永磁系统控制的大流量皮带机研究

◎ 温宏杰，王 磊，闫发宣，史纬琦，陈厚斌

（山东港口集团青岛港董家口分公司，山东 青岛 266000）

1 主要存在问题

目前，码头粮食的运输主要依赖皮带机，皮带机使用的电机一般为传统电机。传统电机转速范围宽，但调速不精确，且不平滑，并且随转速的降低功率也会降低，随之带来的是转矩降低。步进电机对转速要求更加苛刻，转速过低时会出现抖动和爬行现象；速度高时扭矩会大幅度降低，因而步进电机仅适用于中速运行情况。传统电机因为采用模拟量控制模式，所以无法保证精度；步进电机和伺服电机采用数字信号控制模式，其精度要远高于传统电机。同时，伺服电机自带编码器，可以实现内闭环控制，能有效减少掉步的情况。通常情况下，伺服电机步距角要远小于步进电机，因此精度更高。传统电机含有减速器和耦合器等，结构较为复杂。一般来说，卸船机和门机将粮食从船上卸载到皮带上，皮带上的皮带秤可对粮食进行称重计量。然而，传统电机在工作的过程中无法进行调速，进而无法配合皮带秤对粮食进行精确的称重计量。

针对上述问题，改造皮带电机的结构，使皮带在转运粮食的过程中能配合皮带秤对粮食进行精准的称重计量，是皮带结构研究改造的重点方向。

2 设计方案

本研究基于粮食转运工艺中的常见问题，研究设计永磁电机在粮食系统中的应用。改造粮食系统中的皮带与传统粮食系统中的皮带结构基本相同，不同点在于将传统粮食系统中的皮带电机更改为永磁电机。永磁电机直驱设备转速控制区间大、输出恒扭矩，可提升皮带整体性能。此外，永磁电机驱动设备转速控制更便捷，恒功率、恒扭矩更稳定，制动更可靠，减少了机械减速传动环节，能耗更低，安装尺寸更小，为粮食系统中的皮带节省了更大的操作空间，能够在粮食转运过程中对粮食进行称重计量[1]。

工业生产中皮带机的使用比较广泛，皮带机驱动系统的核心部分是电动机。本研究主要将粮食系统中皮带的电机改造为低速直连永磁变频调速一体机，通过联轴器和滚筒连接，输出即为传动滚筒转速，组合形式采用动变频器及电机一体化设计，无需减速器和耦合器。该系统去掉减速机和耦合器等部件，无中间传动件，传动效率提高，故障点减少，噪音降低，安装方便，运行平稳[2]。同时，永磁电机可以进行实时调速，进而配合皮带秤，对粮食进行实时的称重计量。

变频一体机采用标准化元件和模块化结构设计，直流电容采用具有自愈功能的金属薄膜电容，变频部分直流滤波回路使用高质量的无极性高耐压自恢复电力电容，直流母排采用叠层母排，变频器和电机采用一体机结构，无内置减速器，使变频一体机对电网电压波动在（-15%～+10%）额定电压波动范围内能够正常工作，变频一体机的调速误差≤0.5%，速度稳定度≤0.1%。变频一体机配置标准CAN总线接口，与控制箱构成一体机调速系统。系统可通过通信等方式，将整个驱动系统的数据上传至集控台或地面调度室。变频一体机可以检测电机定子和轴承的温度并进行保护，具有绕组（3用3备）、轴承（左右轴承各1个）的温度检测和保护功能，保护温度可设置，且具有腔体温度检测功能及左右轴承振动监测功能。一体机绕组采用变频永磁电机专用变频耐电晕高压扁铜线，耐温200 ℃以上，相比于圆铜线电机，相同功率下扁铜线电机的体积更小、用材更少、成本更低。此外，相同体积下的槽满率和功率密度也均有所提升，理论上，在空间不变的前提下，扁铜线电机可以做到70%的槽满率，填充的铜可增加20%～30%，产生更强的磁场强度，从某种程度上等同于增加20%～30%的功率，扁线与扁线之间的接触面积大，散热和热传导就更好。

多机驱动时，皮带具有多机联动自动负载平衡功能，具备主、从机2套参数，每台一体机均可设置为主、从机。变频器器芯具备主从通讯接口，无需PLC参与，即可完成多机主从驱动控制，可根据负载自动调整各滚筒输出功率，实现功率平衡稳态误差在3%之内，同时，在启动的时候具有启动防冲击控制功能（“S”型给定曲线）。皮带采用SVC无传感器矢量控制方式，可准确地维持给定的转矩，在低频启动过程中，0 Hz时可以提供出电机额定转矩，保证对电机100%控制，运行稳定，在设备重载的启动条件下均能顺利启动。同时，电机采用高可靠性的绝缘轴承和杜邦绝缘材料，可提高电机绝缘性能和耐电晕性能；电机的转子磁极采用内置切向式结构，隔磁结构采用结构强度高的隔磁套隔磁，可降低轴向涡流损耗，降低磁极温度，改善气隙磁密波形，降低谐波含量。此外，永磁体采用抗震动冲击较好的镀镍铜镍环氧镀层，材质采用N38UH钕铁硼烧结永磁体，有效提高了永磁体的耐腐蚀能力；定子冲片采用武钢产50WW470硅钢片，转子磁极采用武钢产50WW800硅钢片，电机轴采用42CrMo优质合金钢，且变频电动机采用导电环或其他绝缘措施，具有防止轴电流功能。

