大功率永磁变频一体机在带式输送机中的应用研究

王 博，王彬发

（陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西 咸阳 713500）

1 工程背景

1.1 矿井主运输系统概况

陕西彬长小庄矿运输大巷带式输送机运输距离2 360 m，提升高度81.7 m，皮带强度ST/S3150，带宽1 600 mm，运量4 000 t/h，驱动滚筒直径1 400 mm，带速4.5 m/s。带式输送机驱动系统采用四台1 120 kW电机配套调速型耦合器和减速机，驱动功率为4×1 120 kW（三用一备），电机电压等级为10 kV，使用天津华宁KT101控制器进行控制。

1.2 工程问题

带式输送机驱动系统存在传动效率低，能耗高，重载启动困难，频繁启动油温上升快、不易冷却，无法对皮带运行速度进行调控，维护费用高等问题，亟待升级改造。

2 带式输送机驱动系统改造方案设计

2.1 高压变频一体机组成及原理

高压永磁变频一体机电气系统主要由变频部分和电动机部分组成，其中变频部分又由主电路、控制电路、驱动电路、显示屏等组成[1]，其中主回路电源由接触器、电抗器进行滤波稳压，经逆变电路将直流电转变为频率、电压均可调的交流电；控制电路负责将采集的实时信号运算产生驱动信号，完成光纤与驱动单元的数据交换，并通过显示屏显示处理后信息；驱动电路负责接收主控器的触发信号，控制该信号的导通和关断；变频单元附属电路负责变频器操作、控制及保护电路；永磁一体机显示屏负责接收显示主控器发送的实时信息，包括直流电压、变频输出电流、输出功率和转速等参数。

2.2 带式输送机驱动系统改造方案

永磁直驱变频一体机集成了减速机、电动机和变频器，现将带式输送机高压电动机配套调速型耦合器、减速机驱动方式改造为由三台永磁直驱变频一体机、一台控制器和两台移动变电站组成的大功率永磁直驱变频一体机，并与驱动滚筒连接，三台永磁直驱变频一体机之间通过通信线连接，如图1所示。

图1 带式输送机永磁一体机驱动系统

带式输送机智能控制系统如下页图2所示，永磁直驱变频一体机与控制台连接并接受控制台的控制，控制台可以显示各一体机工作状态、运行数据和故障信息，控制永磁直驱变频一体机驱动带式输送机平稳启动和运行，智能控制箱可将运行数据实时上传至地面调度中心，使带式输送机远程控制，实现动态功率平衡并具备同步调速功能[2-3]。在顺槽带式输送机机头前方10 m左右位置安装视频监控及检测装置，其不仅能在识别锚杆、大块矸石等异物后停机保护，并给出相应故障信息，还能识别瞬时煤量，根据煤量大小自动调整带式输送机转速。

图2 带式输送机智能控制系统

另外，该带式输送机的永磁直驱变频一体机使用了配套循环水冷却装置，冷却方式为外壳水冷，可为永磁变频一体机提供冷却。

3 改造驱动系统计算核准及驱动电机选型

3.1 输送带宽度的确定

驱动系统设计计算及选型依据《煤矿用固定带式输送机设计选用手册》和《DTⅡ型固定带式输送机设计选用手册》[4]。带式输送机输送带宽度可按式（1）进行计算。

式中：B为输送带宽度，m；Q为输送机输送能力，t/h；k为倾斜系数，取0.93；ρ为输送物料松散密度，取1.3t/m3；v为输送带传送速度，m/s；Ce为槽型系数，取492。

将1.1节已知的相关参数带入式（1）中，得输送带宽度为1.22 m，由此表明选用标准驱动系统带宽1 600 mm能够满足运输要求。

3.2 托辊及物料计算

对于托辊及物料的计算可按式（2）和式（3）进行求取。

式中：qR为托辊重，kg/m；qG为物料重，kg/m；Gz为承载分支三联托辊组重量，kg；Lz为承载分支三联托辊组长度，m；Gk为回程分支平行托辊组重量，kg；Lk为回程分支平行托辊组长度，m。

目前选用的输送带规格为ST/S3150，其中托辊直径Φ=159 mm，皮带张力F=5 040 kN，输送带单位长 度 的 质 量qB=67.2 kg/m，Gz=46.56 kg，Lz=1.2 m；Gk=16.27kg，Lk=3m。经计算得托辊重qR=44.22333kg/m，物料重qG=68.59 kg/m。

3.3 传动滚筒圆周驱动力计算

传动滚筒圆周驱动力Fu按照式（4）进行计算。

式中：C为附加阻力系数，取1.05；f为运行阻力系数，取0.03；L为运输长度，m；g为重力加速度，取9.8m/s2；β为带式输送机在运输方向上的倾角（当倾角小于18°时，一般取cosβ≈1），（°）；H为物料提升高度，m；FS为阻力，取1 000 N。

将相关数据带入式（4）中计算得传动滚筒圆周驱动力Fu=236 017.67 N。

3.4 电动机功率计算

电动机功率可按式（5）和式（6）进行计算。

式中：P为轴功率，kW；Pd为电动机功率，kW；Kd为功率备用系数，取1.3；η为驱动装置传动效率，取0.98；εd为多级功率不平衡系数，取0.98；ε为电压降系数，取0.95。

将相关参数带入式（5）和（6），经计算得轴功率P=1 062.08 kW，电动机功率Pd=3 026.54 kW，因此电机功率选择3×1 000 kW，转速选择60 r/min，带式输送带可满足提速要求。

3.5 永磁变频调速一体机驱动电机选型

由于国内煤矿井下尚无6 kV防爆永磁变频调速一体机相关产品，为了减少设备投入成本，选用型号为TJVFT-1000/80YC、驱动电机电压为1 140 V的矿用隔爆兼本安型永磁同步变频调速一体机可满足小庄矿运输需求。

4 预计改造效果及节能经济分析

永磁同步变频调速一体机的使用可实现矿井胶带输送机无人值守，只需维修工定期检查巡视即可。空载或重载情况下，多台电机能够达到绝对同步运行，启动输送带运行平稳，且电机在额定转速范围内恒定扭矩输出，可保证主运皮带安全运行。另外，巷道中安设的煤流监测控制系统可根据输送带带面的煤流量控制和调节带式输送机带速，减少滚筒、托辊及输送带的转动，提高滚筒、托辊及输送带的使用寿命。

永磁变频调速一体机的使用可降低减速机、耦合器冷却风扇、油泵、滤芯及油脂等配件材料的消耗，减少能量传递过程中的损失，节约电力消耗，降低生产成本[5]。为此对改造前后的带式输送机进行节能经济分析，改造前滚筒轴功率2 751 kW，改造后1 062.08 kW，按额定负载60%、每天运行时间16 h（每月30 d）进行计算，得改造前带式输送机年度电费570.45万元，预计改造后年度电费220.23万元。使用变频电机的传动效率为96%，传统传动方式传动总效率为82.7%（电动机效率88%，减速机、耦合器效率94%），每条皮带每年预计节约电费约350万元。

5 结论

1）矿用大功率永磁变频一体机的使用可使带式输送机平稳启动，实现同步调速运行功能及动态功率平衡。

2）带式输送机驱动电机选用型号TJVFT-1000/80YC的矿用隔爆兼本安型永磁同步变频调速一体机可满足小庄矿运输需求。

3）带式输送机驱动系统改造可实现节能降耗，减少设备磨损，预计每条皮带年生产成本减少约350万元。