永磁同步电动滚筒在下运式带式输送机中的应用

王海亮

(山西汾西矿业(集团)有限责任公司高阳煤矿， 山西 孝义 032300)

0 引言

随着煤矿“四化”建设的不断要求，永磁同步电动滚筒已应用于煤矿井下带式输送机。本文重点介绍永磁同步电动滚筒的工作原理及其在矿井下运式带式输送机的应用。

1 永磁同步电动滚筒的工作原理

永磁同步电动滚筒俗称外转子电动机，主要包括永磁同步电动滚筒、智能同步变频器及水冷装置等[1]。它以磁场为媒介进行电能和机械能的能量转换，利用永磁体建立磁场，当永磁电动机的三相定子绕组通入频率为f的三相交流电后，将产生一个以同步转速推移的旋转磁场[2]。永磁同步电动滚筒永磁体由稀土永磁材料钕铁硼制成[3]，取代电励磁，无励磁损耗。转子无绕组，无转子铜耗、铁耗，高性能的钕铁硼稀土永磁材料具有很高的磁能积，它的剩余磁感应强度、矫顽力较大，用较少的钕铁硼永磁体便能产生足够的电机磁能积。将外转子表面作为驱动滚筒表面，采用阻燃性、抗静电性材料进行包胶，直接与输送带接触，依靠摩擦阻力带动输送带运行。

2 永磁直驱系统应用特点

1) 效率高，能耗低。采用的永磁直驱电动机效率达到国际IE4(高于国家一级能耗标准)，与传统驱动系统比较，实现节电15%～20%，如图1、图2所示。

2) 起动转矩大，重载起动性能更卓越。永磁同步电动机匹配智能同步变频器能恒定输出额定负载转矩2倍的起动转矩，彻底解决了重载起动难的问题。异步电动机和永磁同步电动机的起动特性如图3、图4所示。

图1 效率对比曲线

图2 功率因数对比曲线

图3 异步电动机起动特性

图4 永磁电动机起动特性

3) 系统免维护。电动机采用直驱式结构，去掉减速机、耦合器等中间环节，安装方便，无需加油维护，减少大量巡检工作量，节省人力、物力。

4) 调速性能优越。实现由量定速，减小输送带磨损和设备损耗，低速变频调速工况下节能效果更为明显。

5) 功率平衡功能好。根据需要分配多机载荷，可避免单机过载造成的设备损坏等问题。

6) 通信功能丰富。支持多种通信接口的接入，可与上位机通信，实现在线监测监控。完善的保护功能，能实现对过压、过流、欠压等各种故障的保护，保障系统安全稳定运行。

3 永磁直驱电动滚筒的实际应用

高阳煤矿二采区二部带式输送机全长750 m，提升高度-43 m，要求运输能力达2 300 t/h。对矿用隔爆型永磁同步电动滚筒与传统驱动装置进行对比分析。矿用隔爆型永磁同步电动滚筒应用于煤矿带式输送机中，采用永磁直驱电动机替代传统的机械驱动装置，取代了异步电动机、减速器、液力偶合器和联轴器[4]，这种直接驱动的方式，可使传动系统结构简化、效率提高、噪声降低、安装方便，而且无需进行日常维护、检修，从而节省了大量的人力物力成本，有效提高了带式输送机运行的可靠性和运行效率。两种驱动方式对比见表1。

表1 两种驱动方式参数对比

4 节能效益分析

永磁直驱电动滚筒带式输送机轴功率103 kW，结合驱动系统效率，每天运行时间20 h，每年按330 d计，每年耗电量为192/0.912×20×330=1 389 474 kW·h。

“异步电机+减速器+液压联轴节”带式输送机轴功率103 kW，结合驱动系统效率，每天运行时间20 h，每年按330 d计，每年耗电量为192/0.700×20×330=1 810 286 kW·h。

电费0.7元/(kW·h),永磁直驱电动滚筒驱动较“异步电机+减速机+液压联轴节”驱动每年可节省电费294 568元。

5 配套变频器的选用

《煤矿安全规程》第三百七十四条规定：“采用滚筒驱动带式输送机运输时，应当遵守下列规定：(五)倾斜井巷中使用的带式输送机，上运时，必须装设防逆转装置和制动装置；下运时，应当装设软制动装置且必须装设防超速保护装置”。由基础数据得知，该二采二部带式输送机为下运带式输送机，应当装设软制动装置。其下运行时，重力牵引电动机发电，将势能转化为电能，电动机处于发电状态，必须选用四象限变频器才能将电动机的再生能量回馈给电网[5]，设计时选用具有回馈功能的四象限变频器。而永磁电机选择变频器时以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电动机的额定功率作为参考。永磁电动机变频器必须为低转速大扭矩矢量同步变频器，具有开环矢量和闭环矢量控制。该变频器在IGBT 模块里集成续流二极管，这样便可以实现能量的双向流动，将电动机被动转动时产生的电能运输到电网，实现电气软制动。

经过设计选用BPB1-315/1140K型变频器，额定功率315 kW，额定电压1 140 V，冷却方式为风冷。与永磁同步电动滚筒配套设计，具有恒转矩输出、大转矩软起动的特性，具备过流、过压、欠压、短路、过载、缺相、永磁滚筒绕组过热、瞬间断电保护等保护功能，具有绕组温度显示和超温停机保护的功能。带式输送机起动时具有5 s的缓动预警功能，空载时具有自动降速的功能，以达到最佳的节能效果。控制和通信接口具有集中控制、就地控制、检修等选择按钮，配置有RS-485通信接口，满足了带式输送机综合保护、无人值守等要求。

6 结论

永磁电动滚筒在矿井下带式输送机中的使用，从短期利益看,节约了巷道施工成本，确保了作业安全；从长期利益看，设备使用及维护成本低，仅用两年的时间便可以将投资回收。特别是结合四象限变频器的使用，实现下运式带式输送机的软制动，解决了带式输送机可能发生飞车、埋机头事故，变频器永磁电动滚筒在矿井将发挥着越来越重要的作用。