设备采用VPI真空浸漆，浸渍漆采用绝缘的纳米改性聚酯亚胺浸渍树脂，纳米级的小颗粒具有很好的渗透效果，可保证定子整体绝缘效果的一致性，防止局部浸漆不彻底导致的绝缘击穿问题。

本研究将传统皮带中的电机改造为永磁电机系统，主要具有欠压保护、过压保护、瞬间过流、接地故障保护、过载保护、电机过温保护、通讯中断、数据校验及故障保护、缺相保护、超频保护、功率器件的过热保护和短路保护等作用。改良后的电动机具有完善的自我诊断能力，能够在线监控系统状态，当系统发生故障时，变频器可迅速找到故障原因，自动采取相应措施，帮助维护人员排除故障，并根据现场工况要求，对变频器软件、硬件升级，实时满足不断变化的现场要求。

系统的控制箱有多路模拟量和数字量I/O接口，可以完成对外部的控制功能及接收外部控制信号，端口可以根据需要进行扩展。设备具有高压带电显示以及直流母线带电显示功能，可明显显示高压带电状态，以及其基本的运行、报警和故障信息；具有直流母线放电功能，前级电源断电后能可靠地对直流母线进行放电。同时，对电机进行优化设计，降低磁场在铁芯中产生的磁滞、涡流损耗和谐波损耗，降低系统的发热量。

首先，永磁同步变频调速一体机采用通讯加开关量控制方式进行控制，可保证随意关机与启动。当前级电源有电时，可保证母线电压水平，确保快速开机启动，且具备WiFi无线传输功能，能够在不开盖情况下进行数据传输、设备调试，配备智能App，可无线读取设备数据形成运行分析报告，包括电机温度、轴承振动数据，给维护人员提供数据依据。其次，可实现故障的精准定位和在线诊断，便于快速维护；远端设备可自动读取运行数据，并形成运行分析及故障诊断报告，移动端App可查看电机完整的技术资料，具备接入智能传动在线专家检测系统能力，可根据所配置的传感器感知设备各种状态。最后，数据采集完成后，可上传至云服务平台，存储后通过系统智能分析，可根据所运输物料数量自动调节运行速度，做到物料多增速、物料少减速，达到节能降耗的目的。

变频一体机控制箱具备机侧手动控制功能，带有输送机运转所需的全部控制装置，包括起、停按钮，就地/远程转换开关，急停按钮、警铃启停按钮等机侧操作箱所具备的全部功能，以及与中央控制系统连接的外引端子。变频一体机与中央控制系统传送的信号有（数据和硬线常开无源触点）中央控制系统至变频一体机的变频一体机启停控制信号、变频一体机至控制系统的转换开关机侧控制信号、变频一体机至控制系统的转换开关远程控制信号、变频一体机至控制系统的运行信号、变频一体机至控制系统的电源通信号和变频一体机至控制系统的故障信号。变频一体机PLC控制系统能与中央PLC控制系统(AB)进行联网通讯，可以提供工业以太网光口和网口，提供与中央PLC控制系统联网所需协议转换模块等。变频一体机PLC控制系统在完成输送机控制的同时，还可以完成对输送机制动器的控制，以及对输送机沿线警铃的控制。此外，主机和存储器带有失电保护，并留有存储器容量20%的余量，I/O模块留有所需I/O数量20%的余量，并与控制器之间采用光电隔离。

3 效益分析

以山东省青岛市董家口港区为例，原有的粮食进仓工艺主要通过大料斗将粮食放到皮带上，皮带再将粮食转运到料仓里。然而，由于皮带采用传统电机，不能进行实时调速，进而不能配合皮带秤对粮食进行实时称重计量。采用永磁电机可以很好地解决这个问题，永磁电机可以进行实时调速，进而配合皮带对粮食实时称重。除此之外，我国大部分企业采用的皮带机驱动系统最大传动效率无法达到70%，所用电动机的能耗水平大多属于国家三级能耗[3]，而永磁电机驱动系统的皮带机，运行效率高，控制系统优越，能耗低，节能效果显著，传动效率达到 93%，而且可以避免橡胶输送带撕裂和跑偏的故障率，延长橡胶输送带的使用寿命，降低安全成本[4-5]。

4 结语

皮带机传输装置广泛应用于工业生产等领域，本研究通过改造皮带机驱动系统，将传统电机更换为永磁电机，在永磁电机驱动条件下，不仅可以使皮带机驱动系统的控制更加简捷，而且可以实时调速，从而配合皮带秤对传送的粮食进行实时称重，实现粮食运输和称重的全自动化。