永磁變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用

吳衛(wèi)國(guó) 李 春

（棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司田陳煤礦，棗莊 277523）

近年來(lái)，煤礦機(jī)電設(shè)備逐漸引入諸多技術(shù)手段，其自動(dòng)化及智能化水平持續(xù)提升。煤礦機(jī)電設(shè)備節(jié)能始終是煤礦事業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要內(nèi)容。為實(shí)現(xiàn)煤礦機(jī)電設(shè)備節(jié)能目標(biāo)，永磁變頻節(jié)能技術(shù)被應(yīng)用于煤礦機(jī)電設(shè)備。相較于其他變頻技術(shù)，該技術(shù)手段能夠提升煤礦機(jī)電設(shè)備的工作效率，降低設(shè)備能耗，減少設(shè)備維護(hù)成本支出。但是，該技術(shù)在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用時(shí)間較短，要想更好地發(fā)揮該技術(shù)的實(shí)際價(jià)值，必須深入探究其在煤礦機(jī)電設(shè)備中的具體應(yīng)用[1]。

1 永磁變頻節(jié)能技術(shù)原理

永磁變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用主要是調(diào)整電機(jī)工作頻率，控制其實(shí)際運(yùn)行速度，最終達(dá)到節(jié)能的目的。通常情況下，當(dāng)三相對(duì)稱(chēng)電流經(jīng)過(guò)定子時(shí)，電機(jī)中會(huì)產(chǎn)生多級(jí)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其實(shí)際級(jí)數(shù)與定子相同，均為2p。三相電流頻率f與磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度n之間存在密切聯(lián)系，表達(dá)式為

式中：p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可與級(jí)數(shù)相同的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)形成作用關(guān)系，在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的帶動(dòng)下，能夠使轉(zhuǎn)子處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)，在永磁變頻節(jié)能技術(shù)支持下的電機(jī)，其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速相同，因此這種電機(jī)被稱(chēng)為永磁同步電機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。三相交流電流經(jīng)定子繞組時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)阻礙電流通過(guò)的力，即電動(dòng)勢(shì)。定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁極與轉(zhuǎn)子磁極間的位置關(guān)系，與電動(dòng)勢(shì)密切相關(guān)。當(dāng)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)兩個(gè)相鄰磁極間存在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)磁極中線時(shí)，電動(dòng)勢(shì)呈現(xiàn)最大值；當(dāng)兩磁場(chǎng)相對(duì)位置向后偏離時(shí)，電動(dòng)勢(shì)呈現(xiàn)最小值。反電動(dòng)勢(shì)隨著兩者位置距離的增加而減小，此環(huán)節(jié)電機(jī)電流及轉(zhuǎn)矩處于逐漸增大趨勢(shì)。負(fù)載轉(zhuǎn)矩不斷減小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)相反的情況。定額負(fù)載為25%～120%時(shí)，永磁電機(jī)能保持較高的功率及功率因數(shù)，節(jié)能作用更加明顯，相比于普通變頻電機(jī)，其作業(yè)功率高出5%～10%[2]。

圖1 永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)

2 永磁變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

永磁變頻節(jié)能技術(shù)具有諸多應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。第一，更加節(jié)能、高效。應(yīng)用永磁變頻節(jié)能技術(shù)的永磁同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)子為永磁材料能夠使電機(jī)本身帶有磁場(chǎng)。而異步電機(jī)需要電流帶動(dòng)才能使轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，會(huì)出現(xiàn)無(wú)功電流。因此，永磁變頻節(jié)能技術(shù)能夠使機(jī)電設(shè)備效率更高，更加節(jié)能。不同負(fù)載率下永磁變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率對(duì)比如表1 所示。第二，啟動(dòng)性能好。在永磁變頻節(jié)能技術(shù)的支持下，變頻器能結(jié)合實(shí)際需要緩慢增大煤礦機(jī)電設(shè)備的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)效果。永磁變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還能夠有效減少整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械沖擊。第三，變頻控制精準(zhǔn)。在煤礦開(kāi)采環(huán)節(jié)，由于落煤量不一致，輸送機(jī)負(fù)載不穩(wěn)定。應(yīng)用永磁變頻節(jié)能技術(shù)的控制系統(tǒng)能快速響應(yīng)，控制煤礦機(jī)電設(shè)備，確保其輸出合理的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，同時(shí)可以控制其他系統(tǒng)并良好配合，在全矢量算法的支持下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

