刮板输送机永磁同步一体机驱动的应用研究

周建平

（山西王家岭煤业有限公司王家岭煤矿，山西 忻州 036600）

1 工程概况

晋能控股煤业集团王家岭煤矿18106 工作面现场配置刮板输送机型号为SGZ1250/3×1200，基本参数如下：供货长度320 m；输送量≥3500 t/h；总装机功率3×1200 kW；刮板链速0～2.0 m/s；供电电压3300 V；槽内宽1250 mm；中部槽长度2050 mm，刮板链规格为Φ52/128×170 mm 超扁平链；销轨型式为整体锻造（节距172 mm）；卸载方式为交叉侧卸；紧链方式为液压马达紧链+伸缩机尾辅助紧链（手动加自动）。

18106 工作面SGZ1250/3×1200 型刮板输送机2021 年2 月前采用传统的普通鼠笼式电机+液力耦合器+减速器的传统驱动方式。耦合器采用阀控型液力耦合器，其主要结构如图1。该驱动方式启动后电机一直维持在一个恒定的速度运转，基本不随负载的变化而变化。因此，该传统驱动系统在实践应用中存在传动效率低、能耗高、电流大、发热高、存在无功功率、网侧功率因素低等问题，对驱动系统进行永磁同步变频一体机的优化改进[1-2]。

图1 阀控型液力耦合器结构示意图

2 方案设计

2.1 系统配置

18106 工作面刮板运输机使用3 台1200 kW/3300 V 矿用隔爆兼本质安全型永磁同步变频一体机驱动，永磁变频一体机均由一根3300 V 主动力电缆供电，整个运输系统可通过KXJ-0.5/127 智能控制箱实现多台设备主从控制运行，驱动系统如图2。

图2 永磁同步变频一体机智能驱动系统示意图

2.2 系统供电

变频一体机供电可通过组合开关或由3300 V 移动变电站直接供电，每台一体机供电仅需一根输入电缆即可，电源侧输入电缆推荐选用MVFP-1.9/3.3 3×95+3×50/3 型变频装置用橡套软电缆。

2.3 设计方案配置明细

刮板输送机永磁同步变频一体机智能驱动系统设计方案设备配置明细见表1。

表1 设备配置明细表

2.4 变频一体机设备选型

根 据18106 工 作 面SGZ1250/3×1200 型 刮 板输送机的工作现场实况，选用TYJVFT1-450M4-6（1200/3300）型矿用隔爆兼本质安全型高压永磁同步变频调速一体机，完全适用于1200 kW 功率范围及以下三相永磁同步电动机的变频调速控制。

2.4.1 技术参数

外 形 尺 寸 长× 宽× 高=2522 mm×950 mm×1220 mm；组合形式为驱动变频器及永磁电机一体化设计；电动机类型为三相永磁同步电动机；额定功率1200 kW；额定效率≥95%；功率因数≥0.95；额定转速1500 r/min；最大转速1800 r/min；电机额定扭矩7640 N·m；堵转转矩/额定转矩≥2.5；最大转矩/额定转矩≥2.2；额定输入电压3AC3300V（-15%～+10%）；额定输入电流228 A；输入频率50 Hz；逆变形式及逆变元件为PWM、IGBT；控制模块为西门子/倍福PLC 等同品质产品；变频主拓扑结构为三电平拓扑；通信接口为CAN总线。

2.4.2 结构特征

该变频一体机外形分为电动机部分和变频部分。电动机为单独的隔爆腔体，变频部分又分为变频主腔和电源输入腔两个独立的隔爆腔体。变频主隔爆腔位于电动机上部，电源输入腔安装于电动机非驱动端。动力电缆通过电缆连接器引入，控制电由内部控制变压器提供，不需要外部供电。冷却方式为水冷，永磁同步电动机与变频主腔均有独立的冷却水道，通过软管连接形成整体冷却。一体机冷却水进水口在变频部分的水冷板上，出水口在电动机上。

