任鵬義，白大偉

（山西中陽華潤聯(lián)盛南山煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033400）

1 概 況

帶式輸送機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)散裝物料的連續(xù)運(yùn)輸，在煤礦生產(chǎn)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。南山煤業(yè)主斜井地質(zhì)情況較為復(fù)雜，且空間狹窄，因此用DSJ100/63/2×160 可伸縮式帶式輸送機(jī)進(jìn)行煤礦物料的輸送。該帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由異步電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器和驅(qū)動(dòng)滾筒構(gòu)成，因配套機(jī)械結(jié)構(gòu)較多，整體結(jié)構(gòu)比較笨重和復(fù)雜，且存在故障率高、傳動(dòng)效率低等問題，給帶式輸送機(jī)的高效運(yùn)行和維修保養(yǎng)等工作帶來了很多不便。針對(duì)該問題，對(duì)南山煤業(yè)主斜井中使用的DSJ100/63/2×160 型帶式輸送機(jī)進(jìn)行改造，利用永磁電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。與傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，永磁電動(dòng)機(jī)不僅結(jié)構(gòu)簡單、體積小，且省去中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，能量利用效率高，可以縮小整個(gè)帶式輸送機(jī)的體積，簡化整體結(jié)構(gòu)。

2 永磁電動(dòng)機(jī)應(yīng)用方案

2.1 永磁電動(dòng)機(jī)的原理

永磁電動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)件為旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子、固定定子和端蓋，定子結(jié)構(gòu)與普通異步電機(jī)類似，主要由疊片疊壓加工而成，與異步電機(jī)最大區(qū)別在于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子中設(shè)置有永磁體，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，通過永磁體產(chǎn)生勵(lì)磁磁場，永磁體發(fā)揮磁路和磁源的雙重作用。繞組在主磁場中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，不斷地對(duì)磁場進(jìn)行切割，從而形成方向和大小呈現(xiàn)周期性變化的交變電流。

2.2 應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

針對(duì)南山煤業(yè)主斜井帶式輸送機(jī)工程實(shí)踐中暴露出的問題，結(jié)合實(shí)際情況利用永磁電動(dòng)機(jī)對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。將原有的軟啟動(dòng)開關(guān)、異步電機(jī)、減速器等結(jié)構(gòu)全部拆除，替換成2 臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，型號(hào)為TBVF-250/40YC，每臺(tái)永磁電動(dòng)機(jī)配套1 臺(tái)變頻器，具體型號(hào)為BPJ-630/1140，使用伺服控制器對(duì)變頻器進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度的精準(zhǔn)控制。永磁電動(dòng)機(jī)的輸出軸與帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒之間通過脹套進(jìn)行連接，電機(jī)輸出的動(dòng)力直接傳入到驅(qū)動(dòng)滾筒中，實(shí)現(xiàn)煤礦物料的高效運(yùn)輸。在控制系統(tǒng)的作用下，帶式輸送機(jī)能根據(jù)實(shí)際輸送的煤礦物料重量對(duì)運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

TBVF-250/40YC 型永磁電動(dòng)機(jī)在南山煤業(yè)主斜井帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用方案如圖1 所示。

圖1 永磁電動(dòng)機(jī)在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用方案設(shè)計(jì)Fig.1 Application scheme design of permanent magnet motor in belt conveyor

由圖1 可知，帶式輸送機(jī)中使用永磁電動(dòng)機(jī)時(shí)，整個(gè)裝置主要有操作臺(tái)、供電系統(tǒng)、防爆變頻裝置、驅(qū)動(dòng)永磁電動(dòng)機(jī)以及帶式輸送機(jī)本身等部分構(gòu)成。與異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置相比，省去了減速器、耦合器等機(jī)械結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大大簡化。此次設(shè)計(jì)應(yīng)用了BPJ-630/1140 防爆變頻裝置，作用是根據(jù)帶式輸送機(jī)實(shí)際需要，將50 Hz 的交流電壓轉(zhuǎn)換成為不同頻率的交流電壓，以供永磁電動(dòng)機(jī)使用，電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速與輸入電流頻率之間存在直接聯(lián)系。驅(qū)動(dòng)電機(jī)與皮帶驅(qū)動(dòng)滾筒直接連接，縮短了傳動(dòng)鏈路，能量傳輸效率得到提升。

3 帶式輸送機(jī)永磁電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是保證帶式輸送機(jī)可靠穩(wěn)定運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，要求能夠根據(jù)礦井實(shí)際需要對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整。帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of belt conveyor control system

