永磁直驱变频装置在皮带运输机中的应用

乔爱凤

(山西榆次北山煤业有限公司技术科，山西 晋中 030619)

现阶段我国煤矿井下广泛使用的隔爆型异步电动机启动转矩小，功率因数低，电能损耗大，运行中综合效率低而且极易烧毁，造成能源的严重浪费。为了提高电动机的质量和效率，使电动机高效节能运行，山西榆次北山煤业公司在主斜井皮带运输系统中采用矿用隔爆型永磁直驱变频装置取代原有的异步电动机驱动系统，运行一年来，大大降低了噪音，明显提高了启动转矩，实现了平稳启动，减少了维护量和电耗，节约了成本，为无齿永磁同步变频直驱系统在煤矿井下皮带输送机驱动系统塑造了一个成功范例，笔者预测用无齿永磁同步变频驱动装置取代传统异步电动机驱动装置必将成为一种趋势。

1 异步电动机传动系统概述

北山煤业公司主斜井使用DTL100/20型带式输送机一部，输送长度为500 m、带宽为1 000 mm，输送倾角为16°，最大带速为2 m/s。采用YBK315M1－4型异步电动机2台，转速为1 480 r/min，功率为132 kW，通过耦合器、制动器、减速器、低速轴联轴器与皮带滚筒相连接，异步电动机驱动系统示意图见图1。此系统于2009年7月安装，截止2012年5月运行两年中存在以下问题:

1)由于综采、综掘的应用，产能的增加，工作面的煤不能及时运出坑外。

2)液力耦合器和减速器常出现轴承损坏、液体渗漏、齿轮磨损等故障，维护工作量大。

3)由于重载启动，皮带被拉伸而损坏的现象时有发生，必须使用强度高一级的皮带，从而增加了成本。

异步电动机驱动系统示意图见图1。

图1 异步电动机驱动系统示意图

2 永磁直驱变频调速装置概述

永磁直驱变频调速装置包括皮带机及与皮带机滚筒连接的驱动装置，即由ZJT－400/660型矿用隔爆兼本质安全型变频器、TBD－630X－32YC稀土低频永磁三相同步电动机、DSJ100/20皮带运输机滚筒组成，见图2。该装置的核心部件是稀土永磁同步电动机(PMSM)，克服了三相异步电动机综合效率低、易烧毁的缺点。该装置充分发挥了永磁同步电动机的自身特点和变频器的调速功能，实现了对皮带输送机的无齿永磁同步变频驱动。

图2 永磁同步电机变频驱动系统示意图

3 永磁直驱变频调速装置的应用效果

永磁直驱变频调速装置在北山煤业公司运行一年来，在技术、经济上都收到了良好的效果。

3.1 节省了皮带输送机机头的安装空间

永磁直驱变频装置以变频器和无齿永磁同步电动机取代了原驱动装置中的异步电动机、耦合器、制动器、减速器、低速轴联轴器，大大减少了设备的投入，简化了系统。总宽度较原驱动系统增加了200 mm，总长度减少了1 500 mm左右，在空间上给井下皮带机的安装带来了很大的方便。

3.2 皮带机启动平稳，实现了软启动

皮带不论在静止状态还是在运行状态下都储存有大量势能，为了将皮带内部所贮存的能量慢慢地释放出来，使皮带机在启动时产生较小的张力，皮带机的启动必须采用软启动方式。

变频器根据负载情况的变化，随时调整输出频率，能够从0开始缓慢启动，使启动过程平滑稳定，没有机械冲击。同时由于TBD－630X－32YC低频永磁三相同步电动机为32极数，经实测最高可获得2.8倍额定转矩，完全可以直接驱动皮带机的传动滚筒。因此，永磁直驱变频调速装置完全实现了皮带机的平稳启动，减少了机械冲击，降低了皮带强度要求。

3.3 降低了设备的维护量，实现了重载启动

由于采用直接驱动方式，省去了对液力耦合器、减速器和齿轮等的维护，系统寿命的决定因素仅为变频器电子元件的寿命，同时实现了软启动，启动过程中对机械基本无冲击，也大大减少了皮带机系统机械部分的检修量。

在异步电动机驱动系统中，启动时最大输出50%的额定转矩(见图3)，而电流则高达额定电流的4～7倍，极易使电机内部机械应力和热应力发生较大变化，因此，在重载启动中烧毁电动机的现象时有发生。

