同步永磁电子电机在贮柜中的应用

文/吴 涛 迟大有 刘 玉 阿 梅 陈玉鹏

贮柜是卷烟厂生产线上的主要贮存设备，如图1。贮柜主要用于贮存物料，通过多种配方原料在同一空间的存储，对不同种类的物料进行预混、使物料混合均匀，可以达到将不同物料配方进行比例混合的工艺目的；还可用于对物料进行醇化、料液的吸收、物料水份的平衡等等；通过对物料的存储调节和平衡整线生产，达到工艺要求。

烟草行业现有的贮柜类设备的输送链带均有载荷大、运行速度慢的特性，由于普通变频技术调速范围1:5左右，为满足工艺要求,为获得合适的运行速度,输送链带驱动源通常由普通异步电机和大速比（1000～10000）减速箱组成。大速比的结构会导致电机侧感知负载的能力反比例缩小，发生故障时电机的电流过载保护仍不会启动，致使造成主动轴扭断、贮柜整体变形倒塌等重大事故。针对这个问题，我们提出使用一种新型同步永磁电子电机和小速比减速机组合来替代原输送链带驱动源，利用新型同步永磁电子电机的恒扭矩超宽调速范围和高过载能力特性，使输出扭矩变化可精确反映为电流变化值，并进行电流过载保护跟踪控制，达到保护设备的目的。

一、现有贮柜输送链带驱动应用分析

以云南烟草设备有限公司中型贮柜为实例，计算分析在空载和负载情况下驱动贮柜输送链带（如图2）的异步电机输出扭矩变化对应的电流变化。由于计算目的是为了分析负载变化导致的电流变化量，在负载计算过程中忽略了物料与壁板的摩擦力及耙料轴阻力。所选的贮柜及减速电机规格参数如表1和表2。

1.空载计算

F1—链条最大静态张力（kN）

L1—100mm

L2—输送链带中心距23230mm

V—链条速度0.436m/min

m—输送装置的重量201.5kg/m

图1：贮柜结构示意图

图2：贮柜输送链带示意图

表1：所选贮柜规格参数

表2：所选减速电机规格参数

表3：两种驱动系统规格参数

表4：测试结果

图3：贮柜底带计算简图

f1—链条与导轨间的摩擦系数0.08

g—重力加速度9.8m/s

W—最大输送物料流量5 t/h

M—每米物料重量[散装物料：M=(1000/60)×W/V=191.1kg/m]

空载时链条最大静态张力计算：0+3.91=7.58(kN)

空载时减速箱输出扭矩计算：

空载时电机输出扭矩计算：

空载时电机工作电流计算：

2.负载计算

负载时链条最大静态张力计算：

负载时，减速箱输出扭矩计算：

负载时，电机输出扭矩计算：

负载时，电机工作电流计算：

3.计算结果分析

通过计算发现由于选用大速比减速机，贮柜由空载到满柜负载运行时电机工作电流仅增加了0.139(A)。满柜负载工作电流0.442(A)远低于电机额定电流40%（0.728A）,普通异步电机空载电流即达到额定电流的40%～60%，由于普通异步电机电流力矩特性（如图4）意味着电机输出扭矩在电机额定扭矩60%以下变化时，无法通过电流反映出实际输出扭矩，因此运行过程中一旦出现堵料，异物阻卡等，电机的电流过载保护不会启动，若发现不及时，造成主动轴扭断、贮柜整体变形倒塌等重大事故。

若生产线工艺发生改变时，外置变频器的调速范围1:5经常不能满足设备工艺需求。为节省设备改制成本，通常首选方案是改变传动链轮的大小，来获取输出转速的改变。但尽管如此，也时常不能满足在线工艺要求的速度。

二、同步永磁电子电机的特点及在输送链带驱动中的应用

1.同步永磁电子电机的特性

（1）恒扭矩宽调速范围1:2000。

（2）超宽调速范围和高过载能力相结合。

（3）基于永磁材料设计的电机，通过电流控制对力矩控制的能力和精度较传统电机大幅提升。

2.应用方案

如图5，采用同步永磁电子电机的贮柜输送链带驱动。同步永磁电子减速电机5启动后通过传动链轮4驱动贮柜输送链带运行，通过连接带有的集成网络控制模块及调速装置1的外部设备,监控同步永磁电子电机5的工作电流与转速，此时的电流值为设备正常运行时电流，在此电流值基础上设置一个保护电流值(工作电流值的1.5倍左右)并加以延时（延时的目的是为屏蔽设备启动瞬间电流值超过设置的保护电流值而造成电机控制系统切断电流，贮柜停机现象。）

由于同步永磁电子电机电流与力矩变化特性（如图6），当贮柜运行过程中发生堵料、输送链带卡滞现象时，减速机3输出扭矩瞬间加大，输出扭矩的变化通过一级减速机3后，仍有至少大于20%的作用力反馈到同步永磁电子电机5上，致使同步永磁电子电机5电流急剧加大，当输出电流增大至突破保护电流值时，电机控制系统切断电流，贮柜停机，达到保护设备的目的。根据步永磁电子电机5恒扭矩宽调速范围的特性，可以设置减速机3输出转速来满生产线的工艺要求。

三、样机实验

1.实验目的

本次试验通过选用SEW公司新型超高效DRC电机，来验证由同步永磁电子电机组成的贮柜输送链带驱动系统对贮柜的保护功能。

图4：普通异步电机电流力矩特性图

图5：同步永磁电子电机的贮柜输送链带驱动

图6：同步永磁电子电机电流力矩特性图

2.实验对象

川渝中烟工业公司四川公司什邡分厂制丝车间6#贮叶柜。

3.实验过程

（1）拆除制丝车间6#贮叶柜的驱动系统后直接更换新的DRC电机驱动系统。两种驱动系统型号、规格、参数，如表3。

（2）通过来自控制柜的开关量启动信号对DRC电机进行启停控制，速度通过DRC电机上自带的调速电位计进行直接设定。

（3）测试贮柜空载和负载两种情况，根据实际的工作电流值来设置过载保护电流值，为屏蔽设备启动瞬间电流值超过设置的保护电流值而造成电机控制系统切断电流设置5S延时,测试结果如表4。

4.实验结论

（1）由于采用小速比减速机贮柜由空载到满柜负载运行时电机工作电流变化了0.9(A)，变化量达到电机额定电流27%，扭矩变化更精确反映为电流变化。

（2）由同步永磁电子电机组成的贮柜输送链带驱动系统当输出电流增大至突破报警电流值时，电机控制系统切断电流，贮柜停机，达到保护设备的目的。

四、结语

由同步永磁电子电机组成的贮柜输送链带驱动系统电流对转矩控制更加精确可靠，可根据实际需要设值相应的过载保护电流值，在生产过程中，一旦出现堵料等异常情况导致扭矩变化时可精确反映为电流变化值，当电机工作电流值超过过载保护电流值时，能及时断电停机，实现保护设备的目的。同步永磁电子电机具有恒扭矩宽调速范围的特性，大幅降低了贮柜输送链带驱动系统速比，同一驱动系统能满足不同的生产工艺要求，有效减少驱动设备种类。