用于煤礦風機，永磁變頻器可結合實際需要對風機實施調速控制，在確保風機運行效率的同時，減少能源消耗與成本支出。對于煤礦流體負荷設備，需要實時調整其壓力與流量，但傳統變頻器調速時通常會耗費大量時間，且響應速度較慢，而應用永磁變頻器能快速采集信息數據，實現設備的快速調整，有效降低能源消耗。

3.3 在大功率設備中的應用

煤礦生產環節應用的大功率設備主要包括空壓機、卷揚機等。只有保證這些設備良好運行，才能使煤礦的生產效率更高，實現穩定發展。但是，在傳統驅動模式下，煤礦大功率設備存在種種問題，包括噪聲大、能源浪費、運行效率不高等。因此，需要通過應用永磁變頻節能技術，降低煤礦大功率設備的能耗，提升其運行效率。一方面，可以應用永磁同步電動機。該設備具有較多優勢，不僅不會產生較大的噪聲，還具有較高的功率因數。相較于傳統異步電機，永磁同步電動機更能節省能源。另一方面，可以應用變頻器。變頻器可結合負載情況，自動調整設備輸出電壓及頻率，確保煤礦大功率設備運行狀態良好。例如，將變頻器應用于空壓機中，可有效調整該設備的輸出壓力、運行速度，使其滿足不同負載需求，降低能源消耗；將變頻器應用于卷揚機，可對電機運行速度加以控制，還能控制設備啟停，確保其具有更高的運行效率。由此可見，在煤礦大功率設備中應用永磁同步電動機和變頻器，能在有效控制大功率設備的同時，獲得良好的節能效果。此外，在實際應用過程中，應做好設備保養及維護工作，確保其處于良好的運行狀態，降低故障問題發生概率[5]。

4 應用效益分析

將永磁變頻節能技術應用于煤礦機電設備中，具有如下應用效益。第一，通過應用永磁變頻節能技術，煤礦機電設備具有更高的運行效率，便于煤炭運輸，減少空間占用。第二，在永磁變頻節能技術的支持下，系統電動機與傳動滾筒能夠直接連接，便于安裝和調試，節省時間、人力與物力。第三，通過應用該技術手段，煤礦機電設備能恒轉矩緩慢勻速啟動，避免因啟動時電流過大而出現的系統故障。第四，在傳統驅動系統下，煤礦機電設備啟動轉矩過小，僅能達到額定轉矩的50%左右，不能達到滿載啟動效果，通常需要將物料卸下才能成功啟動，易發生電動機故障問題。應用永磁變頻節能技術可明顯提升電機啟動轉矩，最高可達額定轉矩的2 倍，即使輸送機滿載也能直接啟動，無須卸載，可有效避免電動機出現過載損壞問題，降低了人員工作強度。第五，永磁變頻節能技術的應用使得永磁同步變頻直驅系統無須安裝減速器等裝置，系統更加可靠、穩定，不會產生較大噪聲，使用成本低且不用頻繁維護。

5 結語

煤礦生產環境復雜、自然條件惡劣，嚴重威脅著礦工的生命安全。目前，煤礦企業為提升生產效率、保障人員安全，積極引入先進的技術手段，使得煤礦機電設備技術水平不斷提升。但是，煤礦設備運行過程中，仍面臨較大的能源消耗問題，通過將永磁變頻節能技術應用于煤礦機電設備，可有效降低設備能耗，提升運行效率。未來永磁變頻節能技術將促進煤礦機電設備向更加節能、智能的方向發展。