永磁同步電機(jī)在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用研究

楊 清

（華陽新科技材料有限公司一礦，山西 陽泉 045000）

引言

近年來，隨著綜采工作面采煤機(jī)截割能力的提升，采煤工藝不斷改進(jìn)，綜采工作面的煤炭生產(chǎn)能力不斷提高。刮板輸送機(jī)作為綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，在當(dāng)前形勢下也朝著大運(yùn)量、長距離以及高運(yùn)速的方向發(fā)展。張緊裝置可保證輸送帶張緊力，避免打滑等故障的發(fā)生，其已經(jīng)從傳統(tǒng)簡單機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)展為當(dāng)前的機(jī)電液一體化的自動張緊機(jī)構(gòu)，主要由張緊電機(jī)+減速器組成的方式對裝置進(jìn)行驅(qū)動[1]。但是，在實際應(yīng)用中上述驅(qū)動方式存在傳動效率低、可靠性低的問題。

鑒于永磁同步電機(jī)具有良好的低速大扭矩傳動能力和節(jié)能效果，本文將重點開展永磁同步電機(jī)在帶式輸送機(jī)張緊裝置中的應(yīng)用研究。

1 帶式輸送機(jī)張緊裝置概述

在實際運(yùn)輸過程中，帶式輸送機(jī)輸送帶張力會隨著運(yùn)輸工況的變化而處于動態(tài)變化狀態(tài)。因此，根據(jù)帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸工況對輸送帶張力進(jìn)行實時調(diào)整控制是非常有必要的。簡答說，帶式輸送機(jī)張緊裝置可保證輸送帶與滾筒之間不打滑；同時，保證相鄰?fù)休佒g輸送帶的垂度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。在實際生產(chǎn)中，需要根據(jù)帶式輸送機(jī)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)速距離以及輸送帶的相關(guān)參數(shù)，綜合確定張緊方案、所需的張緊力和張緊行程等[2]。

本文以DJS140/300/3×450 型帶式輸送機(jī)為例開展系列研究，該型帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機(jī)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)簡圖

帶式輸送機(jī)所需張緊力為后續(xù)完成永磁同步電機(jī)選型的關(guān)鍵依據(jù)。結(jié)合DJS140/300/3×450 型帶式輸送機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)及其運(yùn)輸要求，得出在系統(tǒng)啟動階段所需的輸送帶的張緊力不得小于404.2 kN。因此，確定基于永磁同步電機(jī)張緊裝置的張緊力不得小于450 kN。

2 基于永磁同步電機(jī)自動張緊裝置的設(shè)計

本節(jié)將重點完成對永磁同步電機(jī)自動張緊裝置中變頻張緊絞車、電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計。結(jié)合帶式輸送機(jī)傳統(tǒng)自動張緊裝置的結(jié)構(gòu)組成，完成基于永磁同步電機(jī)自動張緊裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，整體結(jié)構(gòu)布置如圖2 所示。

圖2 永磁同步電動機(jī)自動張緊裝置結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2 所示，基于永磁同步電機(jī)的自動張緊裝置主要包括有永磁變頻張緊絞車、電氣控制系統(tǒng)和制動裝置。其中，電氣控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)對永磁同步電動機(jī)的變頻調(diào)速控制；制動裝置為保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)；永磁變頻張緊絞車為直接對輸送帶張力進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；張力傳感器為對輸送帶張力進(jìn)行實時監(jiān)測的裝置，所采集的數(shù)據(jù)為電氣控制系統(tǒng)得出控制指令的依據(jù)[3]。

2.1 永磁變頻張緊絞車的設(shè)計

永磁變頻張緊絞車為張緊裝置功能實現(xiàn)的直接執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的核心設(shè)計為對永磁同步電機(jī)的選型。結(jié)合DJS140/300/3×450 型帶式輸送機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)及其運(yùn)輸要求完成張緊絞車中鋼絲繩、滑輪以及張緊滾筒的設(shè)計。本節(jié)重點對永磁同步電機(jī)的選型設(shè)計進(jìn)行研究。

