工矿设备中永磁驱动技术的应用

　　摘要：主要对工矿设备常用的几种变频永磁驱动系统的型式、产品结构及优势,进行了简要分析。此外,对已经使用了永磁驱动技术的煤矿设备、工业设备的各组成单元及应用的优缺点进行了分析;最后提出了变频永磁驱动技术存在的问题,简述了变频永磁驱动技术的发展趋势。

　　本文源自石化技术,2020,27(06):359-360.《石化技术》(季刊)创刊于1980年，由北京燕山石油化工有限公司主办。生产与科研相结合，石油化工与精细化工并重，为石化行业科技人员服务。

　　1、概述

　　近年来,随着新型永磁材料磁性能及热稳定性的提高,加之材料价格趋于合理化,永磁电机得到了迅猛发展。基于永磁电动机高效率区间宽,功率因数高的特点,永磁驱动技术的推广应用可有效降低能耗。据相关资料,通常在重量基本相同的情况下,中小型永磁同步电动机相比普通异步电机,效率可提高5%～10%,结合负载特性优化设计的永磁电动机,综合节电率可达25%以上。本文主要对工矿设备常用的几种变频永磁驱动系统的型式、产品结构及优势,进行简要分析。

　　2、目前,永磁驱动应用于煤矿设备的变频系统主要有如下几类

　　2.1 变频器供电的永磁直驱系统

　　变频驱动的永磁直驱系统由高低压防爆变频器和低速大扭矩永磁同步电机组成,两者完全独立,由此组成的驱动系统来直接驱动负载,永磁同步电动机的额定转速一般30～150r/min,此类驱动系统目前应用最为广泛。

　　2.2 永磁直驱变频一体机驱动系统

　　变频永磁直驱一体机驱动系统也是由变频控制单元和低速大扭矩永磁同步电机组成,两者融为了一体,变频器放置在永磁电动机的机壳的侧面或上端。

　　2.3 半直驱变频驱动系统

　　该永磁驱动系统由变频器和永磁减速电机组成,永磁减速电机由中速永磁同步电动机(转速150～300r/min)和一级(或两级)行星减速装置组成,两者通过螺栓连接,减速装置一般采用行星轮系,速比一般在3.0～5.5之间。

　　3、煤矿设备配备永磁驱动系统的应用情况

　　主要对已经成功应用或存在永磁驱动技术应用趋势和可能性的设备加以介绍。

　　3.1 带式输送机用变频器供电的永磁直驱系统

　　带式输送机在煤矿输煤系统中用量最大,设备配套用电动机的数量也是最多的。传统的带式输送机驱动系统一般由防爆三相异步电动机、机械或电气软启动装置、减速单元三部分组成,驱动系统的中间传动效率损失大,很难实现重载起动,系统维护量较大。带式输送机上应用最多的永磁驱动系统为变频器供电的永磁同步电机直驱系统,如图1所示永磁同步电动机与驱动滚筒直接连接,实现动力的直接传递,驱动系统组成简单,传动效率高。

　　图1 带式输送机用永磁直驱系统连接示意图

　　主要有如下优点:

　　1)通过变频控制,可以修改永磁电机的启动曲线,适应于带式输送机的运行工况;2)针对多点驱动的输送机,可以通过主从控制,实现多个驱动点的功率平衡;3)永磁同步电动机启动转矩可设计为额定转矩的2.0倍以上,重载启动性能优良;4)利用永磁同步电动机高效率范围宽、功率因素高的特性,输送机输煤量不均匀时,可长时保证电动机处于高效率状态,综合节能率不低于20%。

　　3.3 刮板机输送机用永磁驱动系统

　　传统的刮板输送机驱动由最早采用的“单速电机+液力耦合器”模式,发展到当前最为常见的采用YBSD型隔爆型双速电机驱动结构。刮板输送机对驱动单元的要求主要有以下几点:

