永磁直驱方式在煤矿主斜井胶带机改造中的应用

李山

摘要：介绍了目前煤矿主斜井胶带机采用的CST软启动和“变频器+减速机”驱动方式的优缺点。对近年来兴起的胶带机永磁直驱方式的特点和节能效果进行了分析，并提出了目前主斜井胶带机进行永磁直驱方式改造时应注意的事项，对今后煤矿主斜井胶带机永磁直驅方式改造具有良好的借鉴意义。

关键词：永磁直驱方式;CST软启动;变频器+减速机;主斜井胶带机

0 引言

神东煤炭集团在我国率先建成了2亿t矿井生产群，其所属矿井多采用斜井平硐开拓方式。神东煤矿主斜井采用的连续运转带式输送机是各矿井实现高产、高效生产的关键设备。在神东煤炭集团2005年之后建成投产的矿井中，主斜井胶带机多采用2.3 kV或3.3 kV中压变频驱动方式，而2005年以前建成投产的矿井，其主斜井胶带机仍采用CST软启动驱动方式。随着输送机使用年限的增长和过煤量的增加，其驱动装置大部分接近使用寿命期限，零部件采购及设备维修困难，输送机驱动装置升级改造的压力越来越大。

1 传统的胶带机驱动方式

1.1    CST软启动方式

CST软启动装置由机械传动系统、液压系统、冷却系统及电气系统组成，结构复杂。装置功率输出端采用离合器控制，易实现多点驱动和功率平衡。其仍存在很多缺陷，包括维护工作量大，成本相对较高，液压系统需用专用油，滤芯更换频繁，连续运行时漏油、发热现象严重，传动效率低，故障率较高等，因此，目前该驱动方式基本上已经被“变频器+减速机”驱动方式替代。

1.2    “变频器+减速机”驱动方式

“变频器+减速机”驱动方式具备实时调速功能，可按照皮带机的S曲线实现软启动、软制动。由于系统启动电流小，在启动过程中形成的输送带张力波动小，可降低对输送带强度的设计要求，且配套的变频器更易实现低速验带功能。“变频器+减速机”驱动方式的设备整体维护量相比于CST软启动方式大幅减小，但系统在减速机环节会损失部分效率，且减速机维护工作仍较烦琐。

2 永磁直驱方式的特点

近年来兴起的永磁直驱系统具有简化传动链、体积小、质量轻、效率高、可靠性高、响应快、转矩惯量比高、功率密度大、启动转矩大、功率因数大以及节能等特点。交流异步电机作为一种节能电机，是目前最常用的电力拖动装置。随着永磁直驱系统被广泛应用于多种工业领域，如发电、船舶、航空、航天、运输等，永磁同步电机开始逐步取代最常用的交流异步电机。

随着永磁电机技术的不断发展，国内很多矿井已经在煤矿主斜井胶带机中尝试使用结构简单的永磁直驱方式。

2.1    结构相对简单

将“变频器+永磁同步电机”构成的软启动装置，取代原有驱动装置中的异步电机、耦合器、减速机、高速轴联轴器，解决了传统驱动装置体积过于庞大的问题。该软启动装置利用永磁同步电机低速、大扭矩的特性，与驱动滚筒直接相连，取消了高速联轴器、减速机等机械传动设备，减少了设备振动和噪声来源，提高了传动效率，解决了减速机维护率较高的问题。

2.2    重载启动平稳

带式输送机在输煤过程中会出现带被压死、撕带、跑偏等非正常停机现象，因此设计过程中，必须考虑设备的重载启动能力。永磁同步电机直驱采用的是闭环矢量控制方式，其低频运转时，仍可输出1.5～2倍的额定转矩，保证了设备的重载启动平稳。永磁同步电机可以使带式输送机启动更加平稳，减少设备启动过程中的机械冲击，延长胶带机系统的使用寿命。

2.3    易于功率平衡

煤矿主斜井胶带机系统一般为多机驱动，为了保证系统内多台电机的功率（转矩）平衡分配，可利用变频器或PLC内部的PI调节器对防爆变频调速装置进行速度和转矩控制，控制方式为基于速度调节的过程控制。变频器的功率平衡模式针对同轴连接和弹性连接进行设计，减少了带式输送机启动过程中的振荡，提高了启动的稳定性。

2.4    良好的软启动、软停止特性

带式输送机、提升机、刮板机等的大惯量、恒转矩负载，要求设备应具备软启动、软停止等功能。变频器可根据矿井运行的实际情况，任意设置启动、停止时间，具备启动时的加速度和停车时的减速度可调功能。某输送机软启动特性曲线如图1所示。

同时，为了平稳启动，变频器还需要根据自身情况，设定带式输送机的S型加减速时间，将机械系统起停时产生的冲击减至最小。

2.5    具备低速验带功能

为了及时发现带式输送机运行过程中存在的安全隐患，煤矿主斜井胶带机通常要求系统具备低速验带功能。变频器设计选型时，需满足以5%额定带速长期运行的低速验带要求。

2.6    节能效果良好

以采用660 V电压等级、500 kW单电动机驱动的带式输送机为例，分析永磁直驱方式和“变频器+减速机”驱动方式的节能效果对比情况，如表1所示，可以明显看出永磁直驱方式省去了减速机效率传动环节，节能效果明显，节电率达到12%。

3 永磁直驱方式改造的注意事项

永磁直驱方式虽然具备很多优点，但煤矿主斜井胶带机采用该方式进行改造时仍存在以下问题：

（1）永磁同步电机采用永磁体励磁，且需要变频器控制，因此造价偏高。

（2）永磁同步电机采用水冷结构，需要外置水冷却器，比传统异步电机的冷却系统复杂。

（3）永磁同步电机需要配套变频器使用，对变频器依赖性较大，对于变频器的稳定性要求较高。

（4）永磁同步电机极对数多，导致体积庞大，重量远超普通异步电动机，在使用场所上受限较多，需要对现有建构筑物承载力进行分析。

4 结语

目前，神东煤炭集团所属矿井胶带机采用的CST软启动装置以及“变频器+减速机”驱动装置已经接近使用寿命期限，亟需升级改造。胶带机永磁直驱方式具有节能高效、结构简单、维护量小等特点，相比于传统的胶带机驱动方式有着明显优势。随着新一代永磁技术的发展，永磁同步电机的成本会逐步降低，永磁直驱方式将会在煤矿主运输系统中得到普及，其推广应用前景非常广阔。

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