煤矿带式输送机永磁同步电机变频驱动技术与传统驱动技术比较分析及应用前景展望

神华神东煤炭集团设备管理中心 张 乐

煤矿带式输送机永磁同步电机变频驱动技术与传统驱动技术比较分析及应用前景展望

神华神东煤炭集团设备管理中心 张 乐

带式输送机作为矿井煤炭运输的重要设备，在煤炭生产过程中起着重要作用。在神东矿区带式输送机中已成熟应用的驱动方式有液力偶合器软启动方式、CST软启动方式及异步电动机变频驱动方式。永磁同步电机变频驱动技术近几年发展较快，其具有低转速大转矩、结构简单，传动效率高、安装简便、维护成本低等特点，但在煤矿带式输送机驱动中未得到广泛应用。通过以3×500kW可伸缩带式输送机为驱动对象，将永磁同步电机变频驱动与CST软启动及异步电动机变频驱动进行系统配置及经济效益比较分析，其优势明显，具有很高的推广价值。

煤矿；带式输送机；永磁同步；驱动；电机

1 神东矿区带式输送机驱动技术现状

带式输送机作为矿井煤炭运输的重要设备，在煤炭生产过程中起着重要作用。带式输送机在拖动运行过程中，为了避免直接启动中过高的起动力矩对电动机和输送带接头及机械部件的冲击，需要在带式输送机，特别是大型带式输送机的拖动控制中引入软启动技术。所谓软启动就是能够让动力输出装置在其系统即便是满载的情况下也能提供足够的起动时间，使起动加速度保持在设定的范围内，而且能够按照既定的要求逐步克服整个系统的惯性而平稳地起动或停车。目前在神东矿区带式输送机中已成熟应用的软启动方式有以下三种：

1.1 液力偶合器软启动方式

通过在电机与减速器之间安装液力偶合器实现。电机启动后带动液力偶合器的泵轮转动，泵轮带动水或油介质（煤矿要求选用水介质）流动，安装于减速器侧的涡轮在水压作用下拖动减速器运行。这种驱动方式使用较早，成本较低，启动过程不能控制，目前煤矿主要用于1米带宽及以下的小型带式输送机。

1.2 CST软启动方式

CST（controlled start transmissions 可控启动传输）设备具备减速和软启动双重功能，可通过电液控制系统对湿式离合器进行控制，实现在设定的时间内将带式输送机拖动到额定带速，或在停机时使带速在设定时间内降为零。这种驱动方式在煤矿井下带式输送机上应用较为广泛，因其可实现多驱功率平衡，主要用于1.2米带宽以上大型带式输送机。

1.3 异步电动机变频驱动方式

通过变频器向驱动电机进行供电，变频器具备优异的调速性能，其输出频率可在0-50Hz任意设定，启动和停车时间及曲线也可按需设定，可实现软启动、软停车、多驱功率平衡和定速带载，并且根据给定信号进行自动调速。近几年，随着隔爆变频器发展成熟，逐步向高电压、大功率方向发展，在神东矿区带式输送机用隔爆型变频器电压已达到3300V，单驱功率达到1000kW。

2 永磁同步电机变频驱动介绍及应用现状

近年来，永磁同步电动机得到较快发展，因其功率因数高、效率高等特点，在一些地面厂矿应用逐渐增多，某些场所已逐步取代交流异步电机，是一种新型节能电机，但在煤矿井下的应用才逐渐开始。

永磁同步电机变频驱动系统的核心是由永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor，以下简称PMSM）和专用变频控制系统组成。PMSM在结构上是由绕组与永磁体两部分组成。定子绕组在通电后，同样激发了一个旋转磁场，安装有永磁体的转子会跟随定子磁场，一起旋转起来。只要转子的负载转矩不超过设计的最大电磁转矩，转子转速会和定子始终保持同步，位置也保持相对静止。电机工作所需的磁通主要是由永磁体提供，几乎不需要外界的无功，所以其功率因数和效率明显高于异步电机。

