郭正達,孟俊文

(山西西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦,山西 古交 030203)

1 傳統(tǒng)驅動系統(tǒng)特點

傳統(tǒng)的帶式輸送機驅動系統(tǒng)采用異步電動機+調速型液力偶合器(或+液粘軟起動裝置)+減速器,或采用變頻器+變頻三相異步電動機+減速器,鎮(zhèn)城底礦礦采用三相異步電動機+CST軟啟動裝置的方式,將動力傳送給滾筒帶動輸送帶運動,這些傳統(tǒng)的傳動方式都或多或少存在明顯的缺點,如表1所示,如驅動系統(tǒng)高耗能,啟動不平穩(wěn),重載啟動困難,維護量大,維護成本高,影響著驅動系統(tǒng)的整體效率[1-2]。

綜合考慮以上5種驅動技術, 鎮(zhèn)城底礦在主斜井運輸系統(tǒng)中采用礦用隔爆型永磁直驅變頻裝置取代原有的CST軟驅動系統(tǒng),永磁電機變頻直驅系統(tǒng)在煤礦井下采區(qū)順槽帶式輸送機已有少量應用,但是在煤礦主斜井帶式輸送機這一礦井原煤運輸系統(tǒng)“咽喉要塞”上的應用還是國內(nèi)第一次。通過這一改造進一步完善了鎮(zhèn)城底礦的主提升系統(tǒng),徹底解決了頻繁重載啟停困難等問題。

表1 五種驅動方式的優(yōu)點及不足比較Table 1 Advantages and disadvantages of five drive modes

2 鎮(zhèn)城底礦CST驅動系統(tǒng)概述

鎮(zhèn)城底礦主斜井帶式輸送機參數(shù)如表2所示,其中CST驅動系統(tǒng),見圖1,2003年安裝投運至今,運行已有14年之久,三臺減速器均出現(xiàn)不同程度的疲勞磨損,進入后期運行階段,故障多,重載起動困難,修理周期長,維修費用高,已難以保證礦井主斜井帶式輸送機的正常運行,為礦井的安全生產(chǎn)造成了極大的困難。加之井口所用電氣設備大多為老舊開關柜,不符合“井口20 m范圍嚴禁使用非防爆電氣設備”的相關規(guī)定。所以考慮采用一種較先進的方案對主斜井帶式輸送機的驅動部分進行改造[3]。

表2 改造前主斜井帶式輸送機主要技術參數(shù)Table 2 Major technical parameters of belt conveyor of main inclined shaft before modification

圖1 異步電機驅動系統(tǒng)示意圖Fig.1 Asynchronous motor drive system

3 永磁變頻直驅系統(tǒng)概述

改造后主井帶式輸送機采用3套永磁直驅系統(tǒng)示意圖,見圖2,每套永磁直驅系統(tǒng)由1臺TBVF-315/40YC(660/1140)型礦用隔爆型永磁同步變頻電動機、1臺BPJ-400/1140型礦用隔爆兼本質安全型低壓交流變頻器、驅動裝置底座組成。

礦用隔爆型永磁同步變頻電動機額定功率315 kW,額定轉矩54 695 N·m,額定轉速48 r/min,調速范圍0～48 r/min。配套礦用隔爆兼本質安全型低壓交流變頻器額定功率400 kW。

圖2 永磁同步電動機變頻驅動系統(tǒng)示意圖Fig.2 Variable frequency drive system of permanent magnet synchronous motor

根據(jù)現(xiàn)場情況配置兩套水冷裝置,其中一臺給1#、3#電機散熱,另一臺給2#電機散熱。

3.1 主斜井帶式輸送機負載匹配性分析

鎮(zhèn)城底礦主斜井帶式輸送機低速大扭矩永磁電機直驅系統(tǒng)改造主要是驅動電機及配電、監(jiān)控和保護系統(tǒng)的更新,輸送機小時輸送量不變,所以只對驅動電機、控制系統(tǒng)及其它配套進行選型。

依據(jù)改造前后驅動系統(tǒng)功率、輸送機運量不變的原則,仍然選用單臺電機功率為315 kW,3臺電機功率為3×315 kW,可以滿足現(xiàn)場實際需求。

帶式輸送機所需扭矩:

T=9550×P2/n=143051 N·m .

