永磁变频驱动系统在刮板输送机上的应用

0 引言
驱动系统作为煤矿井下刮板输送机的核心，直 接影响矿井产煤的生产效率。 由于工作中会出现煤 壁片帮、刮板链卡死、落煤量过大等恶劣工况，很容 易导致频繁过载和意外停机，从而引发启车困难、冲 击载荷大、电网冲击大、传动设备易损坏等问题。 传 统的驱动系统通常由异步电机、液力偶合器和减速 器组成，这套系统能耗高、效率低、维护保养繁琐。 若能采用高效节能、输出转矩大、启动平稳的永磁同 步电机，必将促进井下输送设备更加高效稳定地运 行。 永磁同步电机的应用已遍及风电、石化、采矿、 交通运输、家电等各个领域，在煤矿行业中，带式输 送机已经大量采用直驱式永磁同步电机，并取得了 显著的经济效益，但其在刮板输送机上的应用尚属 空白，一些关键的技术性问题亟待解决。

1 永磁同步电机的结构及原理
永磁同步电机主要是由定子、转子两大部分组 成，其结构如图 1 所示。 定子由铁芯、绕组及机壳三 部分组成，转子由转轴、转子支架、永磁体三部分组 成，端盖对电机两端起到固定和保护作用，接线盒用 于连接和固定外部电缆。 一般来说，永磁同步电机 的定子与常用的异步电机非常相似，两者的主要区别 在于转子的结构，永磁同步电机在转子上固定有一定 数量的永磁体磁极代替了异步电机的线圈。
永磁同步电机是以磁场为媒介进行电能和机械 能相互转换的电磁装置。 通过变频器向定子三相对 称绕组通入三相对称电流， 从而在定子绕组中产生 旋转磁场，转子上固定有永磁体，根据磁极的同极相 斥和异极相吸的原理，转子将被带动旋转，最终与定 子绕组中的旋转磁场达到同步。

2 永磁同步变频驱动系统的特性及优势
（1）高效节能、效率高、功率因数大
永磁同步电机的转子是永磁材料，本身具有磁 场，而异步电机的转子是依靠输入电流来励磁，这部 分电流即为无功电流，所以相比异步电机，永磁同步 电机具有更高的功率因数和效率。 更重要的是永磁 同步电机高效工作区域很宽，而刮板输送机很多时 候是在 50% 左右的额定负载下运行。再加上永磁变 频驱动系统去掉了偶合器，综合来看，其效率显著提 高。
（2）启动性能好
通过变频器对三相交流电的频率和电流进行控 制，根据需要可以缓慢增加永磁同步电机的转速，实 现软启动，启动时间长，启动过载倍数达到 2.2 倍， 能满足一般情况的重载启车。 同时，永磁变频驱动 系统启动时，可大幅降低对电网的冲击，减少整个传 动系统的机械冲击。
（3）过载能力强
首先，由于永磁同步电机具有功率密度高、转矩 惯量比大的优点，可在较小体积中实现较大的峰值 转矩，通常可达 3～4 倍（但不能超过链条的破断负 荷），大于异步电机通常的 2.2 倍；其次，由于永磁同 步电机温升慢，可以有更长的过载保护时间，并且有 同步的特性，不会丢转，可以在额定转速下持续输出 最大转矩，以此更快地通过恶劣工况。
（4）变频控制精准
井下采煤时，落煤量波动大，且有夹矸、片帮等 情况，导致刮板输送机的负载极不稳定。 针对这种 工况，当负载频繁变化且变化较大时，永磁变频驱动 系统可以快速响应，通过全矢量算法控制永磁同步 电机持续输出相匹配的转矩和转速，并且精确控制 多套传动系统高效协同。 控制永磁同步电机的变频 器和目前常用的控制异步电机的变频器相比，硬件 基本一致，只是所用软件不同，即控制算法不同，永 磁变频驱动系统通过传感器采集永磁体位置、转速 和转矩等信息，采用全矢量算法，使得控制更加精准。

3 关键技术问题
（1）确定永磁电机及减速器的主要技术参数 受限于永磁电机的结构原理及材料特性， 刮板 输送机若采用直驱形式， 则永磁电机的外形尺寸和 质量过大，以煤矿常用的 1 000 kW 驱动系统为例， 若链轮转速要求在 45 r/min，则电机直径在 准2 m 左 右，质量达 20 t，无法满足井下的狭小空间，因此有 必要增加一级行星减速器，构成一套半直驱永磁驱 动系统。根据原始的异步电机驱动系统的技术参数， 可反推出系统达到同样输出转矩和输出转速时。
（2）判断是否需要设置机械过载保护装置 刮板输送机在运行中遇到链条完全卡停的极端 情况时，对驱动系统的损害主要来自于大转动惯量 的电机转子短时卡停产生的冲击转矩，这与电机是 否断电停止工作无关。
（3）实现紧链功能 刮板输送机经过一段时间的运行， 必须进行紧 链操作才能正常工作， 传统的驱动系统中通常采用 液压马达完成紧链。利用永磁电机可调速的特性，可 缓慢拖动链轮转动，转速约 5 r/min，再利用永磁电 机零速大转矩的特性，依靠电气将链轮制动，最终由 操作工完成紧链。出于安全考虑，还可在转子上额外 加装机械制动装置，达到冗余保护的效果。

4 结语
（1）相对于传统的驱动系统，将永磁变频驱动 系统应用于煤矿井下刮板输送机，可显著提高主机 的生产效率和稳定性，产生很好的经济效益和社会 效益；
（2）经过优化设计，解决了一些关键的技术问题 后，永磁变频驱动系统完全适应刮板输送机的工况， 并且可以达到主机所需的性能要求。