三相永磁电动滚筒在国内某大型矿山的应用
2022-06-28董振
董 振
(建龙集团本溪龙新矿业有限公司)
随着控制技术和信息技术的快速发展,驱动模块的智能化、微型化、简单化已成为发展趋势。胶带输送机驱动系统中的基础原件永磁驱动滚筒具有体积小、安装方便、绿色环保等特点,符合当前技术发展趋势。同时,永磁滚筒技术在优化设计、设备选型、技术改造等方面存在诸多优势[1-4]。某大型矿山在设备选型生产和维护上实行“全面生产成本降低、智慧和智能化”的优化选型理念,为此对胶带运输机驱动系统应用三相永磁同步电动滚筒进行试验,以推动智慧化矿山建设的步伐[5-7]。
1 概 述
国内某大型铁矿山工程地表建设以“节能降耗、降低投资、设备运行自动化、智能化”为原则,进行了地表12条胶带运输机的设备选型。结合目前永磁同步电动滚筒在市场上的应用情况,通过实地考察和投资运行成本综合技术经济比较,确定选用永磁滚筒代替传统胶带输送机传动系统,其中自冷型永磁同步电动滚筒1台,风冷型2台,水冷型9台。
2 工艺参数
(1)工作制度。12 台永磁同步电动滚筒中No.1~No.9胶带运输机永磁同步电动滚筒365 d连续工作,3 班/d,6 h/班,设备年作业率67.8%;其他永磁同步电动滚筒365 d 连续工作,3 班/d,8 h/班,主要设备作业率90.4%。
(2)现场环境和使用条件。现场室内气温0~37 ℃,年平均湿度达65%;矿区年最高气温37.5 ℃,年最低气温-34.5 ℃,年平均气温7.2 ℃;海拔175~350 m;该区地震频发,工程抗震设防烈度为6度。
(3)配电电压。低压660 V/50 Hz,IT/TNS系统。
3 永磁同步电动滚筒应用实例
3.1 应用实例1
(1)带式输送机主要参数。淮南矿业淮沪煤电厂选用3 台套315 kW 永磁直驱电滚筒改造原有机头驱动架,选用宽度1 200 mm 的带式输送机,主要输送原煤,安装长度1 350 m。
(2)工作环境。淮南矿业周边气温0~40 ℃,海拔-1 000 m,环境温度≤25 ℃,同时周围空气不受腐蚀性或可燃性气体、水蒸气等明显污染,安装地点无剧烈振动,但存在瓦斯煤尘爆炸危险场所。
(3)永磁同步电动滚筒参数。永磁同步电动滚筒功率315 kW、型号STYB315-4-1200×1000(2 用1备)。滚筒表面线速度4 m/s,额定电压1 140 V,额定电流190.6 A,额定转速76.5 r/min,选用闭水式循环冷却方式,配套专用变频驱动器型号BPJ-500/1140。
(4)运转情况。经6 个多月的现场考察,永磁同步滚筒在负载近50%的情况下,线圈最高温度62 ℃;负载近100%时,线圈最高温度72 ℃。滚筒满载和运行时,噪音最高78 dB,最低45 dB,噪音较低。由于该设备结构简单、占地空间小,安装空间宽度节省0.7 m,增加了检修和安全距离。检修维护上除日常正常注油外,无其他检修维护工作,维护工作量降低近70%。实际空载时,滚筒最低电流12 A,相比原系统节能效率高于30%。设备空载时,输出电流低,减少了电能损耗,可延长设备的使用寿命。
3.2 应用实例2
贵州省某矿山将原传统“电动机+减速机”驱动方式均更新选用矿用隔爆型三相永磁同步电动滚筒驱动,对井下运输系统新型永磁滚筒运行情况进行考察,同时对其运行参数进行了数据跟踪和采集,2种新型驱动设备运行参数见表1。
由表1 可知,75 kW 永磁滚筒运行32 d,累计640 h,运行正常。2×315 kW 永磁滚筒正常运行44 d,累计880 h,其中空载运行14 d,累计280 h;重载运行30d,累计600 h,运行期间变频器发生1 次损坏,更换后正常运行,运行较为可靠。与此同时,经使用周期统计,永磁滚筒恒负荷节电率22.8%;吨煤量节电率21.3%,空载运行节电率32.6%,起动平稳,起动电流小,对电网冲击小。
表1 2种新型设备运行参数
经跟踪考察,运料上山强力皮带在空载状态下,变频器显示1#驱动运行电流56.3~57.1 A,2#驱动运行电流55.8~57.6 A,滚筒运行同步性好;315 kW 永磁滚筒运行过程中噪音为59~61 dB;75 kW 永磁滚筒运行过程中噪音为61 dB。现场检测两者永磁滚筒重载运行温度57~62 ℃,运行噪音小、温度较低。经验表明,永磁滚筒与传统驱动方式相比,减少了电机、减速器、液黏软起(含液压站)、联轴器、液压泵站等设备;同时设备少,故障率低,减少了检修维护工作量。
3.3 应用实例3
山西煤炭盖州煤业一采区南北翼对称布置,顺槽长度1 850 m,运输距离较长,转载设备多,中间加设电机开关等设备需要加宽巷道,设备故障率较高,因此对原有皮带机驱动部分进行了改造,采用2台永磁同步电动滚筒,应用效果如下。
(1)高效节能。永磁同步电动滚筒传动效率100%,高于传统驱动装置驱动效率约22%,经过1 个月的运行,1个工作面可减少电费约15万元。