表1 永磁變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率對(duì)比

3 永磁變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦機(jī)電設(shè)備中的具體應(yīng)用

3.1 在皮帶輸送機(jī)中的應(yīng)用

皮帶輸送機(jī)是煤礦開(kāi)采運(yùn)輸過(guò)程中不可或缺的設(shè)備，也是煤礦生產(chǎn)活動(dòng)順利開(kāi)展的關(guān)鍵設(shè)備[3]。但是，因皮帶輸送機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)面臨較大的負(fù)荷，往往存在能耗較大的問(wèn)題。通過(guò)應(yīng)用永磁變頻節(jié)能技術(shù)，能明顯降低能耗，提高運(yùn)輸效率。借助永磁變頻技術(shù)，結(jié)合皮帶輸送機(jī)的電機(jī)情況對(duì)其進(jìn)行有效控制。在科學(xué)調(diào)速下，永磁變頻器能結(jié)合工作需求，對(duì)設(shè)備負(fù)載及速度實(shí)施針對(duì)性調(diào)整，以降低能耗。永磁變頻節(jié)能技術(shù)主要是通過(guò)在皮帶輸送機(jī)中安裝永磁驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行應(yīng)用。不同類(lèi)別永磁電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域如表2 所示。

表2 不同類(lèi)別永磁電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域

皮帶輸送機(jī)中的永磁驅(qū)動(dòng)設(shè)備調(diào)速控制系統(tǒng)主要包含如下部分。

第一，檢測(cè)單元。檢測(cè)單元的各構(gòu)成部分分別采集不同的數(shù)據(jù)。其中：核子皮帶秤主要采集運(yùn)量數(shù)據(jù)；電流互感器與變送器主要采集電機(jī)電流數(shù)據(jù)；轉(zhuǎn)速傳感器負(fù)責(zé)獲取轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)據(jù)；帶速傳感器負(fù)責(zé)獲取帶速數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。檢測(cè)單元獲得各項(xiàng)數(shù)據(jù)后，傳輸給核心模塊。

第二，控制單元?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒rogrammable Logic Controller，PLC）接收檢測(cè)數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果控制皮帶輸送機(jī)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能調(diào)速等功能。此外，控制單元具有多種故障保護(hù)功能，能夠確保設(shè)備良好運(yùn)行。

第三，執(zhí)行單元。PLC 向變頻器發(fā)出指令，變頻器根據(jù)指令要求向電動(dòng)機(jī)輸出相應(yīng)電壓，從而調(diào)節(jié)電機(jī)速度，確保皮帶輸送機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用永磁變頻節(jié)能技術(shù)來(lái)改造皮帶輸送機(jī)，使其具有更加穩(wěn)定的性能。改造后，皮帶輸送機(jī)的系統(tǒng)功率因數(shù)大于0.9，能避免出現(xiàn)較多無(wú)功功率。在變頻器正常工作的情況下，其傳遞效率比液力偶合器驅(qū)動(dòng)高5%～10%。此外，在永磁變頻節(jié)能技術(shù)的支持下，系統(tǒng)可結(jié)合實(shí)際負(fù)載情況自動(dòng)調(diào)整輸出力矩和頻率，避免恒速運(yùn)行產(chǎn)生較大的能源消耗。

3.2 在流體負(fù)荷設(shè)備中的應(yīng)用

煤礦中的水泵、風(fēng)機(jī)等均屬于較為常見(jiàn)的流體負(fù)荷設(shè)備，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，往往結(jié)合具體需求來(lái)設(shè)定相應(yīng)參數(shù)[4]。在煤礦流體負(fù)荷設(shè)備中應(yīng)用永磁變頻節(jié)能技術(shù)，能科學(xué)調(diào)控運(yùn)行速度，從而實(shí)現(xiàn)流體負(fù)荷設(shè)備的節(jié)能目標(biāo)。例如：將永磁變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于煤礦水泵，永磁變頻器能結(jié)合水位變化情況，科學(xué)調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速，還可避免水泵啟動(dòng)次數(shù)過(guò)多，使其長(zhǎng)期處于良好的運(yùn)行狀態(tài)；將永磁變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于煤礦風(fēng)機(jī)，永磁變頻器可結(jié)合實(shí)際需要對(duì)風(fēng)機(jī)實(shí)施調(diào)速控制，在確保風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率的同時(shí)，減少能源消耗與成本支出。對(duì)于煤礦流體負(fù)荷設(shè)備，需要實(shí)時(shí)調(diào)整其壓力與流量，但傳統(tǒng)變頻器調(diào)速時(shí)通常會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，且響應(yīng)速度較慢，而應(yīng)用永磁變頻器能快速采集信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速調(diào)整，有效降低能源消耗。

