永磁直驱技术在港口带式输送系统中的应用

魏梦娇，柳玉涛，高天佑

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引 言

20 世纪80 年代，为实现我国“西煤东运，北煤南运”的能源战略方针，某港建设了煤炭出口泊位工程，至今已投产30 年，累计接卸煤炭超过9.6 亿t，为我国经济发展贡献了重要力量。因当时永磁材料成本较高，永磁电动机仅应用于航空航天及其他高科技领域，直至1983 年，钕铁硼（NdFeB）永磁材料诞生[1]，才使得永磁同步电动机逐渐应用于工业设备领域。2016 年4 月，此港的BM1 码头带式输送机，成为国内港口行业首例由传统驱动形式技改为永磁直驱系统的实验性技改工程。本文依据此工程的技改经验，以及改造后的运营情况，通过对设备改造前后的实验数据进行对比分析，研究永磁直驱技术在港口带式输送机系统中的实际应用情况。

1 永磁直驱技术简介

永磁电动机以线圈为定子，永磁材料体为转子，与传统的三相异步电机相比，无需励磁绕组和励磁电源，采用永磁材料进行励磁[2]，因此功率因数高，定子电流损耗低，并可通过设计电机极对数量，实现低转速、大扭矩特性。永磁直驱系统由永磁电动机、变频器与联轴器构成，与传统驱动系统相比，不需配置减速器、液力耦合器等中间机械传动设备，提高了驱动传动效率。永磁电动机经变频技术对输入电流进行调控后，输出转矩可依据负载的大小进行调节，能够轻易实现驱动系统软启动，避免电机因启动瞬时电流过大冲击整个电网，同时避免瞬时转矩剧增冲击整个机械传动系统。因此，永磁直驱技术具有电动机配置灵活，系统传动效率高，可靠性高，运行启动平稳，维护成本低等显著特点。

2 改造方案实施

码头带式输送机是煤炭出口型港口的关键设备之一，本工程改造的BM1 码头带式输送机作业量占其所在工艺系统作业总量的35 %。如图1 所示，BM1 带式输送机基本参数为：额定输送能力Q=6 000 t/h，带宽B=2 000 mm，带速V=4.8 m/s，槽角α=35°，总长L=925 m，驱动系统主要由3 套“315 kW 异步电机+减速器+耦合器”驱动单元组成。

图1 BM1 带式输送机原驱动系统布置

图2 改造后BM1 带式输送机永磁直驱系统布置

本次改造方案主要为：拆除原有的3 套传统驱动单元，安装新型永磁直驱电动机和配套的变频驱动器，并更换连接滚筒轴和电机固定底座，改造后的永磁同步电动机通过联轴器直接与BM1 带式输送机驱动滚筒相连（如图2 所示）；驱动系统供电动力系统由原高压接触器直接控制异步电动机，改造为高压接触器作用变频器，再由变频器控制永磁电机的启停和调速；对控制系统进行改造，增加变频器的控制与反馈信号，并对高压接触器控制逻辑进行修改调试。

改造施工过程中，预先进行土建施工，加速灌浆料上强度，并提前进行新增系统线路及程序改造与调试，将土建施工、机械施工和电气改造施工合理组织、穿插进行、前后衔接、互不影响，使得BM1带式输送机的停产时间不超过5 天，永磁直驱系统投产至今近3 年零故障运行平稳。

3 运营实验结论

3.1 实现系统软启动

永磁直驱系统通过变频器控制永磁电动机的输出转矩，实现缓慢启动。经过对永磁电动机电流进行检测，未见瞬时过大电流出现，最大启动电流为45.7 A。软启动减缓了瞬时大电流对电网的冲击，降低了转矩瞬间增大对机械传动系统的剧烈冲击作用，较大程度降低了机械系统故障率。

