刮板輸送機永磁直驅(qū)系統(tǒng)模擬試驗研究

王 佳

（山西焦煤西山煤電官地礦， 山西 太原 030022）

引言

刮板輸送機為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其承擔(dān)綜采工作面的裝運任務(wù)外，還與采煤機和液壓支架統(tǒng)稱為工作面的“三機”；可見，刮板輸送機對煤礦生產(chǎn)的重要性。驅(qū)動系統(tǒng)是保證刮板輸送機穩(wěn)定、高效運行的基礎(chǔ)。目前，刮板輸送機驅(qū)動電機主要以三相異步電動機位置，其通過減速器完成傳動能量的傳輸，在實際應(yīng)用中存在傳動效率不高、故障率高等問題，嚴(yán)重制約著煤礦的高效生產(chǎn)[1]。因此，本文提出采用永磁同步電動機設(shè)計一套無減速器的驅(qū)動系統(tǒng)，并對驅(qū)動效果進行模擬試驗研究。

1 刮板輸送機永磁直驅(qū)系統(tǒng)的設(shè)計

近年來，隨著采煤機截割能力的提升，對應(yīng)刮板輸送機的運輸能力也提出更高的要求。為適應(yīng)綜采工作面的生產(chǎn)能力，本文將為輸送量為1500 萬t 的刮板輸送機配套設(shè)計永磁直驅(qū)系統(tǒng)，主要包括有永磁同步電動機、變頻控制器以及關(guān)鍵部件的設(shè)計。

1.1 永磁同步電動機功率計算

永磁同步電動機為刮板輸送機的核心動力系統(tǒng)，其為整個刮板輸送機的運行提供動力。當(dāng)所選型永磁同步電動機的功率過大時容易造成能量的浪費，使得電動機運行效率較低；而當(dāng)選型的永磁同步電動的過小時，容易導(dǎo)致電動機經(jīng)常處于超負(fù)荷的狀態(tài)運行，從而經(jīng)常出現(xiàn)過熱現(xiàn)象[2]。

結(jié)合MT/T 礦用刮板輸送機機型與參數(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合煤礦1500 萬t 運輸量的需求，為其配套刮板輸送機的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 刮板輸送機主要技術(shù)參數(shù)

刮板輸送機在實際運行過程中的運行阻力包括有克服運輸煤炭的阻力、克服機頭機尾彎曲段的附加阻力。通過計算可知，結(jié)合實際工況，本文所配套刮板輸送機的運行總阻力為1046505.8 N。根據(jù)式（1）計算永磁同步電機的功率：

式中：F 為刮板輸送機的運行總阻力，取1046505.8 N；v 為刮板輸送機的鏈條速度，取1.5 m/s；η 為聯(lián)軸器的傳遞效率，取0.95。將上述參數(shù)代入式（1）中，并考慮15%～20%的備用功率的基礎(chǔ)上得出，適用于該刮板輸送機永磁同步電動機的功率為2×950～2×1000 kW[3]。

基于上述理論計算結(jié)果，并充分對當(dāng)前市面上永磁同步電動機性能、成本等進行對比調(diào)研分析后，最終確定所選型永磁同步電動機的主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 永磁同步電動機主要技術(shù)參數(shù)

分別在刮板輸送機機頭和機尾各配置一套表2參數(shù)的永磁同步電動機，實現(xiàn)對刮板輸送機的雙電動機驅(qū)動控制。

1.2 變頻器的選型

變頻調(diào)速技術(shù)為當(dāng)前煤礦生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的核心技術(shù)[4]。因此，針對刮板輸送機惡劣的生產(chǎn)工況（存在滿載啟動），采用變頻器實現(xiàn)對刮板輸送機軟啟動，從而降低對刮板輸送機零部件以及電動機的沖擊，對延長刮板輸送機的使用壽命和運輸效率具有重要意義。

