永磁变频节能技术在煤矿机电设备中的应用

吴卫国 李 春

（枣庄矿业（集团）有限责任公司田陈煤矿，枣庄 277523）

近年来，煤矿机电设备逐渐引入诸多技术手段，其自动化及智能化水平持续提升。煤矿机电设备节能始终是煤矿事业发展的一个重要内容。为实现煤矿机电设备节能目标，永磁变频节能技术被应用于煤矿机电设备。相较于其他变频技术，该技术手段能够提升煤矿机电设备的工作效率，降低设备能耗，减少设备维护成本支出。但是，该技术在煤矿机电设备中的应用时间较短，要想更好地发挥该技术的实际价值，必须深入探究其在煤矿机电设备中的具体应用[1]。

1 永磁变频节能技术原理

永磁变频节能技术的应用主要是调整电机工作频率，控制其实际运行速度，最终达到节能的目的。通常情况下，当三相对称电流经过定子时，电机中会产生多级旋转磁场，其实际级数与定子相同，均为2p。三相电流频率f与磁场旋转速度n之间存在密切联系，表达式为

式中：p为电机的极对数。

定子旋转磁场可与级数相同的转子磁场形成作用关系，在定子旋转磁场的带动下，能够使转子处于转动状态。同时，在永磁变频节能技术支持下的电机，其转子的转动速度与旋转磁场的转速相同，因此这种电机被称为永磁同步电机，结构如图1 所示。三相交流电流经定子绕组时，往往会出现阻碍电流通过的力，即电动势。定子旋转磁场磁极与转子磁极间的位置关系，与电动势密切相关。当定子旋转磁场两个相邻磁极间存在转子磁场磁极中线时，电动势呈现最大值；当两磁场相对位置向后偏离时，电动势呈现最小值。反电动势随着两者位置距离的增加而减小，此环节电机电流及转矩处于逐渐增大趋势。负载转矩不断减小时，会出现相反的情况。定额负载为25%～120%时，永磁电机能保持较高的功率及功率因数，节能作用更加明显，相比于普通变频电机，其作业功率高出5%～10%[2]。

图1 永磁同步电机结构

2 永磁变频节能技术的应用优势

永磁变频节能技术具有诸多应用优势。第一，更加节能、高效。应用永磁变频节能技术的永磁同步电机，其转子为永磁材料能够使电机本身带有磁场。而异步电机需要电流带动才能使转子励磁，会出现无功电流。因此，永磁变频节能技术能够使机电设备效率更高，更加节能。不同负载率下永磁变频驱动系统与异步电机驱动系统效率对比如表1 所示。第二，启动性能好。在永磁变频节能技术的支持下，变频器能结合实际需要缓慢增大煤矿机电设备的转速，实现软启动效果。永磁变频驱动系统还能够有效减少整个传动系统的机械冲击。第三，变频控制精准。在煤矿开采环节，由于落煤量不一致，输送机负载不稳定。应用永磁变频节能技术的控制系统能快速响应，控制煤矿机电设备，确保其输出合理的转速与转矩，同时可以控制其他系统并良好配合，在全矢量算法的支持下实现精准控制。

表1 永磁变频驱动系统与异步电机驱动系统效率对比

3 永磁变频节能技术在煤矿机电设备中的具体应用

3.1 在皮带输送机中的应用

皮带输送机是煤矿开采运输过程中不可或缺的设备，也是煤矿生产活动顺利开展的关键设备[3]。但是，因皮带输送机在实际运行中会面临较大的负荷，往往存在能耗较大的问题。通过应用永磁变频节能技术，能明显降低能耗，提高运输效率。借助永磁变频技术，结合皮带输送机的电机情况对其进行有效控制。在科学调速下，永磁变频器能结合工作需求，对设备负载及速度实施针对性调整，以降低能耗。永磁变频节能技术主要是通过在皮带输送机中安装永磁驱动设备进行应用。不同类别永磁电机的特点及应用领域如表2 所示。

表2 不同类别永磁电机的特点及应用领域

皮带输送机中的永磁驱动设备调速控制系统主要包含如下部分。

第一，检测单元。检测单元的各构成部分分别采集不同的数据。其中：核子皮带秤主要采集运量数据；电流互感器与变送器主要采集电机电流数据；转速传感器负责获取转速数据，并将其转换为电压数据；带速传感器负责获取带速数据，并将其转换为电压信号。检测单元获得各项数据后，传输给核心模块。

第二，控制单元。可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）接收检测数据后进行分析，根据分析结果控制皮带输送机，实现节能调速等功能。此外，控制单元具有多种故障保护功能，能够确保设备良好运行。

