变频调速永磁同步电动机在皮带机上的应用

杨庆范 万宗帅 庄世军 白跃俊

摘 要：近年来，随着煤炭行业的快速发展，井下运输系统也逐渐在更新换代，但由于井下巷道狭窄，运输环境恶劣，从而导致常规运输巷皮带机驱动装置故障较多。变频调速永磁同步电动机作为一种新型的节能型电动机，因其特有优势被广泛应用于皮带运输系统中，其具有简单的结构、较大的转矩以及较低的能耗等特点，不仅能够提高皮带输送机的运输效率和运载量，而且能够提升运输系统的可靠性和使用寿命，对于保障皮带运输质量有着至关重要的意义。本文简要介绍了永磁同步电动机的组成及特性，重点分析了皮带运输控制系统的实际应用，仅供相关人员参考。

关键词：变频调速；永磁同步电动机；皮带运输机

在煤矿生产中，皮带输送机承担着煤炭运输的艰巨任务，具有较长的运输时间和较大的运输数量等特点，煤矿皮带输送机的运行状态直接关系到生产任务能否顺利完成。在皮带运输系统中，常规的传统系统具有较大的启动电流和严重的机械磨损，长期使用运行容易不仅会出现张力变化，而且浪费大量的电能。通过合理应用变频调速永磁电机，能够有效降低设备噪音，减少功率损耗，提高工作效率。

1 永磁同步电动机的组成及特性

在煤矿皮带运输系统中，常规的电机设备大部分是异步电动机，需要配合齿轮减速器装置和液力耦合器设备才能够组成一个完整性的动力驱动系统。这种常规电机设备在井下复杂条件下频繁产生机械故障，具有较低的工作效率，而且在重载状态下具有较大的启动难度。而变频调速永磁同步电动机主要由变频器、皮带机头和永磁同步电机组成，去掉了常规的减速器装置和液力耦合器，能够实现对矿用皮带机的转速调节，满足井下生产要求。

煤矿井下生产实践中，将变频调速永磁同步电动机应用到皮带运输系统中，不仅能够提高生产运输效率，而且能够具有较高的安全性能，满足各种生产环境下的实际需求。一是具有高效节能的特点，变频调速永磁同步电动机去掉了常规的减速器装置和液力耦合器以后，大大降低了震动和噪声，启动时消耗电流较小，转速调节作用也减轻了设备磨损；二是具有较小的维护量，在皮带系统运行时，不需要考虑减速器、液力偶合器以及齿轮等零部件的磨损，减少了零部件更换、检修和日常维护的频率，降低了维修成本，避免了不平稳起动造成的皮带拉裂现象，节约了采购大量的采购费用；三是具有较大输出转矩，永磁同步电动机能够使皮带运输系统在额定转速内保持恒转矩，使运行稳定性不断提高。尤其是电动机在低频、低压或低速情况下能够保障皮带机有足够的转矩。永磁同步电动机的变频调速作用能够使带式输送机的缓慢启动，避免重载情况皮带拉裂，而且能够降低启动时的额定电流。

2 永磁电动机变频驱动系统的原理

变频驱动系统的电机控制方式为自控式交直交电压型，主要组成结构分为五个部分：一是整流桥，二是控制电路，三是位置传感器，四是三相逆变电路，五是三相交流永磁电机。50HZ的电流通过整流以后，由三相逆变器给电机的三相绕组供电，三相对称电流合成的旋转磁场与转子永久磁钢所产生的磁場相互作用产生转矩，转子被拖动进行同步旋转，转子磁钢位置 能够通过位置传感器实时进行读取，随后变换成电信号对逆变器功率器件开关进行控制，并对电流频率和相位进行调节，确保转子和定子磁势的位置关系不乱，从而产生恒定的转矩，皮带负载决定了定子绕组中的电流大小。当转子位置产生变化时，定子绕组中三相电流的频率和相位也随着产生变化，使三相电流合成一个与转子同步的旋转磁场，三相电流的换相通过逆变电路的开关变化实现，等同于常规电机中的机械换向器。

