顏景高 黃世寧

【關(guān)鍵詞】永磁電動滾筒;變頻直驅(qū);東懷煤礦

【中圖分類號】TD45 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）06-0092-03

0 引言

隨著電子信息技術(shù)及永磁技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國煤礦輸送機(jī)領(lǐng)域逐漸從傳統(tǒng)的驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑淖冾l驅(qū)動。永磁電機(jī)最早被應(yīng)用于航空領(lǐng)域，這得益于永磁材料效率高和成本低的優(yōu)點，后來逐漸被應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。我國煤礦過去大多采用限矩形液壓耦合器驅(qū)動或調(diào)速型液力耦合器驅(qū)動，這些驅(qū)動方式需要將電機(jī)進(jìn)行減速后方可進(jìn)行，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)車輪銷軸鎖死或電機(jī)減速機(jī)故障。智能永磁變頻系統(tǒng)不需要復(fù)雜的運行調(diào)整程序，實現(xiàn)了啟停與調(diào)速功能。東懷煤礦應(yīng)用永磁電動滾筒對傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)驅(qū)動方式優(yōu)化與改造，為其他煤礦輸送機(jī)的改進(jìn)提供了借鑒經(jīng)驗。

1 永磁電動滾筒概述及其特點

智能永磁變頻電動滾筒由3個部分構(gòu)成，分別是永磁電動滾筒、智能型變頻器及水冷等附屬裝置。運行原理可簡單地概述為機(jī)械能和電能的轉(zhuǎn)化。由于永磁滾筒是由永磁材料制作，因此不存在勵磁損耗問題，永磁體可以構(gòu)建永磁場，當(dāng)繞組以一定的頻率通入交流電后，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場推動滾筒轉(zhuǎn)動，也減少了使用過程中的材料損耗，使設(shè)備的使用壽命大大延長。此外，在滾筒表面包裝防火材料，可以降低井下安全事故發(fā)生的概率。

永磁變頻電動滾筒效率較高，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，永磁變頻電機(jī)的能耗比傳統(tǒng)電機(jī)低20%左右。目前，國內(nèi)各個永磁電機(jī)廠家都已經(jīng)得到了“MA”認(rèn)證，產(chǎn)品技術(shù)成熟，已經(jīng)遠(yuǎn)銷海內(nèi)外 [1]。

永磁智能變頻驅(qū)動系統(tǒng)啟動可以實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩啟動，啟動階段沒有明顯的沖擊效應(yīng)，機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計科學(xué)合理，能夠大大降低沖擊力，減少系統(tǒng)應(yīng)力累積，這樣不僅可以提高電子零部件壽命，還解決了帶式輸送機(jī)重載啟動的問題。

在智能永磁電動滾筒的設(shè)計中，由于轉(zhuǎn)子使用了永磁體，因此無須勵磁，能耗進(jìn)一步降低。經(jīng)常使用的電機(jī)轉(zhuǎn)子材料由燒結(jié)釹鐵硼制成，牌號通常為N38UH或N38SH，能夠在不高于180 ℃的溫度下持續(xù)工作，設(shè)計使用壽命長達(dá)20年，使用壽命內(nèi)基本不會退磁。

采用永磁變頻直流驅(qū)動時可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)驅(qū)動更大的轉(zhuǎn)矩，更大的轉(zhuǎn)矩能夠滿足更重的載荷啟動。采用特定的智能變頻器可以實現(xiàn)兩倍甚至多倍的額定載荷，不僅有利于完成繁重的生產(chǎn)任務(wù)，也不容易發(fā)生安全事故或設(shè)備故障。在智能變頻器中增加溫度、壓力、速度傳感器后，進(jìn)一步實現(xiàn)了輸送帶的智能化控制，而且在設(shè)備能耗降低的基礎(chǔ)上增強(qiáng)了人機(jī)互動，降低了勞動強(qiáng)度。

智能永磁變頻電動滾筒結(jié)構(gòu)簡單、可靠，設(shè)備安裝非常方便，直接使用輸送機(jī)膠帶運轉(zhuǎn)，有利于煤礦的后期維護(hù)和檢修，降低了工人的體力勞動強(qiáng)度，節(jié)省了人力成本 [2]。

在調(diào)速方面，永磁電機(jī)使用同步智能伺服控制器，可以根據(jù)膠帶輸送的載荷量調(diào)整輸送機(jī)的運行速度，降低了驅(qū)動設(shè)備的磨損合能耗，為設(shè)備壽命提供技術(shù)保障。此外，這種多驅(qū)動電機(jī)可以使功率控制更加精確，輸送過程更加平穩(wěn)，保證輸送過程順利進(jìn)行。