(1)

式中:P2為軸功率,原設計為719 kW;N為滾筒轉數(shù),n=60×S/(πD)=48 (r/min);其 中S為帶速3.15 m/s;D為滾筒直徑，取1.25 m。

根據(jù)傳動滾筒所需扭矩T=143 051 N·m,則單臺電機所需扭矩為47 683 N·m,選擇三臺額定扭矩為54 695 N·m永磁同步電機,永磁同步電機的性能參數(shù)如表3所示。

表3 永磁同步電動機性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of permanent magnet synchronous motor

永磁材料使用范圍較廣的有釹鐵硼、鋁鎳鈷、鐵氧體永磁材料,其中釹鐵硼為稀土類永磁材料。目前,稀土永磁材料的生產(chǎn)已發(fā)展成一大產(chǎn)業(yè),此次改造所用的永磁同步電機其主體材料永磁體即為稀土永磁材料釹鐵硼所制[4-5]。

3.2 電機熱管理技術及冷卻系統(tǒng)分析

隨著電機單機容量的日益增大,電機的發(fā)熱和冷卻問題研究顯得日益重要,已經(jīng)成為當前電機設計過程中最重要的問題之一,它直接關系到電機的使用壽命和運行的可靠性。本改造采用有限元分析軟件如Ansoft和Ansys 等對電機建模,采用瞬態(tài)聯(lián)合仿真技術進行分析,同時利用溫度場計算電機各部溫度,以便對電機的銅耗、鐵耗、機械耗、雜散損耗以及高次諧波在永磁體表面產(chǎn)生的渦流損耗等進行深入研究。分析溫度分布規(guī)律,研究電機的各個局部過熱點,合理設計電機的繞組端部結構、繞組環(huán)氧樹脂真空灌封、冷卻系統(tǒng),以降低溫升和消除局部過熱點。

永磁同步電動機的冷卻方式為水冷,現(xiàn)場可采用直接水冷和封閉式內(nèi)循環(huán)水冷卻方式。直接水冷冷卻效果好,但水質要求高且水量需求大。封閉式內(nèi)循環(huán)水冷卻方式具有較好的冷卻效果且經(jīng)濟性高。

由于現(xiàn)場水質較差如采用直接水冷長期運行會有結垢的問題,而且長期運行會浪費大量的水。現(xiàn)場最終采用封閉式內(nèi)循環(huán)水冷卻方式?？紤]到冬季現(xiàn)場環(huán)境溫度較低,采用防凍液作為設備冷卻液。

3.3 控制器電氣兼容性分析

礦用永磁傳動裝置中控制器中包含變頻器裝置,變頻器由于本身的結構特點勢必在運行中會產(chǎn)生諧波。其產(chǎn)生的原理為三相輸入側由于采用三相不可控整流電路,電壓波形為正弦而電流為非正弦波;三相輸出端由于電機屬于感性負載,變頻器輸出的PWM波形為非正弦波,電流為類似正弦波。波形的非正弦化即可以分解為基波與諧波,諧波會導致一系列問題。第一,對配電網(wǎng)的危害;第二,對它所驅動的電機的危害。另外,由于變頻器輸出為高頻的PWM波,高頻信號在傳輸中易對鄰近設備產(chǎn)生電磁干擾。

為了解決以上三個問題,設計過程中系統(tǒng)采用了輸入、輸出電抗器,通過合理的選擇電抗器參數(shù)有效減少了以上三種危害,由于輸入輸出電抗器存在阻抗和感抗在變頻器工作過程中會產(chǎn)生一定的壓降。從系統(tǒng)性能和電磁兼容兩方面均衡考慮,選擇合適的電抗器,使電壓降即不影響系統(tǒng)性能又能使諧波含量控制在4%以內(nèi)。

4 改造后永磁驅動系統(tǒng)經(jīng)濟社會效益分析

4.1 高效節(jié)能

永磁電機在節(jié)能方面主要體現(xiàn)在:不需要無功勵磁電流,沒有轉子電阻損耗;功率因素接近1,減少了定子電流和定子電阻損耗,大大節(jié)約了電能;全功率范圍內(nèi)高效運行;電動機與滾筒直接連接,理想狀態(tài)系統(tǒng)總體效率為1,系統(tǒng)實際運行效率在93%以上[6-7]。

改造前,單臺驅動電機(銘牌為315 kW)實際運行功率為260 kW左右,同時每臺CST減速器還配備有18.5 kW油泵電機和5.5 kW冷卻風扇電機,總功率約278 kW;改造后每臺電機和輔助設備的實際總功率約為230 kW,比改造前減少負荷48 kW,按照每天開機20 h,一年按330 d計算,每年可節(jié)約316 800 kW·h,每度電平均按0.6元計算,每年可節(jié)約19萬余元,三臺電機一年可節(jié)約電費約57萬余元。在實際運行中還可根據(jù)實際負載情況或檢修工作需要,自動或人工調節(jié)輸送帶速度,大大減少能量的浪費和托輥的消耗,節(jié)能效果明顯。由此可見永磁電機不僅具有很高的功率因數(shù),而且還具有極佳的經(jīng)濟效益,電機效率與功率因數(shù)對見圖3。