(2)启动转矩大,过载能力强。传统驱动形式是永磁同步电动滚筒额定转矩的55%左右,而后者起动转矩是额定转矩的200%。当工况需要满载或过载启动时,无需人工卸载,即可直接起动,且可避免因堵转、过载而造成的电机损坏,同时极大减轻了工人的劳动强度。
(3)避免电网及机械冲击。传动系统使用无传感器矢量控制技术变频起动,可实现系统传动的缓慢匀速起动,起动转矩大,动态响应快,过载能力强,避免了变频同步电动滚筒起动瞬间大电流给电网带来的冲击,以及转矩波动给传动系统带来的机械冲击,降低了系统的电网故障及机械故障。
(4)系统维护简单。由于永磁同步电动滚筒不需减速器、机械软起装置,在实际应用中无需更换齿轮油,检修减速箱,节约成本且降低了维护工作量,后续维护只需定期给滚筒轴承注油即可,简单方便。
(5)驱动智能化。当皮带机需要多台变频同步电动滚筒驱动时,通过主从控制能够实现多机传动及功率平衡,能够避免因出力不均而造成的电机损坏。物联网技术支持多种铜芯接口接入,可实现与上位机通讯及多台设备集中控制运行,可将运行数据传送至地面调度室,实现无人值守、远程控制、在线监控和故障诊断功能。
4 主体电动滚筒技术特点
(1)设备自带的自动控制系统配备常规通信接口(Profibus-DP 或MODBUS 等)可满足中控室DCS与设备自带自动控制系统通讯,实现在DCS 上对设备工艺参数的显示及控制。三相永磁同步电动滚筒在运行时,轴承平稳轻快,无停滞现象,声音均匀和谐不夹杂有害杂音,并设有外置进出口注油孔。
(2)电动滚筒静平衡精度等级达G40。电动滚筒装配后,转动灵活,滚筒静阻力系数值不大于0.02。永磁同步电动滚筒转子永磁体采用N40UH 级钕铁硼永磁材料,耐受温度达180 ℃以上,即其剩磁密度和矫顽力均随着温度的降低而增高,能够适应现场极端低温环境。永磁体极限耐温180 ℃,可保证在正常运行及过载情况下无退磁,同时永磁体具有足够的机械强度,可承受现场运行中的振动而不产生退磁。
(3)永磁同步电动滚筒定子绕组选用扁铜线成型绕组结构,采用环氧树脂真空灌封工艺整体灌封,其具有优良的绝缘耐电晕性能、导热性能、防潮防污防水性能,较高的机械强度,定子绕组温升不大于60 K。
(4)为保证永磁同步电动滚筒结构的强度和运行可靠性,直径630 mm 的永磁滚筒筒体钢板厚度≥25 mm,直径800 mm 的永磁滚筒筒体钢板厚度≥32 mm,直径1 000 mm 的永磁滚筒筒体钢板厚度≥32 mm。
(5)永磁同步电动滚筒防护等级为IP54,绝缘等级F 级(155 ℃),工作方式S1(连续工作制),过载转矩倍数≥2,起动转矩倍数≥2;具有很好的调速功能,在额定频率范围内具有无级调速、恒转矩调速特性,且可长期低转速运行。
(6)滚筒转子永磁体采用嵌入式安装,可防止永磁体脱落和机械外力损伤的风险。永磁体采用专用安装工艺,使用过程中可避免因离心力、环境腐蚀等引起的对永磁体的损害。永磁同步电动滚筒定子绕组预埋的测温元件用于温度连续监测。其自身和配套水冷机进出水配置矿用快速接头,可便于实现快速拆装,同时永磁同步电动滚筒包胶均采用陶瓷冷硫化外包胶工艺,以保证其使用寿命。胶带输送机设计参数见表2,永磁滚筒技术参数见表3。
表2 胶带输送机设计参数
表3 永磁同步电动滚 筒技术参数
5 变频器
该设备电源频率变化为-2%~+2%,电网电压可控制在85%~110%满载正常运行,转矩和速度控制精确平滑,变频器调速精度≤0.1%,加减速度时间在0~300 s 可设定,零到额定转速时间及高转速到低转速时间现场可随时调整。同时,在三相永磁同步电动滚筒额定频率范围内,被控电动机均能保持正常运行。在最低输出频率时,能够持续输出稳定电流。变频器技术参数见表4。
表4 变频器技术参数
6 机旁操作箱
机旁操作箱具备本地、远程控制及互锁功能,变频调速方式为直接转矩控制(DTC)、满足重载起动要求,提供150%~300%的起动转矩,并能在低速下长期连续运行,频率调节精度0.01 Hz,稳定精度达0.5%。机旁操作箱具有故障自诊断功能,可方便地诊断出当前状态是否正常,并能在显示屏上显示故障代码,明确指出故障信息,且具有故障记忆功能,可保存最近20条记录。
7 结 论
(1)经对三相永磁电动滚筒技术比较和现场运行实地调研,明确了永磁同步电动滚筒应用在胶带输送机驱动系统的可行性,在注重该驱动装置技术数据积累、分析的同时,永磁同步滚筒的运用有效减轻了生产过程中因碳排放带来的环境污染。
(2)永磁同步电动滚筒由直驱滚筒和驱动器构成,改变了传统由滚筒、电机、减速机、液力耦合器、联轴器、控制保护等设备组成的复杂设备驱动系统。该新型设备充分体现了低成本维护、占地面积小、启动电流小、运行成本低等诸多优势,为日后设备使用、维护带来了极大的方便。