高压永磁同步变频一体机在港口皮带机实践应用

周文锦 邢亮 管辉 高玉军 刘锡安 宋承林

摘 要：永磁同步变频一体机作为一种全新概念的永磁电动机形式，将电动机与变频器一体化设计，节省了励磁电流，减速器，液力耦合等装置，具有高效、节能、环保、安全的特点。本文以港口矿石输送皮带机应用案例为出发点，介绍分析了永磁同步变频一体机技术的优势，改造方案及实施效益，该方案对于散货港口推广技术应用具有借鉴意义，能创造巨大的社会效益。

关键词：皮带输送机;永磁同步变频一体机;高压;散货港口

中图分类号：U692               文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）06-0061-03

新型节能设备的应用既是国家战略的需要，也是建设绿色生态港口的需要。电动机作为散货运输码头的主要动力驱动，巨大的电能消耗成本是促使董矿公司技术创新，推进节能减排的内部动力。皮带输送机原驱动形式为电机+耦合器+减速箱的传统方式，供电电压为10kv，功率315kw-630kw不等，皮带机驱动能力设计余量充裕，实际运输功率低于额定设计能力，如果节约这部分能源，将创造大量的社会经济效益。

永磁同步电机综合展现了一种全新的电机设计和运行概念，具有高功率密度、宽调速范围、高效率、高功率因素及体积小、重量轻等显著优点，尤其是随着高性能钕铁硼永磁材料（第三代）的问世，这种磁铁的磁能积（BHmax）大于钐钴磁铁，是当时全世界磁能积最大的物质，稳定性强，剩磁和矫顽力极高，能吸起自身重量六百多倍的物体永磁电动机技术产生了里程碑式的发展。目前主流的可行性方案有三种，即变频器调速、液力耦合调速、永磁磁力耦合调速。节能原理均是通过改变负载的转速实现节能的目的，变频调速技术在煤矿中广泛使用，现阶段矿井带式输送机原煤运输系统、综采工作面胶带输送系统大多采用变频调速、异步电动机驱动方式，而安装到散货港口的永磁电动机均为分体式，降低了整体效率，一体式设计的高压大功率永磁变频电动机应用鲜有案例。

1永磁同步一体机的优势

将永磁电动机与变频器组合成的一体机的方案，兼顾永磁电机的优势和变频器的控制，并同滚筒等装置整体集成于一体，如图1，同传统的异步电机和减速器，联轴器的结构，具有以下技术优势：

（1）一体机使电缆线长度降低，将变频装置和电机分离布置的方式存在长距离供电电缆形成的分布电感和分布电容，变频器输出高频信号时，对感抗高的电机绝缘寿命有不利影响，一体化后，避免了电压震荡过高，解决了电磁干扰的问题。

（2）一体机基于原来供电系统，整体结构布置紧凑，原先机壳部分空间充足，供电系统无需改造，简单易用，容易实现对原先的驱动方式的无缝替代;对关键电子器件进行电磁屏蔽，将易受干扰的信号转化成光信号，利用光纤进行传递，此外使用叠层母排配线技术，比传统产品体积更小，可以节省安装空间。

（3）永磁同步变频一体机采用新材料、新技术，有着更高的传输效率，建立气隙磁场不需要励磁电流，消除了转子中间环节造成的铜耗和铁耗，其整体结构紧凑，受负载影响小，功率因数高和经济运行范围宽等特点。

2董矿公司改造应用方案

董矿公司火车装车流程有两条作业线，其中BCZ3A与BCZ3B皮带机并行设计，距离长度相同，作业工况相同，未改造前，驱动电机均为10kv/560kw，单机驱动。本次改造将BCZ3A皮带机原驱动形式改造为变频高压永磁驱动同步一体机，与BCZ3B皮带机传统驱动方式进行对比。

本次BCZ3A皮带机搭配永磁同步变频一体机，并配备了水循环制冷系统、电机智能管理控制系统、皮带机流量监测装置等。

为了控制工作中电动机和电子电力控制器件的升温，将其稳定在适宜的温度范围，一体机装配水循环制冷系统，通过对多个管道以及布置在变频一体机上的多个水座进行不同方式的连接，安装和操作快速方便，在对变频一体机进行有效地散热降温的同时，从而大大提高了变频一体机的适用性，如图3所示。

