永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)在煤礦井下帶式輸送機(jī)上的應(yīng)用

王曉云

（大同煤礦集團(tuán)臨汾宏大洪崖煤業(yè)有限公司 山西臨汾041000）

0 引言

大同煤礦集團(tuán)臨汾宏大洪崖煤業(yè)公司井下一水平3#層主運(yùn)大巷有三部帶式輸送機(jī)，第一部帶式輸送機(jī)型號(hào)為DSJ80/40/55，第二部帶式輸送機(jī)型號(hào)為DSJ80/40/55×2，第三部帶式輸送機(jī)型號(hào)為DSJ80/40/55。其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均采用傳統(tǒng)的三相異步電動(dòng)機(jī)、液力耦合器、減速器。這種驅(qū)動(dòng)方式的缺點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)效率低，啟動(dòng)不平穩(wěn)，重載啟動(dòng)困難等，另外，對(duì)減速器、耦合器等部件的日常維護(hù)保養(yǎng)以及零部件頻繁更換等，都直接影響了煤炭生產(chǎn)運(yùn)輸。經(jīng)多方技術(shù)論證，決定采用永磁同步電機(jī)與變頻器相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)去掉了減速器、液力耦合器，輸出轉(zhuǎn)矩大、啟動(dòng)平穩(wěn)，具有高效、節(jié)能、低噪音、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[1]。

1 永磁電機(jī)組成結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)有永磁式、電勵(lì)磁式和磁阻式三種結(jié)構(gòu)形式，其中電勵(lì)磁式永磁同步電機(jī)，其工作性能主要是通過電刷和滑環(huán)引入直流勵(lì)磁電流產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)功率,在一般大、中型容量同步電機(jī)中使用;磁阻式永磁同步電機(jī)，其工作性能主要是利用凸極、轉(zhuǎn)子、磁路的不對(duì)稱造成電抗差異來產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生輸出功率。近年來隨著電機(jī)永磁新材料的不斷更新?lián)Q代,永磁電機(jī)大都采用有儲(chǔ)能功能的永磁材料作為勵(lì)磁來建立電機(jī)內(nèi)部的主磁場(chǎng)。與傳統(tǒng)電機(jī)相似，永磁電機(jī)也是主要由定子、轉(zhuǎn)子及機(jī)座組成,定子是由鐵芯、繞組、機(jī)座三部分組成,鐵芯由0.5 mm的硅鋼片疊壓而成；機(jī)座一般由鑄鋼澆注而成,主要用于固定和支撐定子鐵芯。轉(zhuǎn)子主要由鐵芯、永磁體、轉(zhuǎn)子支架和轉(zhuǎn)軸組成,和定子一樣,也是由硅鋼片疊壓在轉(zhuǎn)軸上,轉(zhuǎn)子永磁體的布置方式采用內(nèi)置式，電機(jī)端蓋保護(hù)永磁電機(jī)的兩端。永磁電機(jī)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1永磁電機(jī)組成結(jié)構(gòu)示意圖

2 永磁電機(jī)工作原理及技術(shù)參數(shù)

永磁電機(jī)定子繞組中通入三相電流后，定子繞組中形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),電機(jī)轉(zhuǎn)子上固定的永磁體有N、S磁極，根據(jù)磁極的同極相斥和異極相吸的原理,在定子中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn),最終達(dá)到轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與定子中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁極的轉(zhuǎn)速相同.從而通過電機(jī)中磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出扭矩，滿足功率要求。永磁電機(jī)工作原理如圖2所示。

圖2永磁電機(jī)工作原理示意圖

永磁電機(jī)技術(shù)參數(shù)：規(guī)格型TBVF-55YC、額定電壓660 V、額定功率2×250 kW、額定電流55 A、轉(zhuǎn)速120 rpm、頻率40 Hz。

3 永磁電機(jī)的特性

3.1 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,過載能力強(qiáng)

傳統(tǒng)三相異步電動(dòng)機(jī)在帶式輸送機(jī)負(fù)載啟動(dòng)特性如圖3所示，永磁電機(jī)在帶式輸送機(jī)負(fù)載啟動(dòng)特性如圖4所示。

圖3傳統(tǒng)異步電機(jī)啟動(dòng)特性圖

圖4永磁電機(jī)啟動(dòng)特性

從圖3圖4可以看出，當(dāng)帶式輸送機(jī)所承受的負(fù)荷相同時(shí),異步電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩通常是額定轉(zhuǎn)矩的55%,這樣就無法實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的滿載啟動(dòng)；而永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的280%,永磁電機(jī)可根據(jù)帶式輸送機(jī)的負(fù)載情況進(jìn)行速度調(diào)節(jié),因此過載能力強(qiáng),能夠?qū)崿F(xiàn)重載啟動(dòng)。