图3 异步电动机的启动特性示意图

相比之下，永磁直驱变频装置具有良好的启动特性(见图4)，在启动时可以输出2倍的额定转矩，电流从0开始增加，利用自身的调速功能实现皮带机的缓慢启动，对设备机械部分基本无冲击，从而实现重载启动。

图4 永磁同步电动机的启动特性示意图

3.4 变频器的主从接线方式实现了功率平衡

在异步电动机驱动系统中，两台电机驱动两个滚筒，由于电源的电压波动、电动机参数随环境湿度和温度改变的差异，引起电动机转速的不同步，进而导致功率不平衡。

在永磁变频直驱系统中，两套直驱变频装置分别与皮带机的主动滚筒1和主动滚筒2相连接，变频器接线采用主从控制接线方式(见图5)，实现了皮带机多电机驱动时的功率平衡和同步运行。

图5 变频器主从接线图

3.5 提高了皮带输送系统的效率

在异步电动机驱动系统中，启动不平稳，重载启动困难，直接影响着驱动系统的整体效率，理想状态仅为94%，实际运行效率在80%以下(见图6)。

图6 效率对比特性曲线图

由图6可知，在永磁直驱变频系统中，电动机与滚筒直接连接，理想状态系统总体效率为1，系统实际运行效率均在93%以上。

3.6 提高了皮带输送系统的功率因数

使用异步电动机驱动皮带输送机在工频下运行时，绝大部分不是满载运行，负载经常很小、甚至有时会出现空载的现象，但是电动机却始终在满电压、满速度的状态下工作。由电动机的运行特性可知(见图7)，异步电动机只有在接近满载时功率因数才是最大的，轻载时定子电流有功分量很小，大部分为无功分量，功率因数很低，造成电能的在浪费。

而采用永磁同步电动机后，定子结构中加入稀土永磁体，无需励磁电流，从电网吸收的能量几乎全部为有功分量，在整个过程中的功率因数达0.93以上，大大节约了电能。

图7 功率因素对比特性曲线图

3.7 杜绝了“大马拉小车”的现象

永磁直驱变频装置内置多机软件功率平衡和智能切换功能，这样机械结构更加简单，而且通过软件实现功率平衡，对电动机的保护更加可靠。当功率较小时，可单机运行或多机冗余切换运行，保证系统多机备用，根据皮带上物料的多少实现闭环速度控制。当物料较少时，降低皮带输送机的转速，避免“大马拉小车”现象的发生，与未使用闭环系统相比较，可实现10%到60%的节能(由皮带输送机的工况点所决定，轻负载运行时，节能效果更明显)，这样既保证了设备长时间使用，又可实现空载情况时不运行，不但有利于设备保养，还可大大节省电能消耗。

4 永磁直驱变频调速装置的经济分析

永磁直驱变频调速装置在北山煤业公司运行一年来产生了明显的经济效益，主要从皮带机空载运行、半载运行和满载运行三个方面加以比较分析，假定一年工作 300天，每天 20 h，每 kW/h电费为0.65元。

4.1 空载运行时经济分析

当皮带输送机空载运行时，对315 kW永磁直驱变频系统与同等功率的异步电动机驱动系统接入相同的电源电压710 V，输入功率相差10.93 kW，各项实测参数见表1。

4.2 半载运行时经济分析

当皮带输送机半载运行时，对315 kW永磁直驱变频系统与同等功率的异步电动机驱动系统接入相同的电源电压710 V，输入功率相差37.86 kW，各项实测参数见表2。

表1 永磁直驱变频系统空载运行节能表

表2 315 kW永磁直驱变频系统半载运行节能表

4.3 满载运行时经济分析

当皮带输送机满载运行时，对315 kW永磁直驱变频系统与同等功率的异步电动机驱动系统接入相同的电源电压710 V，输入功率相差84.63 kW，各项实测参数见表3。

通过以上分析可以看出，永磁直驱变频装置应用于煤矿井下皮带输送机系统，不但可以减少直接成本，而且可以大大减少间接运行费用，所带来的经济效益十分可观。

表3 315 kW永磁直驱变频系统满载运行节省费用表

5 结论

北山煤业公司投入运行永磁直驱变频调速装置一年来，降低了噪音、大大减少了维护量，皮带机启动平稳，解决了多年来重载启动的难题，结束了异步电动机驱动系统低速运行时“大马拉小车”的状态，节省了电能，节约了初期投资和运行费用，提高了经济效益。因此，永磁直驱变频调速装置是煤矿井下皮带运输机驱动装置中的最佳装置。

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