低速大扭矩永磁同步电机变频驱动系统在主斜井带式输送机上的应用

郭正达,孟俊文

(山西西山煤电股份有限公司镇城底矿,山西 古交 030203)

1 传统驱动系统特点

传统的带式输送机驱动系统采用异步电动机+调速型液力偶合器(或+液粘软起动装置)+减速器,或采用变频器+变频三相异步电动机+减速器,镇城底矿矿采用三相异步电动机+CST软启动装置的方式,将动力传送给滚筒带动输送带运动,这些传统的传动方式都或多或少存在明显的缺点,如表1所示,如驱动系统高耗能,启动不平稳,重载启动困难,维护量大,维护成本高,影响着驱动系统的整体效率[1-2]。

综合考虑以上5种驱动技术, 镇城底矿在主斜井运输系统中采用矿用隔爆型永磁直驱变频装置取代原有的CST软驱动系统,永磁电机变频直驱系统在煤矿井下采区顺槽带式输送机已有少量应用,但是在煤矿主斜井带式输送机这一矿井原煤运输系统“咽喉要塞”上的应用还是国内第一次。通过这一改造进一步完善了镇城底矿的主提升系统,彻底解决了频繁重载启停困难等问题。

表1 五种驱动方式的优点及不足比较Table 1 Advantages and disadvantages of five drive modes

2 镇城底矿CST驱动系统概述

镇城底矿主斜井带式输送机参数如表2所示,其中CST驱动系统,见图1,2003年安装投运至今,运行已有14年之久,三台减速器均出现不同程度的疲劳磨损,进入后期运行阶段,故障多,重载起动困难,修理周期长,维修费用高,已难以保证矿井主斜井带式输送机的正常运行,为矿井的安全生产造成了极大的困难。加之井口所用电气设备大多为老旧开关柜,不符合“井口20 m范围严禁使用非防爆电气设备”的相关规定。所以考虑采用一种较先进的方案对主斜井带式输送机的驱动部分进行改造[3]。

表2 改造前主斜井带式输送机主要技术参数Table 2 Major technical parameters of belt conveyor of main inclined shaft before modification

图1 异步电机驱动系统示意图Fig.1 Asynchronous motor drive system

3 永磁变频直驱系统概述

改造后主井带式输送机采用3套永磁直驱系统示意图,见图2,每套永磁直驱系统由1台TBVF-315/40YC(660/1140)型矿用隔爆型永磁同步变频电动机、1台BPJ-400/1140型矿用隔爆兼本质安全型低压交流变频器、驱动装置底座组成。

矿用隔爆型永磁同步变频电动机额定功率315 kW,额定转矩54 695 N·m,额定转速48 r/min,调速范围0～48 r/min。配套矿用隔爆兼本质安全型低压交流变频器额定功率400 kW。

图2 永磁同步电动机变频驱动系统示意图Fig.2 Variable frequency drive system of permanent magnet synchronous motor

根据现场情况配置两套水冷装置,其中一台给1#、3#电机散热,另一台给2#电机散热。

3.1 主斜井带式输送机负载匹配性分析

镇城底矿主斜井带式输送机低速大扭矩永磁电机直驱系统改造主要是驱动电机及配电、监控和保护系统的更新,输送机小时输送量不变,所以只对驱动电机、控制系统及其它配套进行选型。

依据改造前后驱动系统功率、输送机运量不变的原则,仍然选用单台电机功率为315 kW,3台电机功率为3×315 kW,可以满足现场实际需求。

带式输送机所需扭矩:

T=9550×P2/n=143051 N·m .

(1)

式中:P2为轴功率,原设计为719 kW;N为滚筒转数,n=60×S/(πD)=48 (r/min);其 中S为带速3.15 m/s;D为滚筒直径，取1.25 m。

根据传动滚筒所需扭矩T=143 051 N·m,则单台电机所需扭矩为47 683 N·m,选择三台额定扭矩为54 695 N·m永磁同步电机,永磁同步电机的性能参数如表3所示。

表3 永磁同步电动机性能参数Table 3 Performance parameters of permanent magnet synchronous motor

永磁材料使用范围较广的有钕铁硼、铝镍钴、铁氧体永磁材料,其中钕铁硼为稀土类永磁材料。目前,稀土永磁材料的生产已发展成一大产业,此次改造所用的永磁同步电机其主体材料永磁体即为稀土永磁材料钕铁硼所制[4-5]。

3.2 电机热管理技术及冷却系统分析

随着电机单机容量的日益增大,电机的发热和冷却问题研究显得日益重要,已经成为当前电机设计过程中最重要的问题之一,它直接关系到电机的使用寿命和运行的可靠性。本改造采用有限元分析软件如Ansoft和Ansys 等对电机建模,采用瞬态联合仿真技术进行分析,同时利用温度场计算电机各部温度,以便对电机的铜耗、铁耗、机械耗、杂散损耗以及高次谐波在永磁体表面产生的涡流损耗等进行深入研究。分析温度分布规律,研究电机的各个局部过热点,合理设计电机的绕组端部结构、绕组环氧树脂真空灌封、冷却系统,以降低温升和消除局部过热点。

永磁同步电动机的冷却方式为水冷,现场可采用直接水冷和封闭式内循环水冷却方式。直接水冷冷却效果好,但水质要求高且水量需求大。封闭式内循环水冷却方式具有较好的冷却效果且经济性高。

由于现场水质较差如采用直接水冷长期运行会有结垢的问题,而且长期运行会浪费大量的水。现场最终采用封闭式内循环水冷却方式。考虑到冬季现场环境温度较低,采用防冻液作为设备冷却液。

