永磁调速技术在皮带输送机领域的应用研究

石树君

(太原矿机电气发展有限公司，山西 太原 030032)

目前，国内所有的大功率皮带输送机调速驱动控制都采用变频器+电机+减速器，或电机+液力耦合器+减速器的形式。上述驱动方式虽然可实现电机软启动，并且都有较大的启动转矩，但其在安装、调试、维护的复杂性方面一直困扰着广大用户，需要一种更便捷、可靠的调速驱动器满足用户的需求。一种新型的节能、环保的绿色调速控制器电磁调速器由于其自身突出的优势，在皮带输送机领域逐步取代其他调速装置被广泛应用。

1 永磁调速器的结构原理

永磁调速器被安装于电机与负载之间，由主动转子、从动转子和调速控制执行机构三部分组成。主动转子上装有强力稀土永磁材料制成的永磁盘与电机轴相连接，随电机一起运动;从动转子由新型合金导体材质制成，改变原始的铜铝材质转子，使调速平滑稳定，安装在负载轴上，与负载轴同心连接;调速控制执行机构用于控制主动转子和从动转子之间距离，达到主动转子和从动转子之磁场作用力和传递力矩大小的调整。永磁调速通过永磁盘和合金导体之间的气隙实现了电机与负载之间的转矩传输，实现了动力和负载之间没有机械连接力传递结构。

永磁调速器是通过气隙来传递转矩的革命性传动技术，电动机运行时带动装有强力稀土永磁铁的主动转子运动形成旋转磁场，从动转子在磁场中作切割磁力线相对运动，从而在从动转子中产生涡流，该涡流在从动转子上产生反向感应磁场，该感应磁场与永磁转子的永磁磁场相作用产生转矩。拉动从动转子随主动转子运动，从而实现电机与负载之间的无接触转矩传输。这种转矩传输运动是不同步的，也就是说与负载相连的从动转子的转速永远小于与电动机轴相联的主动转子的转速，形成的这个转速差称为滑差。在电动机满转矩且主动转子与从动转子作用力最大时，该滑差在1% ～4%。如果改变主动转子与从动转子两者之间的距离时，也就改变了两者之间的作用力，其结果也就改变了滑差和传递的力矩。距离近，作用力大，滑差小，传递的力矩大;距离远，作用力小，滑差大，传递的力矩小。主动转子和从动转子两者之间的距离称为“气隙”，通过气隙调整可以获得可调整的、可控制的、可以重复的负载转速，永磁调速器就是通过调整这个气隙的大小来达到调速的目的。其调速范围可达0～98%电动机转速。在自动控制设备中，气隙的调节是通过一套电动执行器来控制的。执行器接收由DCS系统或PLC控制箱提供4～20 mA的控制信号，调节调速器的气隙，以在线调节负载的转速，实现远程控制或自动控制。

2 永磁调速器在皮带输送机的控制过程分析研究

在皮带输送机配套设计时，根据皮带的长度、皮带的运量、地质条件，驱动系统设计为单电机驱动、多电机单点驱动及多电机分布驱动的方式。对驱动系统的要求主要体现在启动、制动过程中能最大限度的降低系统的惯性力，并能实现过载保护和负载平衡，将带式输送机的加速启动、减速停车和运行时的胶带张力减到最小。永磁调速器的驱动结构为“一拖一”的形式，即一台电动机+一台永磁调速器+一台负载设备。当需要多电机驱动时，通过程序控制器对各电机发出分步启动控制即可解决多台电机启动时对电网的冲击影响。电机启动后电机在工频下由零速迅速达到额定速度，电机的效率达到最高，当控制系统接收到电机全速信号后，对气隙控制执行器发出控制信号，调节气隙由大逐渐减小，皮带机负载侧的转动力矩逐渐增大，当转动力矩克服皮带机阻力时，皮带机皮带逐渐张紧由静止逐渐加速到全速运行。这样就避免了启动冲击对皮带的损坏。皮带输送机停车时，控制系统逐渐增大每台调速器的气隙，皮带机负载侧的牵引力矩逐渐减小，皮带机的控制速度缓慢降低至零转速。永磁调速器在系统控制中能稳定的控制多驱动的负载平衡，将系统采集到的各负载电流传输到由DCS系统或PLC组成的控制箱中，控制器将各负载电流进行比较，根据负载的不同调节输出4～20 mA的控制信号，调节调速器的气隙，实现对负载平衡控制。

