关键词：永磁电机；煤矿；应用
0 引言
随着煤炭经济的发展，现阶段井下带式输送机大部分采用传动驱动方式，其由异步电动机、液力偶合器、减速机、联轴器等组成。由于其启动时扭矩小，满载启动困难，且启动稳定性差，故障率高，且后期系统维护保养成本高，造成其工作效率低，导致严重的能源浪费。为了进一步加强电机的工作效率和节能环保，使其满足长效高速稳定运转，永煤集团车集煤矿率先引进新型隔爆型智能永磁直驱系统驱动装置，是一种直驱式电动机，驱动负载设备时不需要减速装置，其原理是在转子上安装永磁体，根据磁极同性相吸异性相斥的原理，定子产生旋转磁场带动转子转动，最终达到定子产生的旋转磁极的转速和转子的旋转速度相同。运行后，此系统运行平稳、大大降低了噪音、节能环保，同时减少了对传统设备的维护，节约了生产成本。此次设备的引入为煤矿井下胶带机驱动引入新的篇章，减少了因井下特殊环境对驱动空间的要求，因其体积小、性能稳定，必将成为带式输送机驱动装置的第一选择。
1 防爆永磁电滚筒原理
永磁电动机的工作原理与电励磁同步电动机相同，区别在于前者是以永磁体替代励磁绕组进行励磁。当永磁电动机的三相定子绕组(各相差1200电角度)通人频率为．厂的三相交流电后，将产生1个以同步转速推移的旋转磁场。稳态情况下，主极磁场随着旋转磁场同步转动，故转子转速亦是同步转速，定子旋转磁场恒与永磁体建立的主极磁场保持相对静止，他们之间相互作用并产生电磁转矩，驱动电动机旋转并进行能量转换[1]。
此外，永磁电机采用永磁材料进行励磁，较传统电流励磁电机功率因数显著提高，减少了定子电流和电阻的损耗，稳定运行时无转子铜耗，在20%-120% 额定负载范围内，均可保持较高的效率。另外，启动力矩大，传统异步电动机起动转矩通常是额定转矩的55% ，无法实现重载起动。而永磁同步电滚筒启动转矩是额定转矩的220% ，当工况需要满载或过载启动时，无须人工卸载即可直接启动，从而避免了因堵转、过载造成的电机损坏。实际维护中，只需要每季度对永磁滚筒进行一次注油即可完成检修任务，维护量降低80%，用工效率大幅度提高。
2 永磁电滚筒的组成
传统的机械驱动装置采用异步电机、减速器、液力偶合，其应用范围广泛，但是存在启动扭矩小、容易出现机械故障、耗能高、满载启动困难、系统维护保养成本高等缺点。永磁直驱电机系统由变频器控制永磁同步电机通过联轴器和胶带机传动滚筒直接连接，与传统伸缩胶带机2 ×90 kW驱动系统相比，去掉了减速机、液力偶合器和同步齿轮。如下图1。
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图1 永磁电机驱动装置
该装置核心部件是稀土永磁同步电动机，克服了三相异步电动机综合效率低、易烧毁等缺点，充分发挥了智能永磁同步电动机的自身特点和变频器的调速功能，实现了对胶带输送机的无齿同步变频驱动
2 永磁电滚筒的特点
2.1 传动效率高、损耗小
传统驱动系统中,由于电机、减速器、耦合器等自身功率衰减和启动不平稳,重载、过载情况下启动困难,直接影响驱动系统的整体效率。理想状态下效率能够达0.9,而实际运行时效率始终在0.8以下。而永磁电机在 0.2-1.2负载率区间内效率都可以达到0.9以上。矿用隔爆兼本质安全型变频调速装置的防爆形式为矿用隔爆兼本质安全型Exd[ib]I，它由变频调速系统、显示系统和参数设定模块组成。该装置启动电流小，有效降低了对电网的冲击；启动转矩大，开环矢量控制模式下能够提供 200％的启动转矩；提供多种控制方式，用户根据工况灵活使用；主要原件均采用同类最优，产品质量可靠；采用液晶显示屏，参数显示丰富，操作简便；热管散热，散热效果好，免维护；保护功能全面，有效降低故障率；具有主从机功能，轻松实现多机拖动中的功劳平衡[2]。