3.2 效率和功率因數(shù)提高

永磁電機(jī)和異步電機(jī)效率曲線見圖5，永磁電機(jī)和異步電機(jī)功率因數(shù)曲線見圖6。

圖5永磁電機(jī)和異步電機(jī)效率曲線

圖6永磁電機(jī)和異步電機(jī)功率因數(shù)曲線

三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組由銅線繞制而成,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)發(fā)熱，會(huì)產(chǎn)生能量消耗;而永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁性材料,不存在發(fā)熱消耗能量。當(dāng)三相異步電機(jī)和永磁電機(jī)二者在輸出功率與額定功率比值相同的情況下,永磁電機(jī)比三相異步電機(jī)顯出輸出效率高、功率因數(shù)高、啟動(dòng)電流小、對(duì)電網(wǎng)沖擊小等優(yōu)點(diǎn)。三相異步電機(jī)功率因數(shù)低、無功電流大,會(huì)造成電能資源的浪費(fèi)，其啟動(dòng)電流較大,一般為額定電流的5～7倍,容易沖擊電網(wǎng)的其它用電設(shè)備。當(dāng)二者的P2/PN比值在接近1時(shí),效率和功率因數(shù)的值為最高,但隨著P2/PN比值的增大,異步電機(jī)的效率和功率因數(shù)都在不斷減小,而永磁電機(jī)的效率和功率因數(shù)卻基本趨于恒定。

3.3 永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單

永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)甩掉了減速器和液力耦合器,從而不存在檢修齒輪箱，更換潤(rùn)滑油，沒有傳動(dòng)齒輪磨損和噪聲，不存在檢修、更換液力耦合器整機(jī)和配件，大大減少了設(shè)備的保養(yǎng)維護(hù)工作，且容易安裝調(diào)試。

3.4 永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安全可靠使用壽命長(zhǎng)

永磁電機(jī)運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生電阻損耗,定子繞組中幾乎不存在無功電流,因此永磁電機(jī)溫升低,永磁電機(jī)的使用壽命較長(zhǎng)；簡(jiǎn)化了以三相異步電機(jī)、減速機(jī)以及液力耦合器相匹配傳統(tǒng)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置,直接驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī),無中間傳動(dòng)環(huán)節(jié),因此故障率變低，同時(shí)永磁電機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)過壓、過流、欠壓和過熱等各種故障的保護(hù),保障帶式輸送機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

4 永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用

2018年5月份同煤集團(tuán)臨汾宏大洪崖煤業(yè)公司對(duì)井下一水平3#層主運(yùn)大巷的三部DSJ80型帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了改造。主運(yùn)大巷帶式輸送機(jī)原驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為異步電機(jī)＋液力耦合器＋減速器＋聯(lián)軸器＋滾筒,將原來的YBBP280S-4型異步電機(jī)更換為TBVF-55YC型永磁電機(jī)，甩掉了液力耦合器和減速器，永磁電機(jī)通過低速軸聯(lián)軸器與帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒直聯(lián)，由ZJT-110/660礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻器控制永磁電機(jī)的啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的緩慢勻速啟動(dòng)，避免了異步電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的瞬間大電流給電網(wǎng)帶來的沖擊，以及轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)劇增給傳動(dòng)系統(tǒng)帶來的機(jī)械沖擊，由此降低了系統(tǒng)的電網(wǎng)故障和機(jī)械故障。

改造后永磁電機(jī)的效率很高，可達(dá)95%以上，功率因數(shù)最高可達(dá)0.99。永磁電機(jī)效率、功率因數(shù)受負(fù)載影響較小，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，帶式輸送機(jī)負(fù)載率在20%～120%內(nèi)可保持極高的效率與功率因數(shù)。另外在用電量及電能利用率上有著明顯的改善，普通防爆電機(jī)運(yùn)行時(shí)平均電流為63 A，而永磁電機(jī)運(yùn)行時(shí)平均電流為10A，每月大約可節(jié)約1.67萬度電，每年可節(jié)約20.1萬度電，每年大約可節(jié)約電費(fèi)8.5萬元。

5 結(jié)語

永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為帶式輸送機(jī)的一種新型的驅(qū)動(dòng)方式，具有高效節(jié)能的特點(diǎn)，極大地提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性,有效地降低了帶式輸送機(jī)的能耗和使用成本，給其他煤機(jī)裝備驅(qū)動(dòng)方式提供了很好的借鑒。