工礦設備中永磁驅動技術的應用

　　摘要：主要對工礦設備常用的幾種變頻永磁驅動系統的型式、產品結構及優勢,進行了簡要分析。此外,對已經使用了永磁驅動技術的煤礦設備、工業設備的各組成單元及應用的優缺點進行了分析;最后提出了變頻永磁驅動技術存在的問題,簡述了變頻永磁驅動技術的發展趨勢。

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

　　1、概述

　　近年來,隨著新型永磁材料磁性能及熱穩定性的提高,加之材料價格趨于合理化,永磁電機得到了迅猛發展?；谟来烹妱訖C高效率區間寬,功率因數高的特點,永磁驅動技術的推廣應用可有效降低能耗。據相關資料,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%,結合負載特性優化設計的永磁電動機,綜合節電率可達25%以上。本文主要對工礦設備常用的幾種變頻永磁驅動系統的型式、產品結構及優勢,進行簡要分析。

　　2、目前,永磁驅動應用于煤礦設備的變頻系統主要有如下幾類

　　2.1 變頻器供電的永磁直驅系統

　　變頻驅動的永磁直驅系統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,由此組成的驅動系統來直接驅動負載,永磁同步電動機的額定轉速一般30～150r/min,此類驅動系統目前應用最為廣泛。

　　2.2 永磁直驅變頻一體機驅動系統

　　變頻永磁直驅一體機驅動系統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面或上端。

　　2.3 半直驅變頻驅動系統

　　該永磁驅動系統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、煤礦設備配備永磁驅動系統的應用情況

　　主要對已經成功應用或存在永磁驅動技術應用趨勢和可能性的設備加以介紹。

　　3.1 帶式輸送機用變頻器供電的永磁直驅系統

　　帶式輸送機在煤礦輸煤系統中用量最大,設備配套用電動機的數量也是最多的。傳統的帶式輸送機驅動系統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,驅動系統的中間傳動效率損失大,很難實現重載起動,系統維護量較大。帶式輸送機上應用最多的永磁驅動系統為變頻器供電的永磁同步電機直驅系統,如圖1所示永磁同步電動機與驅動滾筒直接連接,實現動力的直接傳遞,驅動系統組成簡單,傳動效率高。

　　圖1 帶式輸送機用永磁直驅系統連接示意圖

　　主要有如下優點:

　　1)通過變頻控制,可以修改永磁電機的啟動曲線,適應于帶式輸送機的運行工況;2)針對多點驅動的輸送機,可以通過主從控制,實現多個驅動點的功率平衡;3)永磁同步電動機啟動轉矩可設計為額定轉矩的2.0倍以上,重載啟動性能優良;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,綜合節能率不低于20%。

　　3.3 刮板機輸送機用永磁驅動系統

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

　　1)高啟動轉矩,一般要克服啟動過程中的阻力矩為滿載轉矩的1.3～1.8倍,雙機驅動時的功率不平衡因素也要予以考慮;雙速電機驅動的刮板輸送機,啟動時利用電機的低速檔,以實現高啟動轉矩。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不少于75次,400kW以下小時空載啟動次數不少于50次,855kW以下小時空載啟動次數不少于25次。

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

　　圖2 刮板輸送機用永磁同步減速電機驅動連接示意圖

　　采用永磁驅動系統主要有如下優點:

　　1)中間減速裝置的傳動級數由傳統的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速設計范圍100～150r/min,啟動轉矩可設計為額定轉矩的2.0倍及以上,可實現刮板輸送機的重變載啟動,且啟動電流遠小于傳統異步電動機工頻啟動數值;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 提升機用永磁驅動系統

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

　　圖3 傳統提升機驅動布置

　　圖4 永磁內裝式提升機

　　永磁內裝式提升機是將外轉子永磁直驅電機裝配于提升機卷筒內部。永磁電機的定子通過支架套裝在提升機的主軸上,卷筒的內壁安裝永磁體,作為永磁電機的轉子,通過轉子的旋轉實現提升與下放動作。該類型的提升機,結構簡單緊湊,基本免維護,是當前永磁驅動型提升機的主要發展方向。

　　4、存在的問題

　　近年來,隨著變頻控制技術的發展,設計手段的不斷提高,永磁同步電動機已經得到了廣泛的推廣與應用,但是永磁驅動技術仍存在諸多的問題,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定性問題。設計或選型不當,使用環境的強振動、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熱穩定性更高的永磁材料,同時,對各種不同結構型式的抗去磁能力應做更加深入的分析。

　　控制技術的問題。受限于高壓防爆變頻器的發展,目前在煤礦井下應用的永磁驅動系統,電壓等級均為3.3kV及以下。高壓變頻器的發展主要受限于IGBT等高耐壓大電流電力電子器件的發展,變頻器在開關頻率、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展。除此之外,還須通過優化控制算法、改變整流方式、優化拓撲結構,來降低變頻器對電網的污染,進一步提高供電電網的可靠性。

　　5、結束語

　　隨著永磁材料的不斷發展及變頻控制技術的日趨完善,變頻永磁驅動技術的推廣使用將更加廣泛。對煤炭行業而言,變頻器供電的永磁電機直驅系統必將成為煤礦設備動力驅動系統的主流提供者,也必將會帶來部分設備顛覆性的結構變革,永磁驅動系統正向著專業化、高性能化、輕型化、智能化的方向高質量發展。

　　參考文獻：

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