變頻器選型的主要依據(jù)為其容量和額定電流，且與永磁同步電動機相配套。變頻器容量計算公式如式（2）所示：

式中：UMN為永磁同步電動機的額定電壓；IMN為永磁同步電動機的額定電流。

將上頁表2 中的參數(shù)值代入式（2）得出，適用于該永磁同步電動機的變頻器的容量應(yīng)大于1120.3 kW。此外，考慮電流波形修正系數(shù)，對應(yīng)的變頻器的額定電流為205.8 A。

鑒于變頻器在實際運行過程中存在3%左右的能量損耗。因此，采用水冷卻的方式對變頻器進行冷卻。

2 刮板輸送機永磁直驅(qū)系統(tǒng)的模擬試驗研究

2.1 模擬實驗平臺的構(gòu)建

為驗證刮板輸送機永磁直驅(qū)系統(tǒng)能夠真正應(yīng)用解決三相異步電動機+減速器驅(qū)動方式的問題；同時，考慮到工業(yè)性試驗的成本且難度較大，本節(jié)基于測功機為刮板輸送機添加模擬負(fù)載的方式對永磁直驅(qū)系統(tǒng)進行模擬試驗[5]。所構(gòu)建的試驗平臺如圖1所示。

圖1 刮板輸送機永磁直驅(qū)系統(tǒng)模擬實驗平臺

如圖1 所示的模擬實驗平臺，并結(jié)合本文“1”中永磁同步電動機和變頻器的計算結(jié)果，所配套永磁同步電動機的型號為TYVZ-380-280M-16，與其相配套控制器的型號為HSV-180AD-450；測功機選用磁粉式測功機，具體型號為4PB15；扭矩傳感器的型號為TQ-660 動態(tài)扭矩傳感器，該傳感器的最大量程可達1500 N·m，且測量精度可為±0.5%。

2.2 模擬實驗結(jié)果分析

基于如圖1 所搭建的模擬實驗平臺，對刮板輸送機在空載和滿載工況下的性能進行驗證。具體實驗結(jié)果闡述如下：

2.2.1 空載啟動工況的性能實驗分析

刮板輸送機在空載啟動工況下，基于永磁直驅(qū)系統(tǒng)的控制下，對應(yīng)電機的輸出扭矩和輸出轉(zhuǎn)速的變化情況如圖2 所示。

圖2 空載工況對應(yīng)模擬實驗結(jié)果

如圖2 所示，在空載啟動工況下，永磁同步電動機的轉(zhuǎn)速經(jīng)過1.6 s 的時間段才能達到穩(wěn)定狀態(tài)，在波動狀態(tài)的最大轉(zhuǎn)速為57 r/min，最終電機穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為42 r/min。對于電機輸出扭矩也呈現(xiàn)類似的變化趨勢，在1.6 s 后達到穩(wěn)定輸出扭矩約為300 N·m；在波動范圍可達到的最大扭矩為560 N·m。

2.2.2 滿載啟動工況的性能實驗分析

刮板輸送機在滿載啟動工況下，基于永磁直驅(qū)系統(tǒng)的控制下，對應(yīng)電機的輸出扭矩、和輸出轉(zhuǎn)速的變化情況如圖3 所示。

由圖3 可知，在滿載啟動工況下電機輸出扭矩的波動較為劇烈，受到扭矩波動的影響，電機輸出轉(zhuǎn)速的波動幅度也很大，最大可波動到55.5 r/min，最小波動量為26 r/min；而在14 s 后才能達到穩(wěn)定運行狀態(tài)。

圖3 滿載工況對應(yīng)模擬實驗結(jié)果

3 結(jié)語

刮板輸送機為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其不僅承擔(dān)煤炭的裝運任務(wù)，而且還為采煤機提供運行軌道，為液壓支架推溜提供支撐點。為解決刮板輸送傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)三相異步電動機+減速器的方式存在驅(qū)動功率不足和故障率高的問題，本文設(shè)計了基于永磁同步電動機的刮板輸送機永磁直驅(qū)系統(tǒng)，完成了永磁同步電動機的選型和變頻器容量的計算。最后，對所設(shè)計永磁直驅(qū)系統(tǒng)的性能進行驗證，其在滿載工況下趨于穩(wěn)態(tài)時間還需進一步優(yōu)化。