永磁同步变频电动滚筒在主煤流系统带式输送机上的应用

尹梦哲

(河南永锦能源有限公司云盖山煤矿二矿，河南 禹州 452570)

1 传统滚筒驱动系统应用现状

在所使用的传统带式输送系统中，滚筒驱动装置涉及滚筒、减速器、异步电机。内置电动滚筒能够在滚筒中安装减速器以及异步电动机，其具有良好的封闭性，可将其用于潮湿环境和井下粉尘环境中。但内置电动滚筒输出功率较大，存在散热大等问题，无论采用风冷或自然冷方式散热，其效果均不明显，因此会使电机绕组温度较高，出现过热故障问题。对于该问题一般采取大马拉小车的方式。此外，减速机结构相对复杂，成本高，无论在设备投产初期或后期设备运行维护中，其需要花费的成本和工作量是比较大的，会从一定程度上提升煤矿生产企业的运营成本，提高员工工作强度。带式输送机其滚筒需要按照最大负荷进行设计，但正常运行条件下设备很少能够达到额定负载，在处于轻载或空载条件下，但设备运行功率为30%额定功率，其运行不符合国家节能减排相关要求。

图1 风冷电动滚筒

图2 自然冷电动滚筒

2 永磁同步电动滚筒运行原理及优势

为有效改善传统带式输送机在运行中存在的问题，减少设备运行中的能耗，很多煤矿生产企业目前推出了新的产品和技术，即永磁直驱系统。它能够对带式输送机进行直驱改造，是由变频控制器与永磁同步电动滚筒构成的。从其系统运行原理来看，相对感应电动机来说，该设备基本不存在转子电阻损耗。因此，该设备的总损耗相比传统带式输送机有显著降低，并且减少风扇等设备的损耗，相对应同规格感应电动机来说，其功率能够提升10%。除此之外，在额定负载达25%～120%条件下，在运行永磁同步电动机时，由于其具有良好的运行效率和较高功率因数，因此在空载或轻载条件下节能效果相对明显。比如驱动系统其主要采用的控制系统型号为PLC，可将其作为上位机，具体涉及模拟量输出和模拟量输入，即给定电机速度和电机轴承绕组温度等，其所采集的信息能够通过485通信系统将其传递至显示屏中，变频器能够利用电机轴承的编码器进行速度信息快速采集，同时采用闭环矢量控制模式，能够稳定运行电机并使其快速达到稳定转速，进而有效保护电机过欠压，过载，短路等相关问题。根据皮带机机尾滚筒运行要求和永磁同步电动机的性能优势，将原有异步电动机进行优化，改进经过减速机驱动，将其优化为外转子低转速同步电机连接驱动模式，相对原有的系统来说经过优化改进之后，主煤流系统其驱动方式能够省略减速箱等相关传动装置的设置，并且用永磁同步电机来代替异步电机，即可满足代式输送要求，进一步满足高扭矩和低转速的传统需求。对于主煤流驱动系统来说其具备特点如下：第一，具有良好的系统运行效率；第二，具有良好的系统调节性能和控制性能；第三，能够有效减少系统的内部元部键，以减少后续系统维护量以及停运时间；第四，安装相对便捷；第五，具有较高的系统运行可靠性，能够延长系统使用寿命；第六，可缩短系统的起停时间，减小起停电流和配电电容量；第七，能够有效设定和调节系统的运行模式及启动模式，以满足不同运行条件和启动条件相关要求。除此之外，采用该主流煤流驱动系统能够缩短在井下电动滚筒轴向长度，进一步能够用于一些空间狭小的井下位置中，相对含减速箱的感应电动机来说，整体电机重量有所减轻，钻井内可镶嵌转子励磁是通过永磁材料为其提供的，即由电网吸收粒子电流较小。基于此，相比相同转速异步电机来说，该永磁电机具有较高的功率因数，从一定程度上来看，其系统在运行时所需电源容量和变频器容量较小，相比相同转速同步电机能够有效减少转子励磁调节器和华还，且无励磁损耗。

比如某煤矿将原有带式输送机驱动装置进行拆除，具体涉及联轴节，减速机，异步电动机和胶带滚筒，在原有位置可适当增加垫片部件，重新进行尺寸调整和优化安装，即可改造永磁同步电动滚筒。同时，将配套的变频柜安装在滚筒附近，整体改造流程相对简单，经过改造之后的永磁同步电动滚筒可优化原有的减速机，联轴节，异步电动机将其整合为驱动组，减少空间设计，能够有效简化原有驱动系统的连接方式，具有较大节能优势和经济价值。如下图3所示为经改造后的驱动系统结构示意图。

图3 经改造后的驱动系统结构示意图

经过改造之后，该系统额定电流和额定电压分别为37 A和380 V，额定功率大小为16.7 Hz，运行效率达92%，功率因数为0.98，该设备成本为7万元。变频器采用矢量控制的方式，其成本为1.5万元。安装设备后在室温条件下用500 vm欧姆表进行电机绝缘电阻的测量。在具体测量中，相间电阻和对地电阻分别为500 MΩ，在设备运行时，变频柜中的各个连接线和仪表源部件可实现正常运行。设备在处于负载运行时，经2 h运行后，该设备的输出电压，噪声，振动，转速等指标可满足设备运行相关要求。在处于负载运行过程中，变频器给定频率达到16 Hz，滚筒转速为50 r/min，基本能够实现煤矿企业带式输送机材料运输需求。对比改造前后带式输送机，在负载运行过程中的输出电流可以发现，经过改造之后，其负载过程中输出电流可降低至14 A，电流降低率达30%，所改造的永磁同步电动机驱动系统进行简化设计，省略减速机等设备的安装，每年能够帮助煤矿企业节约减速机，联轴节等设备维护费用达1万元。

3 永磁同步电动滚筒在主煤流系统中的应用价值分析

对于永磁同步电动滚筒来说，可将其用于不同类型主煤流系统的带式输送机尾中，从国内应用情况来看，可以说该系统为国内首创，相比传统的驱动功能来说，具有较高的运行稳定性，且能够缩小系统停运时间和维护量，需要提升市场竞争力。同时该带式输送机采用的是变频调速的方式，具有良好节能效果。在一些大型煤矿进行推广使用之后，获得了实验数据，可将该设备广泛推广于全国范围，在煤矿行业中具有较大的推广意义。通过对永磁同步变频电动滚筒进行节能效果分析，该系统能够简化传统带式输送机的元部件和机械装置，可进一步提升系统运行的可靠性，稳定性，具有良好的社会经济等综合效益。比如对于日产量达到5000 t的煤矿来说，如果煤矿停产一天需损耗成本达100万元以上，对电动滚筒的驱动系统进行改造后，能够实现维护减少。由于设备维护使煤矿出现停运的时间，尽可能减少煤矿由于停产导致的经济损失，同时该驱动系统在使用过程中维护费用较少，基本能够实现一次投入终身受益的目标。目前，永磁同步变频电动滚筒的带式输送机及驱动装置，运输距离以及输送量功率显著提高，并且更多场合运用了电动滚筒，其运行效率达90%以上，在处于空载或轻载运行时电能为机械能损耗，具有良好的节能效果。

4 总结

总而言之，相比传统驱动系统来说，经改造后的永磁同步变频电动滚筒其驱动系统利用高频率，永磁同步电动滚筒以及变频调速的方式具有良好节能效果。随着目前煤矿资源整合，大、中型煤矿需进行机械化改造，其对于长距离和大功率带式输送机具有较大的需求量，因此整体来看，永磁同步电动滚筒具有良好的市场发展前景。