3-a 效率特性曲線對比

3-b 功率因數(shù)特性對比圖3 電機效率與功率因數(shù)對比Fig.3 Comparison between motor efficiency and power factor

4.2 起動轉矩大,過載能力強

在異步電動機驅動系統(tǒng)中,啟動時最大輸出50% 的額定轉矩如圖4-a所示,而電流則高達額定電流的4倍～7倍,極易使電機內(nèi)部機械應力和熱應力發(fā)生較大變化,因此,在重載啟動中燒毀電動機的現(xiàn)象時有發(fā)生?；驗闈M足系統(tǒng)重載啟動要求,需增大電機容量來滿足啟動轉矩,當系統(tǒng)正常運行后,就造成了“大馬拉小車”現(xiàn)象。

相比之下,永磁直驅變頻裝置具有良好的啟動特性如圖4-b所示,在啟動時可以輸出2.2倍額定轉矩,電流從0開始增加,利用自身的調速功能實現(xiàn)帶式輸送機的緩慢啟動,對設備機械部分基本無沖擊,從而實現(xiàn)重載啟動。

4-a 異步電機啟動特性

4-b 永磁電機啟動特性圖4 電機啟動特性曲線Fig.4 Characteristic curve of motor start

永磁電機的設計啟動轉矩可以達到額定轉矩的2.2倍,啟動過程中電流是正常運行電流的1.2倍以下(加速時間30 s,正常運行電流130A啟動過程中電流在150A左右);現(xiàn)場3臺電機運行到額定電流172A(重載時)左右,停機后可順利的實現(xiàn)啟車,可以滿足帶式輸送機的重載啟動問題。在與原正常生產(chǎn)煤量相同的條件下,利用其中2臺驅動電機進行了滿載運行和重載起動實驗,經(jīng)實驗證實了永磁電機起動轉矩大、起動電流小、電網(wǎng)沖擊小,過載能力強的優(yōu)點。

4.3 系統(tǒng)“免”維護

改造前CST每半年都要更換一次潤滑油,加上日常的檢修維護,費用不僅十分昂貴,而且逐年呈現(xiàn)增加趨勢。據(jù)不完全統(tǒng)計,從2003年—2014年這12年間,主斜井帶式輸送機驅動系統(tǒng)CST減速器更換配件、潤滑油以及各類檢修費用高達422.62萬元。而改造后系統(tǒng)省去減速器等裝置,因此在實際應用中無需更換潤滑油,檢修減速器,而后期維護只需隔3 000 h給電機軸承注3號鋰基脂500 mL,節(jié)約了使用成本,降低了維護工作量,大約每年可節(jié)約15萬余元。

4.4 驅動智能化

主斜井帶式輸送機、前(后)轉載皮帶、煤庫給煤機等設備集中控制運行,各設備運行狀態(tài)相關數(shù)據(jù)實時傳送至主控室PLC和上位機通訊,實現(xiàn)上位機對設備的分析、比較、預警與控制,結合視頻監(jiān)控、遠程控制、在線監(jiān)測,故障診斷等系統(tǒng)功能實現(xiàn)了連續(xù)運輸系統(tǒng)的智能化運行和控制,并為下一步實現(xiàn)無人值守提供了硬件支持。

5 結束語

鎮(zhèn)城底礦主井帶式輸送機的永磁直驅系統(tǒng)改造,技術上實現(xiàn)了驅動智能化、輸出轉矩大、過載能力強、起動電流小、低噪音、起動平穩(wěn)、恒轉矩控制、可頻繁重載啟停的目標;經(jīng)濟上不僅做到了高效節(jié)能,而且最大程度降低了維護工作量,預估每年可直接節(jié)約成本72萬余元,安全上克服了重載啟動難需人工清煤的安全隱患問題。采用永磁同步變頻技術來改造傳統(tǒng)的帶式輸送機驅動系統(tǒng),不論在技術的先進性還是帶來的社會及經(jīng)濟效益方面都是巨大的。稀土永磁同步電機變頻驅動系統(tǒng)在鎮(zhèn)城底礦主運輸提升系統(tǒng)的首次成功應用,此舉不僅填補了礦山企業(yè)主提升系統(tǒng)使用稀土永磁電機的市場空白,更相信,在不久的將來大轉矩永磁同步變頻驅動系統(tǒng)在煤礦井下刮板輸送機、瓦斯抽采泵站等領域亦可拓展使用,應用范圍十分廣闊。該技術必然隨著科學技術的飛速提升而取得更大的研究成果。