永磁电动机在煤矿带式输送机中的应用设计

任鹏义，白大伟

（山西中阳华润联盛南山煤业有限公司，山西 吕梁 033400）

1 概 况

带式输送机能够实现散装物料的连续运输，在煤矿生产领域有广泛的应用。南山煤业主斜井地质情况较为复杂，且空间狭窄，因此用DSJ100/63/2×160 可伸缩式带式输送机进行煤矿物料的输送。该带式输送机驱动系统主要由异步电机、减速器、联轴器和驱动滚筒构成，因配套机械结构较多，整体结构比较笨重和复杂，且存在故障率高、传动效率低等问题，给带式输送机的高效运行和维修保养等工作带来了很多不便。针对该问题，对南山煤业主斜井中使用的DSJ100/63/2×160 型带式输送机进行改造，利用永磁电动机进行驱动。与传统的带式输送机异步电机驱动系统相比，永磁电动机不仅结构简单、体积小，且省去中间传动环节，能量利用效率高，可以缩小整个带式输送机的体积，简化整体结构。

2 永磁电动机应用方案

2.1 永磁电动机的原理

永磁电动机主要结构件为旋转转子、固定定子和端盖，定子结构与普通异步电机类似，主要由叠片叠压加工而成，与异步电机最大区别在于旋转转子。永磁同步电机转子中设置有永磁体，电动机运行过程中，通过永磁体产生励磁磁场，永磁体发挥磁路和磁源的双重作用。绕组在主磁场中做旋转运动时，不断地对磁场进行切割，从而形成方向和大小呈现周期性变化的交变电流。

2.2 应用方案设计

针对南山煤业主斜井带式输送机工程实践中暴露出的问题，结合实际情况利用永磁电动机对整个驱动系统进行优化改造。将原有的软启动开关、异步电机、减速器等结构全部拆除，替换成2 台永磁同步电动机进行驱动，型号为TBVF-250/40YC，每台永磁电动机配套1 台变频器，具体型号为BPJ-630/1140，使用伺服控制器对变频器进行控制，以实现带式输送机运行速度的精准控制。永磁电动机的输出轴与带式输送机驱动滚筒之间通过胀套进行连接，电机输出的动力直接传入到驱动滚筒中，实现煤矿物料的高效运输。在控制系统的作用下，带式输送机能根据实际输送的煤矿物料重量对运行速度进行调整，达到节能减排的效果。

TBVF-250/40YC 型永磁电动机在南山煤业主斜井带式输送机中的应用方案如图1 所示。

图1 永磁电动机在带式输送机中的应用方案设计Fig.1 Application scheme design of permanent magnet motor in belt conveyor

由图1 可知，带式输送机中使用永磁电动机时，整个装置主要有操作台、供电系统、防爆变频装置、驱动永磁电动机以及带式输送机本身等部分构成。与异步电机驱动装置相比，省去了减速器、耦合器等机械结构，驱动系统大大简化。此次设计应用了BPJ-630/1140 防爆变频装置，作用是根据带式输送机实际需要，将50 Hz 的交流电压转换成为不同频率的交流电压，以供永磁电动机使用，电机实际输出转速与输入电流频率之间存在直接联系。驱动电机与皮带驱动滚筒直接连接，缩短了传动链路，能量传输效率得到提升。

3 带式输送机永磁电动机控制系统设计

3.1 控制系统

控制系统是保证带式输送机可靠稳定运行的重要基础，要求能够根据矿井实际需要对带式输送机的运行速度进行调整。带式输送机控制系统结构如图2 所示。

图2 带式输送机控制系统结构框图Fig.2 Structure diagram of belt conveyor control system

由图2 可知，整个控制系统由4 各模块构成，分别为主电路模块、温控模块、相序识别模块、高低速控制模块。控制器方面，根据南山煤业实际情况，在保障控制系统性能的前提下，为降低整体成本，选用MD38PC1 型PLC 控制器，该控制器与变频器之间具有良好的兼容性，可以直接访问变频器内部的特殊数据信息。

主电路模块由变频器、电机和输出电抗器构成，此次选用的BPJ-630/1140 变频器具有良好的性能，功能丰富。温控模块的作用是对电机进行保护，利用温度传感器对电动机关键位置的温度进行检测，系统中设置2 个安全温度阈值，分别为T1和T2，当温度超过T1 时系统会向外发出警告，但仍然会正常运行，当温度超过T2 时系统直接发出蜂鸣报警，设备停止运行，避免永磁电动机内部温度过高对电机造成烧毁。相序识别模块的作用是对接线的相序进行识别，防止带式输送机在出现故障或者检修以后，相序接反导致永磁电动机朝相反方向运行的问题，起到保护带式输送机的作用。

3.2 变频器连接

除永磁同步电动机以外，变频器是带式输送机系统中比较关键的电气设施，此次设计选用BPJ-630/1140 变频器，其连接情况如图3 所示。正式运行之前需要在变频器中对相关参数进行设置，包括电机参数以及I/O 接口参数等。为了实现永磁电动机运行速度的闭环控制，利用传感器对电动机的运行速度进行检测。在控制系统中设置电动机的安全运行阈值以及对应的故障代码，一旦检测发现电机出现过载问题，会向外发出警报，严重时直接控制带式输送机停止运行。

图3 变频器的连接示意图Fig.3 Connection of inverter

4 应用效果分析

南山煤业主斜井带式输送机采用异步电机驱动时，由于驱动链较长，所以总体的输送效率较低，大约为67.2%，采用永磁同步电动机进行驱动时，驱动链大大缩短，驱动效率可以达到92%，与前者相比较大幅度提升，可以为企业节省大量的费用。假设煤矿主斜井带式输送机每年运行的天数为360 d，平均每天累计运行时间为16 h，电费按1元/度进行计算，带式输送机使用年限按10 a 算。则可以计算异步电机和永磁电动机两种方案时，带式输送机在整个使用周期内的总费用情况，结果如图4 所示。

图4 异步电机和永磁电动机10 a 费用对比情况Fig.4 Comparison of 10-year cost of asynchronous motor and permanent magnet motor

由图4 可知，在10 a 周期内，采用异步电机方案时的总费用大约为4 400 万元，采用永磁电动机方案时的总费用为2 890 万元。可见，通过此次对带式输送机驱动系统的技术改造，可以为南山煤业节省1 510 万元的费用，创造了良好的经济效益。

5 结 语

以南山煤业主斜井带式输送机为研究对象，结合实际情况，基于永磁电动机对带式输送机的驱动系统进行了改造设计，并将其应用到工程实践中。永磁电动机在结构和原理上与异步电机不同，在带式输送机中使用永磁电动机可以简化驱动系统，提高驱动效率；设计的控制系统由主电路模块、温控模块、相序识别模块和高低速控制模块组成，能根据实际情况对电动机的运行速度进行控制；将永磁电动机部署到南山煤业主斜井带式输送机工程实践中，通过分析计算，在带式输送机服役的10 a 周期内，永磁电动机驱动方案与传统驱动方案相比，可以节省1 510 万元的费用。