带式输送机新型驱动系统的开发与研究

刘金丽

（晋中学院，山西 晋中 030600）

0 引 言

带式输送机新型驱动系统是由输送机机头、永磁直驱电机和永磁同步变频器组成的永磁系统，传动效率在93%左右，采用的永磁同步电机能耗达到国际IE4标准（高于国家一级能耗标准），综合节能率比传统驱动系统提高了20%以上，每年可节电近10万元。

1 永磁系统的特点

1）系统实现软起动、免维护。该系统运用变频器控制启动，能实现系统传动的缓慢匀速起动，避免了电机起动的瞬间大电流给电网带来的冲击，以及转矩瞬时剧增给传动系统带来的机械冲击［1］，由此降低了系统的电网故障和机械故障，同时由于比原系统减少了液力耦合器及减速器，在维修费用上每年至少可节约3～5万元，从而降低了维护成本。

2）实现功率平衡。当该系统采用多电机主从控制驱动时，可实现功率平衡，能避免多电机因出力不平衡而造成的电机损坏［2］。

3）永磁直驱变频系统起动转矩。现在永磁直驱系统相比较传统的异步变频系统控制方式具有优越性：传统异步电机采用标量（V/F）控制，缺点是在低频时，启动转矩不足。一般用于风机、水泵类负载。启动特性曲线如图1所示。永磁直驱变系统采用矢量控制，优点是启动转矩大，动态响应快，适合于皮带机类负载。启动特性曲线如图2所示。

4）起动转矩大。该系统的永磁同步电动机能恒定输出额定负载转矩2.8倍的起动转矩，而传统驱动系统使用的异步电动机在同功率条件下的起动转矩是额定负载的55%，不能满足系统的正常起动，为了系统正常起动，需增大电机容量来满足起动转矩，但系统正常运行后，就造成了大马拉小车现象。

5）降低系统变压器容量。系统功率因数高，永磁直驱带式输送机系统采用变频器驱动具有很高的功率因数，与原系统相比可降低变压器的容量［3］。

6）缩小变压器的体积。由于变频器采用交直交变频技术，所以给变频器供电可采取高频电源，采用高频电源后可以大大地缩小变压器的体积。

图1 异步电机启动特性

图2 永磁电机启动特性

7）丰富的通讯功能。 可支持 CAN、RS485、PROFBUS DP等多种通信接口的接入，可实现与上位机通讯，实现多台设备集中控制运行，可将运行数据传送至地面调度室进行在线监测。

2 永磁系统使用情况及反馈意见

2.1 永磁系统使用情况

永磁直驱系统使用情况如表1所示。

2.2 永磁系统使用后的反馈意见

采用新型永磁系统具有以下优点：1）皮带机慢速启动，保护胶带，不洒煤，减少了工人工作量；2）振动小，运行平稳，减少了联轴器、减速器、同步齿轮的安装，维护量小；3）节电效果明显。

但也存在以下缺点：1）电机存在进水问题；2）皮带机拉力没有原先皮带机拉力大，运输距离短；3）电机体积大，占用空间大，井下安装运输不便；4）电机存在的退磁问题；3）系统供电现为660 V，矿上供电多为1 140 V；4）变频器上级开关发生过跳漏电保护故障；5）变频开关对供电系统造成一定的干扰；6）电机轴头强度出现问题；7）皮带机张紧力度不够；8）主从双机功率平衡动态响应慢、急停和复位双机不关联，设置参数功能不完善、再次上电电机方向不能保持等。

表1 永磁直驱变频驱动系统使用表

图3 电机转子结构及永磁体布置图

3 产品改进

因篇幅限制，现只针对退磁问题，以及主从双机设置参数功能不完善、功率平衡动态响应慢、急停和复位双机不关联、再次上电电机方向不保持的改进措施这两方面的问题介绍改进措施。永磁电机转子结构及永磁体布置图如图3所示。

3.1 改进措施一

3.1.1 工作点和拐点的定义介绍

退磁曲线为磁滞回线的第二象限部分，它是永磁材料的基本特性曲线。其表示的是磁通密度与磁场强度间的关系。如图4中的曲线Br-Hc。

永磁电机运行时受到的作用的退磁磁场强度是反复变化的。当对已充磁的永磁体施加退磁磁场强度时，磁通密度沿图4（a）中的退磁曲线BrP下降。如果在下降到P点时消去外加退磁磁场，则磁密并不沿退磁曲线恢复，而是沿着另一近似直线PR曲线上升。若再施加退磁磁场强度，则磁密沿着新的同样近似直线PR曲线下降。该直线成为回复线。就是说，具有类似图4（a）所示退磁曲线的永磁体，在施加退磁磁场后，磁性能不可恢复。

