防爆低速直联永磁同步电机在矿井带式输送机中的应用

庞 飞 栾海隆

（1.晋煤集团金鼎公司，山西 晋城048006；2.常州西电帕威尔电气有限公司，江苏 常州213017）

0 引言

在现代化的煤炭生产中，皮带输送机作为煤炭的主要运输工具，其传输能力在很大程度上决定了煤炭企业的生产能力。目前，煤矿用皮带输送机的设计输送量高的可以达到6 000～7 000t／h，有的工况需求配备数量达20多台甚至几十台，全长达十几公里，最长的皮带输送机单台长几公里。每台皮带输送机通常包含2～3台电机，通过变速装置、驱动滚筒来驱动。皮带机运行方式为电机按顺序延时启动后一起运转。由于电机容量均按最大负载考虑，正常工作负载较少达到额定载荷，且设备存在备料空载或轻载等状态，造成相当一部分电量白白损耗。因此，采用新型的永磁同步变频驱动系统，以达到减少电能损耗的目的，是煤矿运输行业的发展趋势。此外，皮带驱动系统的可靠性与稳定性对煤炭产量也有重要影响。

1 传统驱动系统的问题

目前，传统的带式输送驱动系统采用异步电机＋液力耦合器或者CST组合、异步电机＋变频器等驱动方式。异步电机＋液力耦合器或者CST组合方式工作较为稳定，但效率较低、耗能严重，由于启动电流很大，不仅会对电网电压造成冲击，而且会影响电机的使用寿命。此外，在运行过程中存在维护费用高、占地空间大、噪音污染严重等缺点。异步电机＋变频器的驱动方式散热困难、控制复杂，电机与驱动滚筒直联驱动时，无法在低转速下输出高扭矩，重载启动困难，导致必须使用减速器增大扭矩。在2～3台电机驱动同一条皮带时，功率平衡和转速同步问题不好解决。

2 永磁同步变频驱动控制系统的研制

2.1 永磁同步电机的设计

永磁同步电机是利用定子的三相交流电流和永磁转子的磁场相互作用所产生的电磁转矩来带动电机转子转动的。当定子电流频率固定时，转子的转速也是固定的，并且与该频率成正比：

式中，n为同步转速（r／min）；f为定子电流频率（Hz）；pn为永磁同步电机极对数（对）。

以晋煤集团赵庄矿带式输送机传动系统为例，按照1.4m皮带机的运行速度为3.5m／s，同时考虑到1.4m皮带机的滚筒直径，计算出滚筒转速为67r／min。因此，与其直联的永磁同步电机的额定转速为67r／min，根据上面公式和变频器的输出电流频率17Hz，计算出满足带式输送机传动系统需要的直联式永磁同步电机，极对数需要设计为16对。

2.2 变频驱动系统的设计

采用理论分析、计算机仿真和样机实验相结合的方法，深入分析直联式永磁同步电机驱动系统的特点，研究PI控制基本理论，设计适用于该系统的控制算法，并进行仿真验证，进一步找出影响系统运行的因素，并进行逐步改进，达到仿真状态下的最优性能，进而进行样机研制与调试。图1为整个永磁电机及其驱动系统控制原理图。

图1 控制原理图

2.3 永磁电机的散热、防爆设计

直联式永磁电机的散热问题较为重要，该设计直接影响着电机的功率输出性能，该散热装置采用套筒方式，套筒内布置曲型水道，使用高压胶管引入矿井的供水水源进行散热。套筒、水道的设计一方面要承受煤矿井下供水水源大约3MPa的水压，另一方面要将电机发出的热量迅速带走，再者要考虑到满足产品的防爆要求。

2.4 变频器的散热、防爆设计

为了满足防爆要求，按照GB3836.1－4—2010的相关规定，对变频器的壳体进行了防爆设计，防爆设计主要保证主门、左右接线腔、上下后门的防爆要求，同时还对观察窗和按钮进行了防爆设计，保证了观察窗的防爆性能。散热方面，采用内循环水冷系统与外循环水路通过热交换器散发热量，可以有效解决腔体内部结露问题，避免环境潮湿导致变频器的IGBT击穿，同时，对变频器的散热效率有很大的提升，使得变频器可以高效运行。图2为变频器水路系统示意图。

2.5 整个系统的抗干扰设计

变频设备的电磁兼容性包含2个方面，一方面检测系统是否符合EMC国家标准，不至成为干扰源，另一方面检测系统是否能经受外部干扰，在恶劣的外部环境下长时间地稳定运行。本项目是从以下几方面实施的：（1）减轻甚至消除干扰源，这主要是针对变频器自身而言，采用优化的算法可在一定程度上减小器件开关动作时产生的电磁干扰；（2）切断干扰信号的传播路径，采取屏蔽、接地、搭接、滤波、隔离、对线路合理编制排放的方法将干扰信号的传播路径尽可能地切断；（3）硬件设计的抗干扰性能提升，这在制板之初就需要周详地考虑其抗干扰性能，保护关键芯片，在强脉冲群干扰的情况下也能提供有效的泄放回路，以使硬件正常运行。

图2 变频器水路系统示意图

3 永磁变频驱动装置在带式输送机中的应用

该永磁变频驱动装置正在晋煤集团赵庄矿5307工作面进行工业性实验，皮带长度约1 200m，处于1.5°下坡位置，由3台电机并联驱动，系统框图如图3所示。电机设计为直接驱动皮带滚筒的方案，皮带机滚筒转速为66.5r／min，启动过载为3倍额定转矩，持续时间不超过1min，联轴器采用涨套结构。至今为止，已稳定运行10个月，期间未出现任何故障。

4 永磁变频驱动装置的节能效果分析

现在，矿井皮带输送量、运输距离和驱动装置的功率迅猛增加。本项目所设计的皮带驱动系统，功率因数几乎为1，效率大于0.9，较之传统皮带驱动系统的电气性能有极大改善。以煤矿井下每条皮带驱动系统装机容量1 000kW为例，若按日运行18h、年运行350日计，每年可节约电量146.79万kW·h。输送带既是承载构件又是牵引构件，依靠带条与滚筒之间的摩擦力平稳地进行驱动。由于结构复杂，从电网侧吸收的能量只有约20%左右用于货物的传送，效率极其低下。该皮带驱动系统，简化了机械装置，使其运行效率在90%以上，节能效果极为可观。

图3 400kW皮带机驱动系统框图

5 结语

直联式永磁同步电机及变频驱动系统很好地克服了传统皮带驱动系统的缺点，具有使用性能佳、安全性好、低转速时输出扭矩大、控制可靠、散热性能好、维护简便甚至可以做到免维护、占地空间小、对环境无污染等优点，是带式输送机驱动系统的理想方案。

［1］巩剑波.变频调速永磁电机在皮带运输上的运用［J］.山西焦煤科技，2011（12）