　　1)高启动转矩,一般要克服启动过程中的阻力矩为满载转矩的1.3～1.8倍,双机驱动时的功率不平衡因素也要予以考虑;双速电机驱动的刮板输送机,启动时利用电机的低速档,以实现高启动转矩。2)外形尺寸不宜过大,电动机的安装中心高度不宜大于机头链轮的中心高度;3)电动机应能满足频繁启停的要求,一般要求160kW以下小时空载启动次数不少于75次,400kW以下小时空载启动次数不少于50次,855kW以下小时空载启动次数不少于25次。

　　变频器供电的永磁驱动系统目前在刮板输送机上还没有成熟的应用,但部分产品已出现在试验阶段,由于刮板机链轮的转速一般比较低(<50r/min),虽适宜采用低速大扭矩永磁电机进行直驱,但由于狭小空间限制,而会优先采用带减速装置的半直驱变频永磁驱动系统,如图2所示。

　　图2 刮板输送机用永磁同步减速电机驱动连接示意图

　　采用永磁驱动系统主要有如下优点:

　　1)中间减速装置的传动级数由传统的3～4级减少为1级,可靠性得以提高;2)永磁同步电机额定转速设计范围100～150r/min,启动转矩可设计为额定转矩的2.0倍及以上,可实现刮板输送机的重变载启动,且启动电流远小于传统异步电动机工频启动数值;3)电气保护齐全,有效避免认为的违章操作引起的电动机烧毁的情况。

　　3.4 提升机用永磁驱动系统

　　本文针对现矿井普遍使用的一种典型提升机,其驱动布置如图3所示,对其占地面积比较大,组成单元多,设备维护量大等突出问题。现提出一种永磁内装式提升机的模型如图4,供探讨与改进应用。

　　图3 传统提升机驱动布置

　　图4 永磁内装式提升机

　　永磁内装式提升机是将外转子永磁直驱电机装配于提升机卷筒内部。永磁电机的定子通过支架套装在提升机的主轴上,卷筒的内壁安装永磁体,作为永磁电机的转子,通过转子的旋转实现提升与下放动作。该类型的提升机,结构简单紧凑,基本免维护,是当前永磁驱动型提升机的主要发展方向。

　　4、存在的问题

　　近年来,随着变频控制技术的发展,设计手段的不断提高,永磁同步电动机已经得到了广泛的推广与应用,但是永磁驱动技术仍存在诸多的问题,有待于更深入地研究和探索。永磁材料的不可逆退磁及热稳定性问题。设计或选型不当,使用环境的强振动、高温等因素,都会带来永磁材料的退磁。因此,需要进一步研究开发热稳定性更高的永磁材料,同时,对各种不同结构型式的抗去磁能力应做更加深入的分析。

　　控制技术的问题。受限于高压防爆变频器的发展,目前在煤矿井下应用的永磁驱动系统,电压等级均为3.3kV及以下。高压变频器的发展主要受限于IGBT等高耐压大电流电力电子器件的发展,变频器在开关频率、载流能力、耐压等级、散热等方面有所提升均取决于功率器件的发展。除此之外,还须通过优化控制算法、改变整流方式、优化拓扑结构,来降低变频器对电网的污染,进一步提高供电电网的可靠性。

　　5、结束语

　　随着永磁材料的不断发展及变频控制技术的日趋完善,变频永磁驱动技术的推广使用将更加广泛。对煤炭行业而言,变频器供电的永磁电机直驱系统必将成为煤矿设备动力驱动系统的主流提供者,也必将会带来部分设备颠覆性的结构变革,永磁驱动系统正向着专业化、高性能化、轻型化、智能化的方向高质量发展。

　　参考文献：

　　[1]郝亚锋.田占元,邓增社.直驱永磁电动机在煤矿的应用[J].煤矿机电,2013(4):106-107.

　　[2]巩剑波.变频调速永磁电机在皮带运输机上的应用[J].山西焦煤科技,2011(12):11-13.