永磁直驅(qū)技術(shù)在港口帶式輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用

魏夢(mèng)嬌，柳玉濤，高天佑

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引 言

20 世紀(jì)80 年代，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)“西煤東運(yùn)，北煤南運(yùn)”的能源戰(zhàn)略方針，某港建設(shè)了煤炭出口泊位工程，至今已投產(chǎn)30 年，累計(jì)接卸煤炭超過9.6 億t，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)了重要力量。因當(dāng)時(shí)永磁材料成本較高，永磁電動(dòng)機(jī)僅應(yīng)用于航空航天及其他高科技領(lǐng)域，直至1983 年，釹鐵硼（NdFeB）永磁材料誕生[1]，才使得永磁同步電動(dòng)機(jī)逐漸應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域。2016 年4 月，此港的BM1 碼頭帶式輸送機(jī)，成為國(guó)內(nèi)港口行業(yè)首例由傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)形式技改為永磁直驅(qū)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)性技改工程。本文依據(jù)此工程的技改經(jīng)驗(yàn)，以及改造后的運(yùn)營(yíng)情況，通過對(duì)設(shè)備改造前后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，研究永磁直驅(qū)技術(shù)在港口帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用情況。

1 永磁直驅(qū)技術(shù)簡(jiǎn)介

永磁電動(dòng)機(jī)以線圈為定子，永磁材料體為轉(zhuǎn)子，與傳統(tǒng)的三相異步電機(jī)相比，無需勵(lì)磁繞組和勵(lì)磁電源，采用永磁材料進(jìn)行勵(lì)磁[2]，因此功率因數(shù)高，定子電流損耗低，并可通過設(shè)計(jì)電機(jī)極對(duì)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大扭矩特性。永磁直驅(qū)系統(tǒng)由永磁電動(dòng)機(jī)、變頻器與聯(lián)軸器構(gòu)成，與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，不需配置減速器、液力耦合器等中間機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備，提高了驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)效率。永磁電動(dòng)機(jī)經(jīng)變頻技術(shù)對(duì)輸入電流進(jìn)行調(diào)控后，輸出轉(zhuǎn)矩可依據(jù)負(fù)載的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠輕易實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟啟動(dòng)，避免電機(jī)因啟動(dòng)瞬時(shí)電流過大沖擊整個(gè)電網(wǎng)，同時(shí)避免瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩劇增沖擊整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。因此，永磁直驅(qū)技術(shù)具有電動(dòng)機(jī)配置靈活，系統(tǒng)傳動(dòng)效率高，可靠性高，運(yùn)行啟動(dòng)平穩(wěn)，維護(hù)成本低等顯著特點(diǎn)。

2 改造方案實(shí)施

碼頭帶式輸送機(jī)是煤炭出口型港口的關(guān)鍵設(shè)備之一，本工程改造的BM1 碼頭帶式輸送機(jī)作業(yè)量占其所在工藝系統(tǒng)作業(yè)總量的35 %。如圖1 所示，BM1 帶式輸送機(jī)基本參數(shù)為：額定輸送能力Q=6 000 t/h，帶寬B=2 000 mm，帶速V=4.8 m/s，槽角α=35°，總長(zhǎng)L=925 m，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由3 套“315 kW 異步電機(jī)+減速器+耦合器”驅(qū)動(dòng)單元組成。

圖1 BM1 帶式輸送機(jī)原驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置

圖2 改造后BM1 帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)布置

本次改造方案主要為：拆除原有的3 套傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元，安裝新型永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)和配套的變頻驅(qū)動(dòng)器，并更換連接滾筒軸和電機(jī)固定底座，改造后的永磁同步電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器直接與BM1 帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒相連（如圖2 所示）；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供電動(dòng)力系統(tǒng)由原高壓接觸器直接控制異步電動(dòng)機(jī)，改造為高壓接觸器作用變頻器，再由變頻器控制永磁電機(jī)的啟停和調(diào)速；對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，增加變頻器的控制與反饋信號(hào)，并對(duì)高壓接觸器控制邏輯進(jìn)行修改調(diào)試。

改造施工過程中，預(yù)先進(jìn)行土建施工，加速灌漿料上強(qiáng)度，并提前進(jìn)行新增系統(tǒng)線路及程序改造與調(diào)試，將土建施工、機(jī)械施工和電氣改造施工合理組織、穿插進(jìn)行、前后銜接、互不影響，使得BM1帶式輸送機(jī)的停產(chǎn)時(shí)間不超過5 天，永磁直驅(qū)系統(tǒng)投產(chǎn)至今近3 年零故障運(yùn)行平穩(wěn)。

3 運(yùn)營(yíng)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

3.1 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟啟動(dòng)

永磁直驅(qū)系統(tǒng)通過變頻器控制永磁電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)緩慢啟動(dòng)。經(jīng)過對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)電流進(jìn)行檢測(cè)，未見瞬時(shí)過大電流出現(xiàn)，最大啟動(dòng)電流為45.7 A。軟啟動(dòng)減緩了瞬時(shí)大電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，降低了轉(zhuǎn)矩瞬間增大對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的劇烈沖擊作用，較大程度降低了機(jī)械系統(tǒng)故障率。