由圖2 可知，整個(gè)控制系統(tǒng)由4 各模塊構(gòu)成，分別為主電路模塊、溫控模塊、相序識(shí)別模塊、高低速控制模塊?？刂破鞣矫妫鶕?jù)南山煤業(yè)實(shí)際情況，在保障控制系統(tǒng)性能的前提下，為降低整體成本，選用MD38PC1 型PLC 控制器，該控制器與變頻器之間具有良好的兼容性，可以直接訪問變頻器內(nèi)部的特殊數(shù)據(jù)信息。

主電路模塊由變頻器、電機(jī)和輸出電抗器構(gòu)成，此次選用的BPJ-630/1140 變頻器具有良好的性能，功能豐富。溫控模塊的作用是對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)，利用溫度傳感器對(duì)電動(dòng)機(jī)關(guān)鍵位置的溫度進(jìn)行檢測，系統(tǒng)中設(shè)置2 個(gè)安全溫度閾值，分別為T1和T2，當(dāng)溫度超過T1 時(shí)系統(tǒng)會(huì)向外發(fā)出警告，但仍然會(huì)正常運(yùn)行，當(dāng)溫度超過T2 時(shí)系統(tǒng)直接發(fā)出蜂鳴報(bào)警，設(shè)備停止運(yùn)行，避免永磁電動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度過高對(duì)電機(jī)造成燒毀。相序識(shí)別模塊的作用是對(duì)接線的相序進(jìn)行識(shí)別，防止帶式輸送機(jī)在出現(xiàn)故障或者檢修以后，相序接反導(dǎo)致永磁電動(dòng)機(jī)朝相反方向運(yùn)行的問題，起到保護(hù)帶式輸送機(jī)的作用。

3.2 變頻器連接

除永磁同步電動(dòng)機(jī)以外，變頻器是帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中比較關(guān)鍵的電氣設(shè)施，此次設(shè)計(jì)選用BPJ-630/1140 變頻器，其連接情況如圖3 所示。正式運(yùn)行之前需要在變頻器中對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括電機(jī)參數(shù)以及I/O 接口參數(shù)等。為了實(shí)現(xiàn)永磁電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度的閉環(huán)控制，利用傳感器對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行檢測。在控制系統(tǒng)中設(shè)置電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行閾值以及對(duì)應(yīng)的故障代碼，一旦檢測發(fā)現(xiàn)電機(jī)出現(xiàn)過載問題，會(huì)向外發(fā)出警報(bào)，嚴(yán)重時(shí)直接控制帶式輸送機(jī)停止運(yùn)行。

圖3 變頻器的連接示意圖Fig.3 Connection of inverter

4 應(yīng)用效果分析

南山煤業(yè)主斜井帶式輸送機(jī)采用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)鏈較長，所以總體的輸送效率較低，大約為67.2%，采用永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)鏈大大縮短，驅(qū)動(dòng)效率可以達(dá)到92%，與前者相比較大幅度提升，可以為企業(yè)節(jié)省大量的費(fèi)用。假設(shè)煤礦主斜井帶式輸送機(jī)每年運(yùn)行的天數(shù)為360 d，平均每天累計(jì)運(yùn)行時(shí)間為16 h，電費(fèi)按1元/度進(jìn)行計(jì)算，帶式輸送機(jī)使用年限按10 a 算。則可以計(jì)算異步電機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)兩種方案時(shí)，帶式輸送機(jī)在整個(gè)使用周期內(nèi)的總費(fèi)用情況，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 異步電機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)10 a 費(fèi)用對(duì)比情況Fig.4 Comparison of 10-year cost of asynchronous motor and permanent magnet motor

由圖4 可知，在10 a 周期內(nèi)，采用異步電機(jī)方案時(shí)的總費(fèi)用大約為4 400 萬元，采用永磁電動(dòng)機(jī)方案時(shí)的總費(fèi)用為2 890 萬元?？梢?，通過此次對(duì)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)改造，可以為南山煤業(yè)節(jié)省1 510 萬元的費(fèi)用，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 語

以南山煤業(yè)主斜井帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象，結(jié)合實(shí)際情況，基于永磁電動(dòng)機(jī)對(duì)帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用到工程實(shí)踐中。永磁電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)和原理上與異步電機(jī)不同，在帶式輸送機(jī)中使用永磁電動(dòng)機(jī)可以簡化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提高驅(qū)動(dòng)效率；設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)由主電路模塊、溫控模塊、相序識(shí)別模塊和高低速控制模塊組成，能根據(jù)實(shí)際情況對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行控制；將永磁電動(dòng)機(jī)部署到南山煤業(yè)主斜井帶式輸送機(jī)工程實(shí)踐中，通過分析計(jì)算，在帶式輸送機(jī)服役的10 a 周期內(nèi)，永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方案與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案相比，可以節(jié)省1 510 萬元的費(fèi)用。