在便捷性方面，智能永磁變頻電動滾筒擁有多種通信接口，可及時與上位機(jī)組進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并且擁有良好的欠壓、過流及短路保障措施，能夠保證輸送機(jī)在突發(fā)電力故障時的安全性，降低生產(chǎn)風(fēng)險 [3]。

2 與傳統(tǒng)驅(qū)動方式的比較

在煤礦生產(chǎn)中，輸送機(jī)是不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備，而輸送機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)則是整個輸送機(jī)的核心。只有擁有一個安全可靠的驅(qū)動系統(tǒng)，才能保證輸送機(jī)正常使用，保證煤礦安全、有效地運行和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。近年來，隨著帶式輸送設(shè)備的飛速發(fā)展，驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生了翻天覆地的變化。目前，常見的輸送機(jī)驅(qū)動方式有CST可控驅(qū)動系統(tǒng)、電機(jī)與減速器聯(lián)用驅(qū)動系統(tǒng)及永磁變頻驅(qū)動。CST可控驅(qū)動系統(tǒng)是由美國DODGE公司開發(fā)的技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)置復(fù)雜，是由減速器、PLC、傳感系統(tǒng)、液壓控制器及冷卻系統(tǒng)構(gòu)成。減速器的設(shè)置由一連串嚙合齒輪、行星輪系及托架等構(gòu)成，通過調(diào)整內(nèi)齒圈的轉(zhuǎn)速得到負(fù)載需要的速度特性，最終實現(xiàn)輸送機(jī)的啟停和減速。因此，雖然在帶速和負(fù)載能力調(diào)節(jié)方面，CST系統(tǒng)和永磁變頻驅(qū)動相差不大，但是CST更加復(fù)雜，出現(xiàn)故障后一般不能通過及時修理恢復(fù)使用，液壓元件的價格昂貴，長期使用容易發(fā)生漏油事故，制造了安全隱患。此外，在輸送機(jī)的使用過程中，“傳統(tǒng)電機(jī)+減速器+聯(lián)軸器”的驅(qū)動方式能耗較高，效率和運載能力相對較低。如圖1所示，變頻永磁直驅(qū)系統(tǒng)在諸多的驅(qū)動系統(tǒng)中，憑借高效可靠、結(jié)構(gòu)簡單、維修容易的特點異軍突起，并伴隨永磁材料的進(jìn)一步發(fā)展并逐漸完善，適合帶式輸送機(jī)使用，越來越多煤礦更愿意使用永磁變頻驅(qū)動 [4]。

永磁變頻滾筒在東懷煤礦的應(yīng)用過程中，解決了一些實際生產(chǎn)問題。

（1）重載啟動方面。首先，過去的“變頻異步電動機(jī)+聯(lián)軸器+減速機(jī)”及CST啟動都有平衡性差的缺點，很容易造成安全隱患。使用永磁變頻滾筒后，通過采用多機(jī)驅(qū)動的方式，保證了電機(jī)輸出功率平衡，將不平衡度維持在2%以下。其次，永磁點擊直接連接滾筒和膠帶，可以保證傳動及時，沒有延遲，傳動效率大幅度提高，可以節(jié)能10%～20%，節(jié)能效果顯而易見。最后，使用永磁變頻滾筒能夠?qū)崿F(xiàn)智能控制和集中控制，能提高煤礦的信息化和智能化水平，降低勞動強(qiáng)度。

（2）節(jié)能效益方面。傳統(tǒng)的“電機(jī)+聯(lián)軸器+減速器”的驅(qū)動方式軸功率按照100 kW計算，每年耗電量接近200萬kW·h。使用永磁變頻電機(jī)每年耗電量為140萬kW·h左右。使用永磁變頻電機(jī)在同樣的軸功率下，可以節(jié)能30%。從綠色環(huán)保的角度來看，使用永磁變頻電機(jī)可以明顯降低能耗，產(chǎn)生更好的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）設(shè)備設(shè)計方面，永磁電動滾筒的du/dt相對較低，能夠有效避免電機(jī)絕緣層及電機(jī)軸承損壞，大幅度延長電機(jī)的壽命。IGBT承受的反向電壓較低，僅有直流母線電壓的1/2，降低散熱成本相對較低。此外，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計較緊湊，占地面積小，實現(xiàn)了多機(jī)功率平衡同步控制。

