高壓永磁電機及遠程變頻智能控制系統(tǒng)的應用

趙 亮

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交030205）

引言

煤礦井下機械比如刮板輸送機、帶式輸送機及采掘設備等，都要求低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩，傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)主要由大功率異步電機、減速器、液力耦合器等組成，造成傳動系統(tǒng)效率低，設備維護繁瑣。而永磁電機直驅(qū)系統(tǒng)使用“永磁直驅(qū)變頻電動機”替代傳統(tǒng)的機械傳動系統(tǒng)，減少了減速器、液力耦合器等設備，直接驅(qū)動生產(chǎn)機械，使傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，提高了機械效率，降低能耗，系統(tǒng)可靠性增強[1]。

1 永磁直驅(qū)變頻電機基本原理

永磁直驅(qū)電動機與三相異步電動機結(jié)構(gòu)基本相同，只是將異步機定子的三相對稱繞組用汝鐵硼永磁體（常用的N35SH、N38UH）替代，依靠定子線圈在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子上永磁體的相互作用，帶動轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。根據(jù)負載的額定轉(zhuǎn)速來確定電機的級對數(shù)，通過控制變頻器的磁通矢量來控制永磁直驅(qū)電機啟動轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)永磁直驅(qū)電機低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩特性，利用這個特性來取代傳統(tǒng)中間機械的傳動作用，提高機械傳動效率、消除轉(zhuǎn)差損耗、減小啟動電流，起到節(jié)能降耗的效果。

2 永磁電機與異步電機的特性曲線對比（見圖1）

圖1 特性曲線對比

從圖1可知，永磁直驅(qū)電機具備以下優(yōu)點：

1）高效節(jié)能。用永磁體取代傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子線圈，無轉(zhuǎn)差損耗，一般異步電機能耗為國際IE1級（相當于國家三級能耗），永磁電機能耗達到國際IE4（高于國家一級能耗標準），永磁電機直驅(qū)系統(tǒng)較傳統(tǒng)的機械傳動系統(tǒng)效率提升達15%～25%。

2）起動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強。異步電動機起動轉(zhuǎn)矩通常是額定轉(zhuǎn)矩的55%，而永磁直驅(qū)電機的起動轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的220%，在同等條件下降低了電機功率，提高了啟動轉(zhuǎn)矩[2-3]。

3）啟動電流小，避免對電網(wǎng)沖擊。永磁直驅(qū)電機啟動時的轉(zhuǎn)矩較異步電機大，在同等負載所需啟動轉(zhuǎn)矩條件下，永磁直驅(qū)電機的啟動電流要遠小于異步電機。同時運用磁通矢量控制技術（SVC）和閉環(huán)矢量控制技術（FVC）對電機進行變頻啟動，避免電機啟動時對電網(wǎng)和傳動機械造成沖擊，提高了供電系統(tǒng)的安全性，減少機械故障。

3 高壓永磁直驅(qū)電機在國內(nèi)外煤礦井下的運用現(xiàn)況及發(fā)展趨勢

目前國內(nèi)煤礦井下所使用的永磁直驅(qū)電機電壓均為660 V或1 140 V供電系統(tǒng)，主要原因為一方面受井下條件限制，低壓供電相較高壓供電安全性較高，對設備的絕緣要求較低；另一方面采用變頻啟動方式，目前國內(nèi)尚無成熟的防爆高壓變頻裝置，限制了高壓永磁電機在煤礦井下的推廣應用。

國外煤礦井下同類設備多采用高壓供電系統(tǒng)，高壓供電相較低壓供電有非常明顯的優(yōu)勢：一方面使設備電流大大降低，電能損耗少，提高了供電效率；另一方面使設備的選型及井下供電系統(tǒng)與地面保護的匹配更加合理，提高了供電系統(tǒng)的可靠性。

故今后隨著井下供電控制系統(tǒng)新裝備與新技術的不斷出現(xiàn)，井下電氣設備的高壓供電將是井下供電的發(fā)展趨勢，高壓永磁變頻直驅(qū)系統(tǒng)將更廣泛應用于煤礦井下機械設備的生產(chǎn)中。

4 高壓永磁直驅(qū)電機應用于運輸機項目研究

以馬蘭礦南八、南九膠帶輸送機（參數(shù)見表1）為例，馬蘭礦南八、南九膠帶運輸機設計輸送長度為4 050 m，按原設計要求應采用3×800 kW的防爆異步電機，由于電機功率大，若采用1 140 V供電系統(tǒng)，三臺電機的啟動電流將遠超過開關和電纜的額定電流，給供電設備及電纜的選型帶來困難，同時對電網(wǎng)的壓降影響非常明顯。

表1 帶式輸送機參數(shù)