3.2 实现功率平衡

如表1 所示，实验分别记录了改造前后BM1带式输送机空载运行1 h 内，对应3 台电动机的耗电量与功率系数等实验数据。分析数据可得：改造前，3 台电机运行平衡性较差，2#电机功率因数较高，几乎2 倍于1#和3#电机，且3 台电机耗电量差距较大；永磁直驱改造后，3 台电机耗电量与功率因数接近相同，且运行时驱动电机驱动电流走势近乎一致；由此可得永磁直驱系统实现了3 台电机功率平衡，避免电机因出力不均对系统造成损坏。

表1 改造前后空载运行1 h 实验数据

3.3 实现自由调速

实验证明，永磁直驱系统可实现由停止到额定转速的自由调速。改造前，传统驱动系统无调速功能，不能实现轻载调速运行和低速验带功能。改造后，系统可通过调节变频器实现无级调速。在实际生产运营过程中，装船机进行移舱、移泊作业时，可实现带式输送机空载怠速运行工况，降低空载能耗；检修时，可用于带式输送机低速验带作业，极大程度降低胶带磨损及电能损耗。

3.4 实现重载启动

当某一台驱动电动机故障时，仅需将对应高压接触器断开，并将联轴器脱开，即可实现带式输送机由三驱运行转变为双驱运行。本文进行了模拟此工况实验，分别对改造完成后的三台电机重载启动和两台电机重载启动进行测试。

三台电机重载启动工况：BM1 带式输送机启动正常，变频器输出电流峰值46 A，为电机额定电流的1.386 倍；变频器输入电流峰值28 A，是其额定电流的58.3 %；启动时间27 s。

两台电机重载启动工况：BM1 带式输送机启动正常，变频器输出电流峰值56 A，为电机额定电流的1.687 倍；变频器输入电流峰值36 A，是其额定电流的75 %；启动时间27 s。

上述实验现象由永磁直驱系统的大启动转矩特性决定的，永磁电机的启动转矩是额定转矩的220 %[2]，传统驱动系统启动转矩通常是额定转矩的55 %[2]。传统带式输送机满载启动工况的驱动功率设计计算时，考虑传统驱动系统启动转矩较低的问题，在计算额定功率的基础上乘以启动系数[3]，需采用增大电机容量的方式来满足带式输送机的启动转矩，而永磁直驱系统则可避免此种处理方式。

4 节能实验

4.1 空载节能实验

如表1 所示，实验分别记录了改造前后BM1带式输送机空载运行1 h，对应的三台电动机的耗电量与功率系数等实验数据。改造前，三台高压电机耗电量合计207 kW·h；改造后，三台高压电机耗电量162 kW·h，外加变频器室空调和照明、永磁电机冷却系统等低压设备耗电量19.5 kW·h，合计181.5 kW·h。带式输送机改造前后空载速度分别为5 m/s 与4.88 m/s。采用如下公式：

式中：

n 为改造后综合节能率；

P0为改造前空载运行1 h的耗电量，单位kW·h；

P1为改造后空载运行1 h的耗电量，单位kW·h；

v0为改造前空载运行速度，单位m/s；

v1为改造后空载运行速度，单位m/s。

通过计算，改造后BM1 带式输送机空载运行 1 h 可节能12.02 %，故改造后皮带机空载运行条件下，综合节能效果显著。

4.2 重载节能测试

如表2 所示，实验分别记录了改造前和改造后BM1 带式输送机相似作业工况的数据，并进行对比分析。

表2 改造前后重载运行实验数据分析

分析可知：在近似同等作业条件下，改造后的永磁直驱系统比传统驱动系统重载作业至少节能12 %。

5 结 语

本文以某港BM1 码头带式输送机由传统驱动形式改造为永磁电机直驱系统的实验性技改工程为研究对象，从施工、运营、实验等方面出发，通过对设备改造前后各项数据进行分析研究，论证永磁直驱技术在港口带式输送机驱动系统改造中，具有改造工期短、传动效率高、运行平稳、维护成本低、噪声低等特点，实现系统软启动、功率平衡、自由调速、重载启动等功能，且节能效果显著，可减少能耗12 %以上，证明了永磁直驱技术在港口带式输送机方面的应用具有较强的推广意义。