3.2 實(shí)現(xiàn)功率平衡

如表1 所示，實(shí)驗(yàn)分別記錄了改造前后BM1帶式輸送機(jī)空載運(yùn)行1 h 內(nèi)，對(duì)應(yīng)3 臺(tái)電動(dòng)機(jī)的耗電量與功率系數(shù)等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。分析數(shù)據(jù)可得：改造前，3 臺(tái)電機(jī)運(yùn)行平衡性較差，2#電機(jī)功率因數(shù)較高，幾乎2 倍于1#和3#電機(jī)，且3 臺(tái)電機(jī)耗電量差距較大；永磁直驅(qū)改造后，3 臺(tái)電機(jī)耗電量與功率因數(shù)接近相同，且運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流走勢(shì)近乎一致；由此可得永磁直驅(qū)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了3 臺(tái)電機(jī)功率平衡，避免電機(jī)因出力不均對(duì)系統(tǒng)造成損壞。

表1 改造前后空載運(yùn)行1 h 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 實(shí)現(xiàn)自由調(diào)速

實(shí)驗(yàn)證明，永磁直驅(qū)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)由停止到額定轉(zhuǎn)速的自由調(diào)速。改造前，傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無調(diào)速功能，不能實(shí)現(xiàn)輕載調(diào)速運(yùn)行和低速驗(yàn)帶功能。改造后，系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)變頻器實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過程中，裝船機(jī)進(jìn)行移艙、移泊作業(yè)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)空載怠速運(yùn)行工況，降低空載能耗；檢修時(shí)，可用于帶式輸送機(jī)低速驗(yàn)帶作業(yè)，極大程度降低膠帶磨損及電能損耗。

3.4 實(shí)現(xiàn)重載啟動(dòng)

當(dāng)某一臺(tái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)故障時(shí)，僅需將對(duì)應(yīng)高壓接觸器斷開，并將聯(lián)軸器脫開，即可實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)由三驅(qū)運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)殡p驅(qū)運(yùn)行。本文進(jìn)行了模擬此工況實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)改造完成后的三臺(tái)電機(jī)重載啟動(dòng)和兩臺(tái)電機(jī)重載啟動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。

三臺(tái)電機(jī)重載啟動(dòng)工況：BM1 帶式輸送機(jī)啟動(dòng)正常，變頻器輸出電流峰值46 A，為電機(jī)額定電流的1.386 倍；變頻器輸入電流峰值28 A，是其額定電流的58.3 %；啟動(dòng)時(shí)間27 s。

兩臺(tái)電機(jī)重載啟動(dòng)工況：BM1 帶式輸送機(jī)啟動(dòng)正常，變頻器輸出電流峰值56 A，為電機(jī)額定電流的1.687 倍；變頻器輸入電流峰值36 A，是其額定電流的75 %；啟動(dòng)時(shí)間27 s。

上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象由永磁直驅(qū)系統(tǒng)的大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性決定的，永磁電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的220 %[2]，傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩通常是額定轉(zhuǎn)矩的55 %[2]。傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)滿載啟動(dòng)工況的驅(qū)動(dòng)功率設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，考慮傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較低的問題，在計(jì)算額定功率的基礎(chǔ)上乘以啟動(dòng)系數(shù)[3]，需采用增大電機(jī)容量的方式來滿足帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而永磁直驅(qū)系統(tǒng)則可避免此種處理方式。

4 節(jié)能實(shí)驗(yàn)

4.1 空載節(jié)能實(shí)驗(yàn)

如表1 所示，實(shí)驗(yàn)分別記錄了改造前后BM1帶式輸送機(jī)空載運(yùn)行1 h，對(duì)應(yīng)的三臺(tái)電動(dòng)機(jī)的耗電量與功率系數(shù)等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。改造前，三臺(tái)高壓電機(jī)耗電量合計(jì)207 kW·h；改造后，三臺(tái)高壓電機(jī)耗電量162 kW·h，外加變頻器室空調(diào)和照明、永磁電機(jī)冷卻系統(tǒng)等低壓設(shè)備耗電量19.5 kW·h，合計(jì)181.5 kW·h。帶式輸送機(jī)改造前后空載速度分別為5 m/s 與4.88 m/s。采用如下公式：

式中：

n 為改造后綜合節(jié)能率；

P0為改造前空載運(yùn)行1 h的耗電量，單位kW·h；

P1為改造后空載運(yùn)行1 h的耗電量，單位kW·h；

v0為改造前空載運(yùn)行速度，單位m/s；

v1為改造后空載運(yùn)行速度，單位m/s。

通過計(jì)算，改造后BM1 帶式輸送機(jī)空載運(yùn)行 1 h 可節(jié)能12.02 %，故改造后皮帶機(jī)空載運(yùn)行條件下，綜合節(jié)能效果顯著。

4.2 重載節(jié)能測(cè)試

如表2 所示，實(shí)驗(yàn)分別記錄了改造前和改造后BM1 帶式輸送機(jī)相似作業(yè)工況的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對(duì)比分析。

表2 改造前后重載運(yùn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

分析可知：在近似同等作業(yè)條件下，改造后的永磁直驅(qū)系統(tǒng)比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)重載作業(yè)至少節(jié)能12 %。

5 結(jié) 語

本文以某港BM1 碼頭帶式輸送機(jī)由傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)形式改造為永磁電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)性技改工程為研究對(duì)象，從施工、運(yùn)營(yíng)、實(shí)驗(yàn)等方面出發(fā)，通過對(duì)設(shè)備改造前后各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，論證永磁直驅(qū)技術(shù)在港口帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改造中，具有改造工期短、傳動(dòng)效率高、運(yùn)行平穩(wěn)、維護(hù)成本低、噪聲低等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟啟動(dòng)、功率平衡、自由調(diào)速、重載啟動(dòng)等功能，且節(jié)能效果顯著，可減少能耗12 %以上，證明了永磁直驅(qū)技術(shù)在港口帶式輸送機(jī)方面的應(yīng)用具有較強(qiáng)的推廣意義。