4.1 系統(tǒng)方案設計

針對井下低壓系統(tǒng)大功率電機啟動電流大、供電設備選型困難、對電網(wǎng)影響大的問題，采取切實可行的方案提高供電電壓、降低電機電流，同時采用遠距離高壓變頻控制，實現(xiàn)電機的變頻啟動，減少對電網(wǎng)沖擊。

4.1.1 防爆高壓永磁直驅(qū)電機的選型（見表2）

表2 電機選型計算

根據(jù)電動機額定扭矩大于等于負載設備驅(qū)動轉(zhuǎn)矩原則（電機轉(zhuǎn)矩富裕系數(shù)取1.1），則電動機總額定轉(zhuǎn)矩為31 649 N·m。根據(jù)電動機性能，可選用3臺額定轉(zhuǎn)矩為109 391 N·m的礦用隔爆型永磁同步變頻電動機，電機功率為630 kW，電動機運行轉(zhuǎn)速為47 r/min。

4.1.2 礦用隔爆型永磁同步變頻電動機性能參數(shù)（見表3）

表3 礦用隔爆型永磁同步變頻電動機性能參數(shù)

4.1.3 遠距離控制高壓變頻器的選型

由于目前國內(nèi)尚無成熟的高壓防爆變頻器產(chǎn)品，無法實現(xiàn)變頻器的井下就近控制，所以選擇將高壓變頻器安裝在地面機房，變頻器安裝位置距離井下帶式輸送機永磁電機的距離為2 500 m。按上述要求，選用產(chǎn)品性能成熟可靠的西門子完美無諧波高壓變頻器G180系列1 000 kVA遠距離高壓變頻器（具體參數(shù)見表4），來滿足帶式輸送機的啟動及運行要求。變頻器采用最新的drop control功能，配合PLC控制系統(tǒng)，確保多臺變頻間的功率平衡、速度同步，完美實現(xiàn)時間、速度、力矩、綜合控制。

表4 西門子遠距離變頻器性能參數(shù)

4.2 解決方案與關鍵技術

通過對高壓永磁直驅(qū)電機及高壓變頻器的選型，確定井下帶式輸送機的供電及控制系統(tǒng)方案如下。帶式輸送機供電及控制系統(tǒng)框圖見圖2。

圖2 帶式輸送機供電及控制系統(tǒng)框圖

1）電機采用防爆永磁直驅(qū)電機替代傳統(tǒng)的防爆異步電機。即用3×630 kW、6 kV高壓永磁直驅(qū)電機，來取代3×800 kW的防爆異步電機，能較好地解決帶式輸送機低轉(zhuǎn)速下的啟動轉(zhuǎn)矩問題，在所需的同等轉(zhuǎn)矩下，永磁直驅(qū)電機的所需功率要小于異步電機，不但可以省去減速器這個中間設備，提高輸出效率，同時降低了電機功率，節(jié)能效果顯著。這也是國內(nèi)首次將大功率高壓永磁直驅(qū)電機應用于煤礦井下生產(chǎn)，為今后高壓電機在煤礦井下的使用提供了參考依據(jù)。

2）采用遠距離高壓變頻控制系統(tǒng)。變頻器安裝在地面機房，6 kV供電系統(tǒng)由地面直供井下的防爆永磁直驅(qū)電機，通過遠距離（2 500 m）控制電機的啟動、運行，這樣就解決了高壓防爆變頻器的選型問題。這也是國內(nèi)首次將地面高壓變頻控制通過遠距離直供井下電機，這也為井下大功率電機的控制，提出了一種新思路。

4.3 方案優(yōu)勢

1）與防爆異步電機相比，防爆永磁直驅(qū)電機單臺電機功率減少了170 kW，共降低電機功率3×170 kW=510 kW，節(jié)能效果明顯。

2）將主要控制電氣設備安裝在地面，設備無需防爆及“MA”標識，同時電氣設備的安全性及可靠性比井下設備高，減少了電氣設備失爆現(xiàn)象。

3）由于變頻器、高開柜等供電設備安裝在地面機房，便于設備的檢修和維護，在故障狀態(tài)下能及時處理和恢復膠帶機運行，減少事故影響時間。

4）不需要在井下單獨開拓電氣設備硐室，節(jié)約基建工程成本。

5 結(jié)論

1）采用防爆永磁直驅(qū)電機系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)，提高機械傳動效率（見表5）。

表5 系統(tǒng)傳動效率對比

2）采用防爆永磁直驅(qū)電機系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)，降低了輸入功率，減少了電能損耗，同時簡化了傳動系統(tǒng)，減少了維護費用，具體見表6。利用變頻遠程控制系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，能輕松實現(xiàn)帶式輸送機的智能化集中控制，減少井下運行人員，達到減人提效的目的。

表6 系統(tǒng)能耗對比