根據(jù)自動張緊裝置在工作面的工況，確定張緊絞車中配套鋼絲繩為7×18 型鋼芯鋼絲繩，直徑為24 mm；對應(yīng)滑輪的直徑為500 mm；張緊滾筒的直徑為520 mm，根據(jù)張緊行程和相關(guān)容繩量的標(biāo)準(zhǔn)要求確定滾筒長度為520 mm。

根據(jù)張緊小車的速度為0.1 m/s，帶式輸送機(jī)所需張緊力為450 kN，則要求驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動功率不小于0.1 m/s×450 kN=45 kW。由于基于永磁同步電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)中，永磁同步電機(jī)、聯(lián)軸器直接與張緊滾筒實現(xiàn)連接，結(jié)合電機(jī)軸承機(jī)械效率為0.98，聯(lián)軸器的機(jī)械效率為0.98，滑輪組的機(jī)械效率為0.95，得出永磁同步電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)的機(jī)械效率為0.893[4]。

因此，可以得出永磁同步電機(jī)的輸出功率不得小于45 kW/0.893=50.4 kW?？紤]到1.4 倍的余量要求，最終確定永磁同步電機(jī)的輸出功率不得小于50.4 kW×1.4=70.56 kW。結(jié)合計算結(jié)果，并綜合市面上永磁同步電機(jī)的產(chǎn)品，最終確定張緊裝置的永磁同步電機(jī)型號為TYZD-110/45（380），該型電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 TYZD-110/45（380）永磁同步電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

同時，根據(jù)電機(jī)的選型結(jié)果為其配套型號為KZP-450/25-I 型的盤式制動器。

2.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

電氣控制系統(tǒng)根據(jù)張力傳感器所采集張力參數(shù)和實時工況對應(yīng)的張力要求得出相應(yīng)的控制指令；同時，所得控制指令對變頻器進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)對永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，直接表現(xiàn)為張緊小車速度和行程的控制[5]。本節(jié)重點對電氣控制系統(tǒng)的變頻器和張力傳感器進(jìn)行選型。

2.2.1 變頻器的選型設(shè)計

變頻器選型的主要原則為永磁同步電機(jī)相配套。因此，結(jié)合TYZD-110/45（380）永磁同步電機(jī)的相關(guān)參數(shù)為其配套型號為ACS550-01-246A-4 型的變頻器，該型變頻器的主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 ACS550-01-246A-4 型變頻器技術(shù)參數(shù)

鑒于變頻器在實際工作中會有部分能量轉(zhuǎn)換為熱量，而且該型變頻器的最高工作溫度為65 ℃。因此，為保證變頻器在合理溫度范圍之內(nèi)工作，需為變頻器配套IGBT 底板水套冷卻系統(tǒng)。

2.2.2 張力傳感器的選型設(shè)計

根據(jù)DJS140/300/3×450 型帶式輸送機(jī)在啟動階段所需的張緊力為75kN。本系統(tǒng)選用型號為GAD100 的礦用本安型張力傳感器對輸送帶的實時張力進(jìn)行檢測。GAD100 型張力傳感器的技術(shù)參數(shù)如表3 所示。

表3 GAD100 型張力傳感器技術(shù)參數(shù)

3 結(jié)語

帶式輸送機(jī)張緊裝置為保證輸送帶張力滿足實際工況的機(jī)構(gòu)，其對保證帶式輸送機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。鑒于永磁同步電機(jī)具有傳動效率高、節(jié)能效果好的優(yōu)勢，本文基于永磁同步電機(jī)完成了永磁直驅(qū)張緊裝置的設(shè)計，將張緊裝置傳統(tǒng)三相異步電動機(jī)+減速器的驅(qū)動方式改進(jìn)為永磁同步電動機(jī)直驅(qū)的方式。結(jié)合帶式輸送機(jī)的工況，確定了永磁同步電機(jī)的型號為TYZD-110/45（380），配套制動器的型號為KZP-450/25-I，配套變頻器的型號為ACS550-01-246A-4。