有人提出“大单元”“中单元”“小单元”的概念，主要是从选择核心内容的范围大小来确定的。比如，围绕“方程”这个核心内容，将初中所有有关方程的内容（一元一次方程、二元一次方程组、一元二次方程）整体来看待，从初中方程的定位、目标以及方程本身的本质要求角度，进行整体的设计，这就体现了“大单元”的概念，这对教师的要求也是比较高的。有理数的运算、一元二次方程等就是完整的自然章节（中单元）。而图形相似中的图形位似也可以作为一个单元，三角形全等条件的探究内容也可以作为一个单元（小单元），进行整体设计实施。

烧结NdFeB永磁材料在常温或者较低温度下，退磁曲线为一直线。但在温度较高的情况下，退磁曲线的上半部分为直线，下半部分开始拐弯，开始拐弯的点称为拐点。当永磁体工作点高于拐点k时，回复线与退磁曲线的直线段重合。永磁体性能可恢复［4］。

图4 回复线与退磁曲线

而当永磁体工作点低于拐点k时，新的回复线RP不再与退磁曲线重合（见图4（b））。同样造成永磁体性能不稳定。

因此，保证永磁体退磁现象不在永磁电机中发生，可采取降低拐点k，并确保永磁体的工作点永远高于拐点。

3.1.2 防止永磁体发生退磁的措施

首先，要降低永磁体的拐点，必须努力提高永磁体的性能，如内禀矫顽力，当其大于某个值后，永磁体的退磁曲线全部为直线，而且回复线与退磁曲线重合，不会造成不可逆退磁。因此，要求永磁体厂家提供永磁体样品的退磁曲线。

其次，在永磁电机设计中，温度和最大去磁工作点的确定很重要。

2）最大去磁工作点的确定。当没有控制器保护，永磁电动机工作于起动、堵转、突然停转或者突然反转等运行状态，此时绕组中的电流常常是额定电流的几倍甚至更大。此时的电枢反应去磁作用明显，因此从电机运行可靠性出发，校核永磁体的最大去磁工作点，使其位于永磁体退磁曲线拐点之上。

3）利用有限元分析。应用有限元软件进行永磁电机的分析计算，所得出的磁力线分布图如图5所示。

通过有限元可以仿真永磁体的实际工作状态，其分析结果精确直观。通常情况下，最易发生退磁的位置在磁极的极尖处，因此，对于表面式的永磁体安装方式，可以将磁极极尖削去。

图5 磁力线分布图

3.2 改进措施二

针对主从双机设置参数功能不完善、功率平衡动态响应慢、急停和复位双机不关联、再次上电电机方向不保持等问题，采用以下4种方法进行改进：

1）增加了主从双机功率平衡的设置参数组，使得主机的速度模式参数和从机力矩跟踪模式参数更加人性化，提高现场调试效率，及时根据负载调整参数设置。

2）主从双机功率平衡由原来的模拟量脉冲给定更换为CAN总线通讯，动态响应好，抗干扰能力增强。

3）增加主从双机功率平衡的双机急停并联、双机复位并联九芯端子引线，有效避免单机独立工作。

4）增加了断电保存功能，主从双机功率平衡参数和组态屏参数都具备断电保存功能，避免重新上电参数变化、设备的误动作，可靠性增强。

4结 语

带式输送机新型驱动系统的研发成功，为我们在矿用设备领域研制开发具有自主知识产权的 “绿色矿用设备”进行了有益的探索。通过试验、改进，使得现有的驱动系统更加完善，为今后矿井带式输送机的高产高效起到了一定的促进作用。

［1］ 徐正平.电控永磁系统的创新应用——访意大利泰磁（Tecnomagels S.p.A.）公司中国区首席代表李黎先生［J］.世界制造技术与装备市场，2003（2）：112－113.

［2］ 邓永胜，宋伟刚，赵琛.双滚筒传动带式输送机的电动机功率平衡［J］.东北大学学报，2000(5)：520-523.

［3］ 丁婷婷，王秀和，杨玉波，等.供电电压变化对永磁同步电动机性能的影响［J］.电机与控制学报，2005（6）：79-82.

［4］ 李钟明，刘卫国.稀土永磁电机［M］.北京：国防工业出版社，1999.