三相永磁电动滚筒在国内某大型矿山的应用

2022-06-28董振

现代矿业 2022年5期

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。