变频一体机电气系统主要由变频部分和电动机部分组成，其中变频部分又由主电路、控制单元、驱动单元、显示屏等组成，如图3。

图3 电气系统结构示意图

该变频一体机采用矿用隔爆兼本质安全型可编程控制箱。变频一体机控制箱技术参数：长×宽×高=740 mm×330 mm×538 mm；卧装或挂装；额定输入电压127 VAC ；额定输入电流0.5 A。一体机控制箱可控制不少于10 台一体机的启停及速度，控制方式采用CAN 总线通信控制加先导控制模式。一体机控制箱可实现对一体机的控制模式选择、速度调整、启动加速度调整、停机、驱动电机数目并脱机控制的功能。控制箱具备RS485 硬件接口和以太网接口，可实现数据上传及远程控制功能。一体机控制箱具备的检测及保护功能：通过通信读取每台一体机的绕组、前后轴、腔室温度、腔室湿度等，实现保护功能且保护值可设定。

2.4.3 变频一体机冷却

一体机采用水冷进行散热，一体机有左右两侧对称的进出水口，根据电机的安装形式可以将变频部分一侧作为进水口，另一侧与电机一侧进出水口相连，作为电机进水口，剩余为出水口，一体机应从变频部分进水电机出水。一体机单台冷却要求：流量≥3 m³/h、水温15～40 ℃、水压≤3 MPa。进出水口如图4。

图4 变频一体机冷却系统示意图

3 应用效果分析

18106 工作面SGZ1250/3×1200 型刮板输送机于2021 年3 月完成了永磁同步一体机驱动的升级改造后，投入到了实践应用当中，应用情况如下：

（1）重载启动性能好

永磁同步一体机驱动的应用可实现SGZ1250/3×1200 型刮板输送机重载调速启动，减少机械和电气冲击，延长设备使用寿命。永磁变频一体机零速启动转矩更大，重载启动条件下有效降低启动电流（2 倍额定电流以内），减少设备启动对网侧的压降影响，提升系统供电效率。

（2）结构紧凑，拆装快捷，安装及改造周期短

永磁同步一体机驱动系统配置简单，布置空间小，拆装快捷，安装及改造周期短。对比传统驱动方式，每台电机接线省去一根动力电缆，降低成本及工人维护量。

（3）生命周期长

异步电机转子磁场通过交变电流产生，形成转子热源；永磁体转子无电流，不产生热源，轴承温度低、寿命长。通过试验数据对比分析，700 kW永磁一体机满载情况下，轴承温升较异步一体机低40～50 ℃。永磁一体机轴承温升优势明显，作为电机的关键器件，电机转子和轴承温升低会显著延长电机的生命周期。

（4）远距离供电的最佳解决方案

煤矿工作面远距离供电供液将成为现场机电设备发展的趋势之一，一是为减少甚至取消设备列车使用，二是实现供电设备的静态放置，有利于检修和维护。同时，矿井底板压力比较大的工作面，远距离供电供液已成为必要的选择。

常规变频器远距离供电受两方面制约：① 变频器自身输出距离存在限制，目前尚不能实现5000 m（1140 V 产品为1500 m）以上供电距离；② 变频输出电源为高频PWM 波形，即便通过各种谐波抑制措施，仍会存在不同程度的电磁干扰，影响第三方系统正常使用。

变频一体机远距离供电的优势：① 不需考虑远距离供电的压降因素，一体机启动时，前级供电电缆电流很小，不会产生明显的压降；② 完全消除了电磁干扰影响，且对远距离供电电缆无特殊要求。

（5）满足未来升级需要

永磁同步一体机驱动系统除本身自带的标准以太网、CAN 等通信接口外，同时具备DDS 智慧矿山标准通信接口。能够满足煤矿后期智能化升级改造的需求。

4 节能效益分析

SGZ1250/3×1200 型刮板输送机按每天运行20 h 计算，平均有功功率占70%，永磁同步一体机驱动总的电能节省率为25%。经计算，该设备每天节约电能为12 600 kW·h，每年可节约电能4.536×106kW·h，即每年能节约电费约270 万元。对比永磁同步一体机驱动改造之前，SGZ1250/3×1200 型刮板输送机设备的维护、冲击、磨损以及人工成本每年可节约20 万元左右。永磁同步一体机驱动的改造研究，每年可为企业创造经济效益约290 万元，经济效益显著。