3.3 在大功率設(shè)備中的應(yīng)用

煤礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)應(yīng)用的大功率設(shè)備主要包括空壓機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等。只有保證這些設(shè)備良好運(yùn)行，才能使煤礦的生產(chǎn)效率更高，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)展。但是，在傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式下，煤礦大功率設(shè)備存在種種問(wèn)題，包括噪聲大、能源浪費(fèi)、運(yùn)行效率不高等。因此，需要通過(guò)應(yīng)用永磁變頻節(jié)能技術(shù)，降低煤礦大功率設(shè)備的能耗，提升其運(yùn)行效率。一方面，可以應(yīng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)。該設(shè)備具有較多優(yōu)勢(shì)，不僅不會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，還具有較高的功率因數(shù)。相較于傳統(tǒng)異步電機(jī)，永磁同步電動(dòng)機(jī)更能節(jié)省能源。另一方面，可以應(yīng)用變頻器。變頻器可結(jié)合負(fù)載情況，自動(dòng)調(diào)整設(shè)備輸出電壓及頻率，確保煤礦大功率設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好。例如，將變頻器應(yīng)用于空壓機(jī)中，可有效調(diào)整該設(shè)備的輸出壓力、運(yùn)行速度，使其滿(mǎn)足不同負(fù)載需求，降低能源消耗；將變頻器應(yīng)用于卷?yè)P(yáng)機(jī)，可對(duì)電機(jī)運(yùn)行速度加以控制，還能控制設(shè)備啟停，確保其具有更高的運(yùn)行效率。由此可見(jiàn)，在煤礦大功率設(shè)備中應(yīng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)和變頻器，能在有效控制大功率設(shè)備的同時(shí)，獲得良好的節(jié)能效果。此外，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)做好設(shè)備保養(yǎng)及維護(hù)工作，確保其處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，降低故障問(wèn)題發(fā)生概率[5]。

4 應(yīng)用效益分析

將永磁變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于煤礦機(jī)電設(shè)備中，具有如下應(yīng)用效益。第一，通過(guò)應(yīng)用永磁變頻節(jié)能技術(shù)，煤礦機(jī)電設(shè)備具有更高的運(yùn)行效率，便于煤炭運(yùn)輸，減少空間占用。第二，在永磁變頻節(jié)能技術(shù)的支持下，系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)滾筒能夠直接連接，便于安裝和調(diào)試，節(jié)省時(shí)間、人力與物力。第三，通過(guò)應(yīng)用該技術(shù)手段，煤礦機(jī)電設(shè)備能恒轉(zhuǎn)矩緩慢勻速啟動(dòng)，避免因啟動(dòng)時(shí)電流過(guò)大而出現(xiàn)的系統(tǒng)故障。第四，在傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)下，煤礦機(jī)電設(shè)備啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩過(guò)小，僅能達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的50%左右，不能達(dá)到滿(mǎn)載啟動(dòng)效果，通常需要將物料卸下才能成功啟動(dòng)，易發(fā)生電動(dòng)機(jī)故障問(wèn)題。應(yīng)用永磁變頻節(jié)能技術(shù)可明顯提升電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，最高可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的2 倍，即使輸送機(jī)滿(mǎn)載也能直接啟動(dòng)，無(wú)須卸載，可有效避免電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過(guò)載損壞問(wèn)題，降低了人員工作強(qiáng)度。第五，永磁變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用使得永磁同步變頻直驅(qū)系統(tǒng)無(wú)須安裝減速器等裝置，系統(tǒng)更加可靠、穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生較大噪聲，使用成本低且不用頻繁維護(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

煤礦生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜、自然條件惡劣，嚴(yán)重威脅著礦工的生命安全。目前，煤礦企業(yè)為提升生產(chǎn)效率、保障人員安全，積極引入先進(jìn)的技術(shù)手段，使得煤礦機(jī)電設(shè)備技術(shù)水平不斷提升。但是，煤礦設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，仍面臨較大的能源消耗問(wèn)題，通過(guò)將永磁變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于煤礦機(jī)電設(shè)備，可有效降低設(shè)備能耗，提升運(yùn)行效率。未來(lái)永磁變頻節(jié)能技術(shù)將促進(jìn)煤礦機(jī)電設(shè)備向更加節(jié)能、智能的方向發(fā)展。