3 皮带运输控制系统的实际应用

以某煤矿的皮带输送设备为例，在实际生产过程中将皮带机应用的异步电动机改造成变频调速的永磁同步电动机，改造后所使用电机为55kW的额定容量和660V的额定电压，转子结构为永磁结构，额定功率为12Hz。利用变频器对永磁同步电动机进行调节变速，能够保障功率平衡，满足实际运行要求。变频调速永磁同步电动机能够实现皮带机的软启动，皮带机的驱动电机能够根据启动过程中的V/F曲线实现逐步升压，在缓慢提升启动电流过程中释放贮存于皮带内部的能量，防止启动电流冲击皮带机，使皮带机的启动张力有效降低，使电机驱动的功率得到平衡，避免对皮带产生损害，确保皮带稳定运行。

在皮带运输系统中，变频调速装置主要由参数设定系统、显示系统和变频调速系统三方面组成，该装置不仅应用了现代化的IGBT变频调速理论，而且应用了模糊控制理论，具有突出的稳态性能、较宽的调速范围和较大的转矩作用力。基于IGBT的半导体开关器件和驱动模块是变频器的核心设置，在电流裕度控制方面具有良好效果。另外，变频调速系统中的热管散热器也具有良好的散热性能好和实用性能，而整个调速装置自主电路到控制电路均应用光纤方式实现通信，也大幅提高了抗干扰能力，降低了控制系统误动作的几率。变频调速装置还采用了先进性的控制算法，通过无线传感器矢量控制与直接转矩控制相结合的模式对低转速大转矩的永磁同步电动机进行有效控制，满足智能化操作要求，提高设备的防护性、可靠性与稳定性。

4 两种驱动结构的对比

1）系统实现软起动和免维护。 在皮带机上应用变频调速永磁同步电动机能够使运输传动系统实现缓慢匀速起动，在很大程度上降低了电机起动的瞬间电流，避免了电流过大冲击到电网。同时电机转矩也在传动设备启动后缓慢增加，避免了瞬时增加的转矩机械冲击到传动系统，不仅使系统的机械故障和电网故障大幅降低，而且去除了常规驱动系统的减速器和液力耦合器，降低了维护成本，优化了人力资源，具有良好的应用效果。

2）简化了机头架的设计与安装。相比于常规传统系统，新式直驱系统中利用变频调速永磁同步电动机替代了Y系列异步电机，去除了常规方案中的液力耦合器结构，传动效率提升了20%—30%左右，而且变频调速永磁同步电动机的能耗达到国际IE4标准，具有较高的综合节能率，每年节约电达数十万元。永磁同步电动机的机头设计简化了驱动架，对框架支撑连接的复杂结构进行了更改，将其设计为具有较小空间的三角架结构，在三角支撑架上对称安装双驱动装置，不断优化驱动滚筒的安装空间和安装结构，在井下生产中有利于安装和维修驱动装置及机头。

3）减少了输送机的功率损耗。将变频调速永磁同步电动机应用到皮带机上，能够将液力耦合器、减速器等部件去掉，使驱动系统呈现出节能、简单、高效的特点。在常规的异步电动机驱动系统中，不平稳的启动不容易实现重载启动，对驱动系统的整体效率造成一定影响。因此在变频调速永磁同步电动机驱动皮带机上，很少实现满载运行，具有较低的运输效率和较高的电能消耗。而永磁同步电动机应用后，将稀土永磁体加入到定子结构中，不需要励磁电流，电机达到了93%以上的应用功率，使节能大幅节约。另外变频调速永磁同步电动机能够使电机达到功率智能平衡，避免多电机因出力不平衡而造成的电机的损坏。

5 结束语

综上所述，变频调速永磁同步电动机在皮带机上的应用减少了皮带输送机中的液力耦合器环节，方便了矿井皮带输送机的维修，通过变频控制系统能够智能控制运行速度，满足皮带机空载和重载的不同需求，使皮带机的传送效率有效提升，有效实现能源的节约。煤矿技术人员要加强对变频调速永磁同步电动机的研究和应用，充分发挥其在煤矿皮带运输系统中的优势，使其成为井下机电行业的主力军。

参考文献

[1]叶云岳，范承志，卢琴芬等.直驱式高效节能复式永磁电机的研发与应用[J].电机与控制应用，2010，37（1）：1-3，12.