3.3 控制器电气兼容性分析

矿用永磁传动装置中控制器中包含变频器装置,变频器由于本身的结构特点势必在运行中会产生谐波。其产生的原理为三相输入侧由于采用三相不可控整流电路,电压波形为正弦而电流为非正弦波;三相输出端由于电机属于感性负载,变频器输出的PWM波形为非正弦波,电流为类似正弦波。波形的非正弦化即可以分解为基波与谐波,谐波会导致一系列问题。第一,对配电网的危害;第二,对它所驱动的电机的危害。另外,由于变频器输出为高频的PWM波,高频信号在传输中易对邻近设备产生电磁干扰。

为了解决以上三个问题,设计过程中系统采用了输入、输出电抗器,通过合理的选择电抗器参数有效减少了以上三种危害,由于输入输出电抗器存在阻抗和感抗在变频器工作过程中会产生一定的压降。从系统性能和电磁兼容两方面均衡考虑,选择合适的电抗器,使电压降即不影响系统性能又能使谐波含量控制在4%以内。

4 改造后永磁驱动系统经济社会效益分析

4.1 高效节能

永磁电机在节能方面主要体现在:不需要无功励磁电流,没有转子电阻损耗;功率因素接近1,减少了定子电流和定子电阻损耗,大大节约了电能;全功率范围内高效运行;电动机与滚筒直接连接,理想状态系统总体效率为1,系统实际运行效率在93%以上[6-7]。

改造前,单台驱动电机(铭牌为315 kW)实际运行功率为260 kW左右,同时每台CST减速器还配备有18.5 kW油泵电机和5.5 kW冷却风扇电机,总功率约278 kW;改造后每台电机和辅助设备的实际总功率约为230 kW,比改造前减少负荷48 kW,按照每天开机20 h,一年按330 d计算,每年可节约316 800 kW·h,每度电平均按0.6元计算,每年可节约19万余元,三台电机一年可节约电费约57万余元。在实际运行中还可根据实际负载情况或检修工作需要,自动或人工调节输送带速度,大大减少能量的浪费和托辊的消耗,节能效果明显。由此可见永磁电机不仅具有很高的功率因数,而且还具有极佳的经济效益,电机效率与功率因数对见图3。

3-a 效率特性曲线对比

3-b 功率因数特性对比图3 电机效率与功率因数对比Fig.3 Comparison between motor efficiency and power factor

4.2 起动转矩大,过载能力强

在异步电动机驱动系统中,启动时最大输出50% 的额定转矩如图4-a所示,而电流则高达额定电流的4倍～7倍,极易使电机内部机械应力和热应力发生较大变化,因此,在重载启动中烧毁电动机的现象时有发生。或为满足系统重载启动要求,需增大电机容量来满足启动转矩,当系统正常运行后,就造成了“大马拉小车”现象。

相比之下,永磁直驱变频装置具有良好的启动特性如图4-b所示,在启动时可以输出2.2倍额定转矩,电流从0开始增加,利用自身的调速功能实现带式输送机的缓慢启动,对设备机械部分基本无冲击,从而实现重载启动。

4-a 异步电机启动特性

4-b 永磁电机启动特性图4 电机启动特性曲线Fig.4 Characteristic curve of motor start

永磁电机的设计启动转矩可以达到额定转矩的2.2倍,启动过程中电流是正常运行电流的1.2倍以下(加速时间30 s,正常运行电流130A启动过程中电流在150A左右);现场3台电机运行到额定电流172A(重载时)左右,停机后可顺利的实现启车,可以满足带式输送机的重载启动问题。在与原正常生产煤量相同的条件下,利用其中2台驱动电机进行了满载运行和重载起动实验,经实验证实了永磁电机起动转矩大、起动电流小、电网冲击小,过载能力强的优点。

4.3 系统“免”维护

改造前CST每半年都要更换一次润滑油,加上日常的检修维护,费用不仅十分昂贵,而且逐年呈现增加趋势。据不完全统计,从2003年—2014年这12年间,主斜井带式输送机驱动系统CST减速器更换配件、润滑油以及各类检修费用高达422.62万元。而改造后系统省去减速器等装置,因此在实际应用中无需更换润滑油,检修减速器,而后期维护只需隔3 000 h给电机轴承注3号锂基脂500 mL,节约了使用成本,降低了维护工作量,大约每年可节约15万余元。

4.4 驱动智能化

主斜井带式输送机、前(后)转载皮带、煤库给煤机等设备集中控制运行,各设备运行状态相关数据实时传送至主控室PLC和上位机通讯,实现上位机对设备的分析、比较、预警与控制,结合视频监控、远程控制、在线监测,故障诊断等系统功能实现了连续运输系统的智能化运行和控制,并为下一步实现无人值守提供了硬件支持。

5 结束语

镇城底矿主井带式输送机的永磁直驱系统改造,技术上实现了驱动智能化、输出转矩大、过载能力强、起动电流小、低噪音、起动平稳、恒转矩控制、可频繁重载启停的目标;经济上不仅做到了高效节能,而且最大程度降低了维护工作量,预估每年可直接节约成本72万余元,安全上克服了重载启动难需人工清煤的安全隐患问题。采用永磁同步变频技术来改造传统的带式输送机驱动系统,不论在技术的先进性还是带来的社会及经济效益方面都是巨大的。稀土永磁同步电机变频驱动系统在镇城底矿主运输提升系统的首次成功应用,此举不仅填补了矿山企业主提升系统使用稀土永磁电机的市场空白,更相信,在不久的将来大转矩永磁同步变频驱动系统在煤矿井下刮板输送机、瓦斯抽采泵站等领域亦可拓展使用,应用范围十分广阔。该技术必然随着科学技术的飞速提升而取得更大的研究成果。