3 智能型永磁電動滾筒的應(yīng)用

東懷煤礦使用的智能永磁電動滾筒分為4個層次，分別是感知層、數(shù)據(jù)通信層、數(shù)據(jù)信息支撐層及應(yīng)用層。首先，設(shè)備感知層通過可以編程的控制器去采集每個永磁變頻滾筒的數(shù)據(jù)信息，包括各個細(xì)節(jié)的信息，例如運行記錄信息、抱閘狀態(tài)、冷卻器狀態(tài)及各個未知的溫度信號等。其次，數(shù)據(jù)通信層利用以太網(wǎng)或者光纖將可編程控制器采集到的信息通過4G通信模塊傳輸?shù)较到y(tǒng)中。再次，數(shù)據(jù)信息支撐層充分利用WDT“看門狗”，保證了驅(qū)動系統(tǒng)的安全性和可靠性，使故障率降到最低。最后，應(yīng)用層通過設(shè)置實現(xiàn)對整個永磁電動滾筒的信息監(jiān)控，保證用戶個性化的使用需求，可以方便地進(jìn)行信息添加、刪除、修改或者更新。

在物聯(lián)網(wǎng)平臺方面，智能永磁電動滾筒擁有4個特點。第一，具備實時監(jiān)控功能，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備在線狀態(tài)、運行頻率、電壓電流、持續(xù)運行時間及故障信息的實時監(jiān)控，所有信息都可以在系統(tǒng)內(nèi)存儲和及時調(diào)閱，并能夠上傳至電腦和手機(jī)，形成故障記錄，出現(xiàn)異?？杉皶r通知。第二，在故障管理和推送方面，可以實現(xiàn)故障的設(shè)置、記錄、統(tǒng)計、推送及查詢功能，在一定時間內(nèi)保存歷史故障，對發(fā)生故障的類型、起止時間、故障等級、故障原因等及時記錄，并根據(jù)這些記錄系統(tǒng)自動分析發(fā)生故障的類型和等級，在一定時間內(nèi)及時統(tǒng)計每種故障發(fā)生的比例，與其他時間段進(jìn)行對比，便于使用人員分析設(shè)備狀態(tài)，尋找設(shè)備故障原因，根據(jù)故障原因評判是否需要進(jìn)行檢修或更換零部件等。第三，在系統(tǒng)管理層面，智能型的永磁電動滾筒信息平臺可將用戶按照不同等級進(jìn)行分級，分級不同，權(quán)限不同，可以設(shè)置為管理層、維修層及普通層，不同層面的權(quán)限實現(xiàn)功能不同。第四，在設(shè)備的安裝和調(diào)試方面，客戶可以按照平臺的指導(dǎo)說明，定期查看運行記錄，跟蹤設(shè)備運行狀態(tài)，及時保養(yǎng)設(shè)備 [5]。

4 結(jié)語

永磁電動滾筒的成熟度和推廣前景隨著在各個煤礦的實際應(yīng)用中得到廣泛驗證，東懷煤礦使用智能永磁電動滾筒不僅安全可靠，還為煤礦創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益。永磁電動滾筒已經(jīng)開始逐步取代傳統(tǒng)的“異步電動機(jī)+聯(lián)軸器+減速器”的驅(qū)動模式，為國家能源行業(yè)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，尤其在工作條件復(fù)雜的煤礦中，保證了煤礦生產(chǎn)所需要的輸送能力要求及帶式輸送機(jī)的安全和高效，對煤礦的節(jié)能減排有重要意義。永磁電動滾筒的智能化將成為下一階段發(fā)展的主要方向，可以預(yù)見，我國的煤礦輸送機(jī)效率低、能耗大、維護(hù)復(fù)雜、工人勞動強(qiáng)度大的問題將隨著永磁電機(jī)的發(fā)展得到徹底解決，勢必在國際市場上占有重要地位。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李自菊，雷正保，曾雁.基于制動系統(tǒng)的CST電控系統(tǒng)智能設(shè)計[J].交通科學(xué)與工程，2010，26（2）：71-77.

[2]劉超.低速大扭矩永磁同步電機(jī)變頻驅(qū)動系統(tǒng)在主斜井帶式輸送機(jī)上的應(yīng)用[J].石化技術(shù)，2020，27（1）：145-

146.

[3]張樂.煤礦帶式輸送機(jī)永磁同步電機(jī)變頻驅(qū)動技術(shù)與傳統(tǒng)驅(qū)動技術(shù)比較分析及應(yīng)用前景展望[J].電子世界，2015（16）：194-195.

[4]張慶奇.試論永磁變頻同步電動機(jī)直驅(qū)帶式輸送機(jī)在煤礦井下的應(yīng)用研究[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2019，39（14）：131-132.

[5]侯賓.智能變頻永磁直驅(qū)多模式驅(qū)動在煤礦主運強(qiáng)力膠帶運輸系統(tǒng)的應(yīng)用[J].中國化工貿(mào)易，2018，10（22）：134.