工礦設(shè)備中永磁驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用

　　摘要：主要對工礦設(shè)備常用的幾種變頻永磁驅(qū)動系統(tǒng)的型式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢,進行了簡要分析。此外,對已經(jīng)使用了永磁驅(qū)動技術(shù)的煤礦設(shè)備、工業(yè)設(shè)備的各組成單元及應(yīng)用的優(yōu)缺點進行了分析;最后提出了變頻永磁驅(qū)動技術(shù)存在的問題,簡述了變頻永磁驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展趨勢。

　　本文源自石化技術(shù),2020,27(06):359-360.《石化技術(shù)》(季刊)創(chuàng)刊于1980年，由北京燕山石油化工有限公司主辦。生產(chǎn)與科研相結(jié)合，石油化工與精細化工并重，為石化行業(yè)科技人員服務(wù)。

　　1、概述

　　近年來,隨著新型永磁材料磁性能及熱穩(wěn)定性的提高,加之材料價格趨于合理化,永磁電機得到了迅猛發(fā)展。基于永磁電動機高效率區(qū)間寬,功率因數(shù)高的特點,永磁驅(qū)動技術(shù)的推廣應(yīng)用可有效降低能耗。據(jù)相關(guān)資料,通常在重量基本相同的情況下,中小型永磁同步電動機相比普通異步電機,效率可提高5%～10%,結(jié)合負載特性優(yōu)化設(shè)計的永磁電動機,綜合節(jié)電率可達25%以上。本文主要對工礦設(shè)備常用的幾種變頻永磁驅(qū)動系統(tǒng)的型式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢,進行簡要分析。

　　2、目前,永磁驅(qū)動應(yīng)用于煤礦設(shè)備的變頻系統(tǒng)主要有如下幾類

　　2.1 變頻器供電的永磁直驅(qū)系統(tǒng)

　　變頻驅(qū)動的永磁直驅(qū)系統(tǒng)由高低壓防爆變頻器和低速大扭矩永磁同步電機組成,兩者完全獨立,由此組成的驅(qū)動系統(tǒng)來直接驅(qū)動負載,永磁同步電動機的額定轉(zhuǎn)速一般30～150r/min,此類驅(qū)動系統(tǒng)目前應(yīng)用最為廣泛。

　　2.2 永磁直驅(qū)變頻一體機驅(qū)動系統(tǒng)

　　變頻永磁直驅(qū)一體機驅(qū)動系統(tǒng)也是由變頻控制單元和低速大扭矩永磁同步電機組成,兩者融為了一體,變頻器放置在永磁電動機的機殼的側(cè)面或上端。

　　2.3 半直驅(qū)變頻驅(qū)動系統(tǒng)

　　該永磁驅(qū)動系統(tǒng)由變頻器和永磁減速電機組成,永磁減速電機由中速永磁同步電動機(轉(zhuǎn)速150～300r/min)和一級(或兩級)行星減速裝置組成,兩者通過螺栓連接,減速裝置一般采用行星輪系,速比一般在3.0～5.5之間。

　　3、煤礦設(shè)備配備永磁驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用情況

　　主要對已經(jīng)成功應(yīng)用或存在永磁驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用趨勢和可能性的設(shè)備加以介紹。

　　3.1 帶式輸送機用變頻器供電的永磁直驅(qū)系統(tǒng)

　　帶式輸送機在煤礦輸煤系統(tǒng)中用量最大,設(shè)備配套用電動機的數(shù)量也是最多的。傳統(tǒng)的帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)一般由防爆三相異步電動機、機械或電氣軟啟動裝置、減速單元三部分組成,驅(qū)動系統(tǒng)的中間傳動效率損失大,很難實現(xiàn)重載起動,系統(tǒng)維護量較大。帶式輸送機上應(yīng)用最多的永磁驅(qū)動系統(tǒng)為變頻器供電的永磁同步電機直驅(qū)系統(tǒng),如圖1所示永磁同步電動機與驅(qū)動滾筒直接連接,實現(xiàn)動力的直接傳遞,驅(qū)動系統(tǒng)組成簡單,傳動效率高。

　　圖1 帶式輸送機用永磁直驅(qū)系統(tǒng)連接示意圖

　　主要有如下優(yōu)點:

　　1)通過變頻控制,可以修改永磁電機的啟動曲線,適應(yīng)于帶式輸送機的運行工況;2)針對多點驅(qū)動的輸送機,可以通過主從控制,實現(xiàn)多個驅(qū)動點的功率平衡;3)永磁同步電動機啟動轉(zhuǎn)矩可設(shè)計為額定轉(zhuǎn)矩的2.0倍以上,重載啟動性能優(yōu)良;4)利用永磁同步電動機高效率范圍寬、功率因素高的特性,輸送機輸煤量不均勻時,可長時保證電動機處于高效率狀態(tài),綜合節(jié)能率不低于20%。

　　3.3 刮板機輸送機用永磁驅(qū)動系統(tǒng)

　　傳統(tǒng)的刮板輸送機驅(qū)動由最早采用的“單速電機+液力耦合器”模式,發(fā)展到當前最為常見的采用YBSD型隔爆型雙速電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)。刮板輸送機對驅(qū)動單元的要求主要有以下幾點:

　　1)高啟動轉(zhuǎn)矩,一般要克服啟動過程中的阻力矩為滿載轉(zhuǎn)矩的1.3～1.8倍,雙機驅(qū)動時的功率不平衡因素也要予以考慮;雙速電機驅(qū)動的刮板輸送機,啟動時利用電機的低速檔,以實現(xiàn)高啟動轉(zhuǎn)矩。2)外形尺寸不宜過大,電動機的安裝中心高度不宜大于機頭鏈輪的中心高度;3)電動機應(yīng)能滿足頻繁啟停的要求,一般要求160kW以下小時空載啟動次數(shù)不少于75次,400kW以下小時空載啟動次數(shù)不少于50次,855kW以下小時空載啟動次數(shù)不少于25次。

　　變頻器供電的永磁驅(qū)動系統(tǒng)目前在刮板輸送機上還沒有成熟的應(yīng)用,但部分產(chǎn)品已出現(xiàn)在試驗階段,由于刮板機鏈輪的轉(zhuǎn)速一般比較低(<50r/min),雖適宜采用低速大扭矩永磁電機進行直驅(qū),但由于狹小空間限制,而會優(yōu)先采用帶減速裝置的半直驅(qū)變頻永磁驅(qū)動系統(tǒng),如圖2所示。

　　圖2 刮板輸送機用永磁同步減速電機驅(qū)動連接示意圖

　　采用永磁驅(qū)動系統(tǒng)主要有如下優(yōu)點:

　　1)中間減速裝置的傳動級數(shù)由傳統(tǒng)的3～4級減少為1級,可靠性得以提高;2)永磁同步電機額定轉(zhuǎn)速設(shè)計范圍100～150r/min,啟動轉(zhuǎn)矩可設(shè)計為額定轉(zhuǎn)矩的2.0倍及以上,可實現(xiàn)刮板輸送機的重變載啟動,且啟動電流遠小于傳統(tǒng)異步電動機工頻啟動數(shù)值;3)電氣保護齊全,有效避免認為的違章操作引起的電動機燒毀的情況。

　　3.4 提升機用永磁驅(qū)動系統(tǒng)

　　本文針對現(xiàn)礦井普遍使用的一種典型提升機,其驅(qū)動布置如圖3所示,對其占地面積比較大,組成單元多,設(shè)備維護量大等突出問題。現(xiàn)提出一種永磁內(nèi)裝式提升機的模型如圖4,供探討與改進應(yīng)用。

　　圖3 傳統(tǒng)提升機驅(qū)動布置

　　圖4 永磁內(nèi)裝式提升機

　　永磁內(nèi)裝式提升機是將外轉(zhuǎn)子永磁直驅(qū)電機裝配于提升機卷筒內(nèi)部。永磁電機的定子通過支架套裝在提升機的主軸上,卷筒的內(nèi)壁安裝永磁體,作為永磁電機的轉(zhuǎn)子,通過轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)提升與下放動作。該類型的提升機,結(jié)構(gòu)簡單緊湊,基本免維護,是當前永磁驅(qū)動型提升機的主要發(fā)展方向。

　　4、存在的問題

　　近年來,隨著變頻控制技術(shù)的發(fā)展,設(shè)計手段的不斷提高,永磁同步電動機已經(jīng)得到了廣泛的推廣與應(yīng)用,但是永磁驅(qū)動技術(shù)仍存在諸多的問題,有待于更深入地研究和探索。永磁材料的不可逆退磁及熱穩(wěn)定性問題。設(shè)計或選型不當,使用環(huán)境的強振動、高溫等因素,都會帶來永磁材料的退磁。因此,需要進一步研究開發(fā)熱穩(wěn)定性更高的永磁材料,同時,對各種不同結(jié)構(gòu)型式的抗去磁能力應(yīng)做更加深入的分析。

　　控制技術(shù)的問題。受限于高壓防爆變頻器的發(fā)展,目前在煤礦井下應(yīng)用的永磁驅(qū)動系統(tǒng),電壓等級均為3.3kV及以下。高壓變頻器的發(fā)展主要受限于IGBT等高耐壓大電流電力電子器件的發(fā)展,變頻器在開關(guān)頻率、載流能力、耐壓等級、散熱等方面有所提升均取決于功率器件的發(fā)展。除此之外,還須通過優(yōu)化控制算法、改變整流方式、優(yōu)化拓撲結(jié)構(gòu),來降低變頻器對電網(wǎng)的污染,進一步提高供電電網(wǎng)的可靠性。

　　5、結(jié)束語

　　隨著永磁材料的不斷發(fā)展及變頻控制技術(shù)的日趨完善,變頻永磁驅(qū)動技術(shù)的推廣使用將更加廣泛。對煤炭行業(yè)而言,變頻器供電的永磁電機直驅(qū)系統(tǒng)必將成為煤礦設(shè)備動力驅(qū)動系統(tǒng)的主流提供者,也必將會帶來部分設(shè)備顛覆性的結(jié)構(gòu)變革,永磁驅(qū)動系統(tǒng)正向著專業(yè)化、高性能化、輕型化、智能化的方向高質(zhì)量發(fā)展。

　　參考文獻：

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