PMSM安装有高精度速度传感器，可以将速度和转子绝对位置信号实时传送到变频控制器中。在控制策略上，变频器控制系统根据实时的电机磁极运动状态，施加矢量电流控制电机运转，对电机转速和转矩精准控制。可实现软启动、软停车、带载启动、多驱功率平衡等。

永磁同步电机变频驱动系统具备如下特点：1）永磁同步电机具有低转速、大扭矩的特点，可以直接与带式输送机驱动滚筒连接，不需安装减速器，驱动系统结构简单，安装简便，可靠性较高。永磁同步电机与异步电机转矩输出比较见图1；2）系统传动效率较高，永磁同步电机效率≥97%，普通异步电动机变频驱动系统，电机效率在95%左右，高速联轴器效率为99.5%，减速器效率95%，整体效率只能达到95%*99.5%*95%=89%左右；3）永磁同步电机变频驱动系统起停平稳，能实现带载起动；4）永磁同步电机维护周期长（比如电机轴承注脂周期约22000h，异步变频电机润滑周期一般为3000h左右），维护量小，维护成本低；5）永磁同步电机变频驱动系统多机运行时，能实现功率平衡。

隔爆型永磁同步电动机目前在国内煤矿已有部分成功应用的案例，但大部分驱动功率较小。永磁同步电机目前还没有在国内煤炭行业得到广泛应用。

3 永磁同步电机变频驱动与CST软启动及异步电动机变频驱动经济效益比较

本文以神东矿区使用较普遍的3×500kW可伸缩带式输送机为驱动对象，进行系统配置及经济效益比较分析（由于液力偶合器软启动方式不具备可控功能，在煤矿带式输送机拖动选型中已逐步被淘汰，本文未列入比较）。

1）3×500kW CST软启动系统需配置1台移动变压器和1台14回路组合开关进行供配电，井下10kV进线通过移动变压器变为1140V，再接入14回路组合开关向主驱动电机及CST油泵电机及风扇电机等辅助设备供电。主驱动电机与CST高速端连接，CST低速端与带式输送机驱动滚筒连接进行拖动。

2）3×500kW异步电动机变频驱动系统需配置2台变频专用移动变压器和1台变频器（12脉冲整流，并且可同时拖动3台变频电机）进行供配电。井下10kV进线通过移动变压器变为660V,2台移动变压器输出电压相位角互差30°，同时接入变频器（12脉冲整流变频器需相位互差30°电源同时供电）。变频器设有3个变频回路和多个工频回路，向3台主驱变频电机和减速器油泵电机等辅助回路供电。主驱变频电机与减速器高速端连接，减速器低速端与带式输送机驱动滚筒连接进行拖动。

3）3×500kW永磁同步电机变频驱动系统需配置1台移动变压器和3台变频器（永磁同步电机专用）进行供配电。井下10kV进线通过移动变压器变为660V，再分别接入3台变频器，每台变频器拖动一台永磁同步电机。永磁同步电机输出轴与带式输送机驱动滚筒连接进行拖动。这种连接方式不需安装减速器，结构简单、安装方便。

三种驱动方式的系统配置及经济效益比较如下表所示：

从上述比较可以看出，按10年时间计算，永磁同步电机变频驱动与CST驱动相比，采购费用增加398万，但维护费用节约224.25万元，电费节约1207.17万元；与异步电动机变频驱动相比，采购费用增加225万元，但维护费用节约68.25万元，电费节约467.05万元。

4 结论

综上所述，煤矿带式输送机驱动技术随着科技的进步不断向高效、节能的方向发展，每次驱动技术的革新都会带来巨大的经济效益。永磁同步电机变频驱动系统作为新型的带式输送机驱动技术，具有低转速大转矩、结构简单，传动效率高、安装简便、维护成本低等特点，目前由于采购成本高等原因尚未得到广泛应用，但其优势明显，具有很高的推广价值。

张乐（1987—），男，内蒙古包头人，工学学士，助理工程师，主要从事煤矿机电设备管理工作。