皮带输送机启动和停止的运行特性是由加速时间和减速时间来确定的。在实际应用的过程中，加速时间和减速时间需要根据现场情况通过程序控制进行调整，如皮带长度、皮带的运量、皮带驱动点的布局、皮带工作面的起伏程度。可控的加减速时间调整，为皮带机提供了优良的起、停斜坡曲线，极大的疏缓了皮带机的动态张力，减轻了对机械设备的损伤。

当皮带输送机由多台永磁调速器联合驱动时，应当采用闭环自动控制系统来保证每台驱动电机的负载平衡。由DCS系统或PLC组成的集控系统对气隙执行器发出控制信号的同时，接收到来自驱动电机电流互感器的实时负载反馈信号，在集控系统中进行高速运算及时调整气隙大小来调整负载的轻重，最终实现负载平衡。在多电机多点分布联合驱动时，永磁调速器工作中的轻微滑差特性，更能显现其在调速系统中的优越性，对负载的容忍性更强。

永磁调速器能有效改善系统的运行特性完全满足实际应用要求，使大型带式输送机的性能达到最好。而由传统的电动机、减速器所组成的驱动装置在启动和停车过程当中输送带的带速随着电动机的转速变化而快速变化，加剧了输送机本身的振动，缩短了轴承和密封的使用寿命，加大了机械设备的疲劳强度，增大了系统的惯性力，特别是在输送带满载情况下启动更为困难，因此，传统的驱动系统已经不能满足长距离、大运量的大型带式输送机需求。

3 永磁调速器与变频器、液力耦合器的性能比较

3.1 设计原理

永磁调速器采用电磁感应原理，利用导体切割磁力线运动产生电流，同时带电导体在磁场中受到磁力的作用。运行原理是当电机旋转时，带动主动转子永磁盘与非铁导体盘之间相对运动切割磁力线，产生涡流进而产生感应磁场，来拉动从动转子旋转，主动转子离从动转子越近，切割磁力线产生的磁场越强，驱动负载的转矩就大，负载的转速越高，反之，负载的转速越低。驱动装置无机械连接结构，通过气隙传递扭矩，且对输入电压不敏感，过载保护采用滑差保护。变频器应用电力电子变流技术，采取可控硅整流输入，通过PWM直流斩波实现输出频率变换，通过改变电机输入的电流、频率、波形来实现电机速度的调节控制，系统的保护由过电流跳闸来实现，系统的设计原理复杂。液力耦合器是一种以液体为介质的非刚性联轴器，通过改变叶轮间液体的容积来改变传动力矩，调节负载的传递速度。不受输入电网电压的影响，系统过载是通过堵转泄压进行保护。

3.2 对工况的要求

永磁调速器在±100℃的极限环境温度下设备的特征和性能不会发生变化，仍然能正常工作。永磁调速器是无直接机械连接的调速装置，最小气隙为3 mm，它可以用于空气中粉尘较高的环境，可用水冲洗设备，同时永磁调速器是非接触式、磁力矩传递的调速驱动设备，没有强电流源。气隙电动执行器采用0～20 mA控制信号，在煤矿、化工以及粉尘严重易燃易爆环境下使用，只需对控制执行信号进行本安隔离或隔爆性能处理就能适应复杂的环境。

变频器为电力电子设备，为保证设备的稳定可靠运行，必须保证温度和湿度恒定在某个范围内，通常情况下温度在－10～40℃，湿度在40% ～90%，可正常工作，电子调速装置必须在洁净环境工作。对设备的安装空间要求较高，必须安装在大型防爆箱体内，整体按照防爆使用要求设计才能在易燃易爆环境下使用，对周围的环境要求很高。