第三，执行单元。PLC 向变频器发出指令，变频器根据指令要求向电动机输出相应电压，从而调节电机速度，确保皮带输送机功能的实现。应用永磁变频节能技术来改造皮带输送机，使其具有更加稳定的性能。改造后，皮带输送机的系统功率因数大于0.9，能避免出现较多无功功率。在变频器正常工作的情况下，其传递效率比液力偶合器驱动高5%～10%。此外，在永磁变频节能技术的支持下，系统可结合实际负载情况自动调整输出力矩和频率，避免恒速运行产生较大的能源消耗。

3.2 在流体负荷设备中的应用

煤矿中的水泵、风机等均属于较为常见的流体负荷设备，在实际运行过程中，往往结合具体需求来设定相应参数[4]。在煤矿流体负荷设备中应用永磁变频节能技术，能科学调控运行速度，从而实现流体负荷设备的节能目标。例如：将永磁变频节能技术应用于煤矿水泵，永磁变频器能结合水位变化情况，科学调整水泵转速，还可避免水泵启动次数过多，使其长期处于良好的运行状态；将永磁变频节能技术应用于煤矿风机，永磁变频器可结合实际需要对风机实施调速控制，在确保风机运行效率的同时，减少能源消耗与成本支出。对于煤矿流体负荷设备，需要实时调整其压力与流量，但传统变频器调速时通常会耗费大量时间，且响应速度较慢，而应用永磁变频器能快速采集信息数据，实现设备的快速调整，有效降低能源消耗。

3.3 在大功率设备中的应用

煤矿生产环节应用的大功率设备主要包括空压机、卷扬机等。只有保证这些设备良好运行，才能使煤矿的生产效率更高，实现稳定发展。但是，在传统驱动模式下，煤矿大功率设备存在种种问题，包括噪声大、能源浪费、运行效率不高等。因此，需要通过应用永磁变频节能技术，降低煤矿大功率设备的能耗，提升其运行效率。一方面，可以应用永磁同步电动机。该设备具有较多优势，不仅不会产生较大的噪声，还具有较高的功率因数。相较于传统异步电机，永磁同步电动机更能节省能源。另一方面，可以应用变频器。变频器可结合负载情况，自动调整设备输出电压及频率，确保煤矿大功率设备运行状态良好。例如，将变频器应用于空压机中，可有效调整该设备的输出压力、运行速度，使其满足不同负载需求，降低能源消耗；将变频器应用于卷扬机，可对电机运行速度加以控制，还能控制设备启停，确保其具有更高的运行效率。由此可见，在煤矿大功率设备中应用永磁同步电动机和变频器，能在有效控制大功率设备的同时，获得良好的节能效果。此外，在实际应用过程中，应做好设备保养及维护工作，确保其处于良好的运行状态，降低故障问题发生概率[5]。

4 应用效益分析

将永磁变频节能技术应用于煤矿机电设备中，具有如下应用效益。第一，通过应用永磁变频节能技术，煤矿机电设备具有更高的运行效率，便于煤炭运输，减少空间占用。第二，在永磁变频节能技术的支持下，系统电动机与传动滚筒能够直接连接，便于安装和调试，节省时间、人力与物力。第三，通过应用该技术手段，煤矿机电设备能恒转矩缓慢匀速启动，避免因启动时电流过大而出现的系统故障。第四，在传统驱动系统下，煤矿机电设备启动转矩过小，仅能达到额定转矩的50%左右，不能达到满载启动效果，通常需要将物料卸下才能成功启动，易发生电动机故障问题。应用永磁变频节能技术可明显提升电机启动转矩，最高可达额定转矩的2 倍，即使输送机满载也能直接启动，无须卸载，可有效避免电动机出现过载损坏问题，降低了人员工作强度。第五，永磁变频节能技术的应用使得永磁同步变频直驱系统无须安装减速器等装置，系统更加可靠、稳定，不会产生较大噪声，使用成本低且不用频繁维护。

5 结语

煤矿生产环境复杂、自然条件恶劣，严重威胁着矿工的生命安全。目前，煤矿企业为提升生产效率、保障人员安全，积极引入先进的技术手段，使得煤矿机电设备技术水平不断提升。但是，煤矿设备运行过程中，仍面临较大的能源消耗问题，通过将永磁变频节能技术应用于煤矿机电设备，可有效降低设备能耗，提升运行效率。未来永磁变频节能技术将促进煤矿机电设备向更加节能、智能的方向发展。