2.2 功率因数高，节电效果明显
永磁驱动系统理想状态下功率因数能够达到，采用永磁电机后，从电网吸收的能量几乎全部用于有功，整个过程中的功率因数超过，节约了大量电能。
2.3 具有冗余功能, 避免“ 大马拉小车”
当功率较小时,可通过软件进行单机运行或多机冗余切换运行,保证系统多机备用,根据皮带上物料的多少实现闭环速度控制,当物料较少时,降低皮带输送机的转速,避免“ 大马拉小车” 的现象发生, 与未使用闭环控制系统相比较, 可实现10%-60%的节能。轻载运行时,节能效果更明显。
3 永磁变频电机的应用效果
3.1 实现胶带机软启动
带式输送机在启动初始，由于在重载、满载的情况下会积蓄大量的势能，如果突然全速启动，会产生很大的张力对胶带造成损伤，甚至出现断带的情况。为了减小启动时瞬时的张力，胶带机应使用软启动的方式，缓慢释放胶带机内部储蓄的势能。永磁直驱系统利用无传感器矢量控制技术变频启动，其能够使带式输送机从低速缓慢启动，实现胶带机的平稳启动，避免了较大的机械冲击，同时可以降低对胶带强度的要求，避免传动驱动装置启动时产生的大电流给电网带来的冲击，降低了转矩波动给机械传动造成的冲击[3]。当系统需要多电机驱动时，通过主从控制可实现功率平衡，能够避免因出力不均而造成的电机损坏。
3.2 减少了设备检修，实现重载、满载启动
传统驱动系统启动转矩通常是额定转矩的55％，造成系统无法满载启动。其启动初始电流是额定电流的4-6倍，会造成电机内部机械应力和热应力的极大变化，出现烧坏电机等问题。智能永磁直驱系统所使用的永磁直驱电机的启动转矩是额定转矩的220％，当工况需要满载或过载启动时，无需人工卸载，即可直接启动，避免了因堵转、过载而造成的电机损坏，同时极大地降低了操作工人的劳动强度永磁驱动系统理想状态下功率能够达到100％，在实际生产运行中其功率也在90％以上。在输送机不是满载运行时，负载经常很小、甚至有时出现空载现象，但是这是传统异步电动机始终满电压、满速度运行，大部分做了无用功，功率因数很低，产生电量浪费问题。而采用永磁电机后，从电网吸收的能量全部用于有用功，整个过程中功率因数超过0.92，节约了大量的电能。
4 节能效果分析
现以煤矿常用的DSJ100/63/2×90 胶带输送机为例来分析节能问题。SJ100 胶带机由2台效率为 85％的 90 kW三相异步电动机驱动，先改为1台效率为 95％的160 kW智能永磁电机驱动。带式输送机均按每年生产360 d，平均每天工作16 h，每度电1元计算。由计算得出10年工作可以节约212万元，大大减少了资金的后期投入。
5 结论
通过对带式输送机原有的驱动方式进行改造，采用永磁电滚筒直接驱动带式输送机的运行方式，达到了节能、节支、减人提效的目的，既提高了系统的稳定性和安全性，又提高了企业的生产效率和经济效益，具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]刘杨,姚海波.天然气高瓦斯山岭隧道地质灾害的特点与预报[J].铁道工程学报,2011(3):69-71.
[2]李媛媛.永磁电滚筒的原理及应用分析[J].内蒙古煤炭经济,2017(2):166-170.
[3]陈思.大功率永磁电机在煤矿中的应用[J].商品与质量,2018(3):187-188.
论文作者:黄远征
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年2月4 期
论文发表时间:2020/4/22
标签：永磁论文; 转矩论文; 电机论文; 滚筒论文; 系统论文; 功率因数论文; 装置论文; 《工程管理前沿》2020年2月4 期论文;