液力耦合器以矿物油为介质，环境温度不低于－10℃，没有电气连接，可用于危险场所，在潮湿、粉尘、炎热、易燃易爆等特殊环境下使用，必须进行特殊设计。

3.3 安装、调试、使用、维护

永磁调速器电动机和负载之间是非接触式动力传递结构，对中精度要求较低，安装调试快捷。而且永磁调速器电气控制系统简单，无复杂的电路设备，经过短期培训后，用户使用人员可以熟练操作，而且可以频繁启动，用户维护人员能快速确定故障原因，并能自行解决。永磁调速器基本是免维护的，无须储备维护备件，整套设备占用的空间很小，使用寿命可长达20年。

变频调速系统安装时要求电动机和负载之间需精密对中，对设备的安装位置的环境温度、湿度要求较高。调试过程中，为保证多驱动的负载平衡和多点驱动的同步性能，需要花费较多人力和时间才能实现。使用过程中，虽然起停操作较简单，但操作过程中注意事项较多且不能频繁启动，否则易导致故障发生。变频调速系统由复杂的电力电子设备组成，对维护人员专业性要求极高。目前，国内的变频器使用单位普遍都缺乏专业的维修队伍，一旦有电气故障发生，对高产高效的自动化生产产生很大的影响。变频器为保证生产需要配套齐全的备件，占用一定的备件资金，同时变频器故障的不确定性和电子元器件的时效性，也造成了维护费用的浪费，设备的使用寿命为5～10年。在大型皮带输送机的整体配套过程，必须留有很大的空间安装变频调速装置。

液力耦合器安装难度较大，需要对中，设备占用的空间较大，调试时间短，操作使用简单。目前，大型系统配套液力耦合器全部为进口设备，生产人员只能进行简单的维护，而且液压系统维护需要较长的时间。液力耦合器一旦发生故障，查找难度较大，由于是进口件，备件费用昂贵，维护费用很高，订货周期长，对高效生产影响大，设备的使用寿命为5～10年。

3.4 节能、环保

永磁调速器的调速效率与变频器和液力耦合器相比，调速效率最高达到97%，变频器为95%，液力耦合器约为85%。永磁调速器的平均无故障时间与变频器和液力耦合器相比要长的多，给用户带来了可观的经济效益。

永磁调速器对环境友好，不产生污染物，不产生谐波，通过空间磁场传递扭矩，实现了电机和负载之间的柔性连接，降低了设备在运行过程中由于负载的突变所产生的强烈的振动和噪音，是一种绿色的调速装置。变频器在高效节能的同时，也在污染着周围的环境，一方面将产生的高次谐波沿输电线路送回电网，使电网的质量下降，影响其他用电设备稳定工作;另一方面在变频的同时，在其周围产生强烈的电磁辐射，功率越大，供电电源电压越高，其辐射强度越强，严重时可导致周围的电气设备工作中断甚至系统瘫痪。在安全要求苛刻的环境中，需投入大量的配套设备进行系统处理，资金投入大。液力耦合器无法回收的废弃油渍，对周围环境也造成一定的污染。

4 结论

国家大力提倡绿色、环保、节能、高产高效，永磁调速器以其结构简单、性能可靠和操作维护便捷等显著的性能优势在国内逐步得到推广，2011年元月，阳泉煤业(集团)有限责任公司阳煤一矿，率先在皮带输送机应用领域最复杂的煤矿井下使用，替换2×2×315 kW两地双驱变频皮带驱动系统，实践表明，系统基本实现免维护，一年零故障。同年6月，进行了对另一套液力耦合器的改造。通过对比，永磁调速器给用户带来巨大的经济效益，是皮带输送机调速驱动的最佳选择。

［1］张 宏.新型节能调速设备永磁磁力耦合调速器的原理及应用［J］.中国电力教育，2009(12):17－18.