一体机调速配置电机智能管理控制系统，负责监视电动机的运行状态，元器件参数调节，功率平衡以及各个器件之间的通讯和协调，人机交互，故障警报，进而对整体电动机的运转进行调节得到所需的运动状态和机械特性，目前该系统主要由PLC、I/O数字量输入输出模块、CANOPEN通信模块、光电转换模块、无线4G模块、人机交互界面（HMI）等器件组成。PLC经光电转换模块与中控上位机实现数据交换，通信协议采用ModBusTCP，运行数据可实时监控;中控上位机通过I/O数字量控制PLC，实现永磁同步变频一体机的启停控制。

智能控制箱与中控上位机I/O控制逻辑如图4，5所示：

此外针对皮带机不同的负载情况，设立皮带机流量监测装置监测皮带机物料变化，通过4G信号传输至电机控制系统，结合企业对物料运输的条件和减少能耗2个主要的目标，計算分析电动机的输出功率和运转速度等，通过对变频器相关参数的调整来实现BCZ3A皮带机实时调整。

如图6所示，该系统采用线结构光视觉检测方法，选用650nm绿光作为线结构光源，安装于被测位置上方，并垂直入射被测层表面，该结构光会在物料表面形成料流包络，采集反射的绿光，并对料流包络进行积分就能得到料流截面积，对于已知的传送带瞬时速度，双重积分运算得到料流体积。

3 永磁同步变频一体机与传统驱动形式投资收益分析

永磁同步变频一体机在理想状态下功率能够达到100%在实际生产运行中其功率也在90%以上。传统的皮带机驱动电机往往留有比较大的余量，根据皮带输送机运行数据总结得出，皮带输送机长期工作于满电压和满速的阶段，大部分电能被无用功率消耗，电机平均运行功率为额定功率的50%左右。采用变频器驱动可以减少一半的沿线热损耗。即将整个系统的供电效率提高到95%左右，节省5%的电能。如表1，永磁驱动启动转矩大，且调速区间大，很好地弥补这方面的缺陷。

采用永磁同步变频一体机驱动省掉了液力耦合器、减速箱等中间环节。此类调速设备的运行效率在0.85～0.97之间。越是频繁启动或者低速运行的场合，传递效率越低。这类驱动方式的平均工作效率为90%左右。折算掉变频器的自身损耗，采用变频器驱动比液力耦合器等其他驱动方式节省电能8%左右。

变频器启动电机时无冲击电流，降低冲击电流损耗，实现启动时节能。电机工频启动时有5～7倍的冲击电流，这部分电流是电机发热而无功率输出。启动次数越多，冲击电流损耗越大。根据经验值，变频驱动在启动时可以节省3%的电能。

皮带输送机运行时的变频调速，减少空载损耗，实现调速节能。皮带输送机在空转时也消耗电能，一般空转损耗占额定功率的20%～30%左右。这部分损耗可以通过变频调试降低皮带输送机的速度来降低。皮带输送机采用变频调速驱动时平均运行速度为额定速度的90%左右，即变频调速可以减少10%的空载损耗。综上所述，变频调速运行时总的损耗可以减少：P×（20%～30%）×10%=（0.02P～0.03P）。即采用变频调速时胶带输送机可节省（2%～3%）的电能。

4 实际测算数据

改造前后，查看电源管理系统，对两条皮带机总的作业量和对应的耗电量统计数据对比如下表2：

由表2可见，改造前后永磁变频一体机节能效果明显。

5 结论

综合以上分析，理论节能达到约5%+8%+3% +2%=18%，实际测算节能满足18%以上，按照董矿公司火车线皮带机平均利用率40%计算，年工作台时约为365×24×40%=3504台时，平均有功功率50%。使用永磁同步变频一体机年节约电能3504×560×50%×18%=17660.2kwh，按照1元/kwh的电费计算，年可节能约17.66万元。以10kv，560kw电机为例，永磁同步变频一体机整体投资成本较传统驱动形式（电机+减速机+液力耦合器）投资成本多投资50万元。初期投资虽然略高，但是通过系统运行节能，约2.83年即可收回多投资的成本，同时能够减少减速箱、液力耦合器、制动器等设备的日常维护保养工作量。

参考文献：

[1] 宋承林.礦用大功率永磁同步直驱变频一体机的设计及实现[D].威海：山东大学，2019.

[2] 徐文鹏等.高压大功率永磁同步电动机直驱技术在港口带式输送机上的应用[J].起重运输机械，2019（13）119-123.

[3]罗建平.永磁电机在港口散货码头带式输送机系统应用前景分析[J].港口装卸，2020（04）：51-53.