综合原料场胶带机永磁电机驱动技术应用

引言
国 内单台功率最大、转矩最高的高压永磁直驱系统 为内蒙古博源新型能源有限公司兴和煤炭循环 经济产业园带宽 2 m 带式输送机驱动系统，运量 5 000 t / h，带 速 4． 5 m / s，采 用 1 台 TBVF-1250 / 60YC( 6000) 永磁直驱系统，单机额定功率 1 250 kW、额定电压 6 kV、额定转矩 170 kN·m。电机 成本不是单一产品成本，而是生产、运行及维护 等综合成本。在总体使用周期中，电费支出是采 购支出的 100 倍左右。目前，全国近 60% 电机工 作在额定负荷 70% 以下，即工作处于轻载区，效 率低，导致高达 30% 的用电被浪费。为此，本文 基于永磁直驱系统构成及驱动原理，分析永磁电 机性能，对当前主流的永磁直驱系统、CST /调速 液耦系统及异步变频系统的性能进行对比分析， 得出永磁同步电机节能率高的结论。中冶东方 工程技术有限公司在 EPC 总承包山钢综合原料 场项目中，在国内首次大规模将大功率永磁电机 节能技术应用于钢铁企业综合原料场，节能降耗 效果显著。

系统构成及驱动原理
永磁直驱系统由永磁同步变频电机、伺服控 制器和负载构成。永磁同步电机最本质特征是 采用逻辑电路和功率开关线路共同组成的电子 换相器，它把直流电逆变成交流电并按一定的次 序通入电机的定子绕组中以产生与定子磁场正 交的转子磁场; 其永磁体由稀土永磁材料钕铁硼 做成，取代电励磁，无励磁损耗; 转子无绕组，无 转子铜耗和铁耗，因此，效率比异步电机和电励 磁同步电机高; 高性能钕铁硼稀土永磁材料具有 很高的磁能积，其剩余磁感应强度、矫顽力都较 大，用较少钕铁硼永磁体就能产生足够电机磁能 积，因此电机体积、尺寸大为减小。数据表明， 永磁同步电机效率比同容量异步电机提高 3% ～ 12% ，且在体积和最高工作转速与异步电动机相 同 的 情 况 下，输出功率也高出 10% ～ 20%。

永磁电机性能分析
永磁电机采用模块化定子，即采用可拼装式 定子 结 构，提高定子冲片空间利用度 20% ～ 30% ; 采用模块化转子，即设计了可拆装的挂极 式永磁转子结构，有效控制了漏磁，节省硅钢片 达 10% ，降低了生产成本; 采用新装配工艺，即提 出磁钢装配和电机导向总装配工艺，解决了磁钢 吸力易衰减、电机总装存在的吸偏、装配精度低 等问题，降低了电机制造难度，提高了生产效率。 山东欧瑞安电气有限公司研制出最大额定功率 1 600 kW、扭矩 230 kN·m 的永磁电机，采用环 氧树脂真空灌封工艺，即发明了电机定子绕组的 环氧树脂浇注工艺，大幅度提高了散热能力，平 均温升降低了 40% ，整机温度分布更均匀，降低 了永磁材料高温失磁风险; 采用多场耦合优化设 计方法，即提出了永磁电机电磁 － 温度 － 应力多 场耦合优化设计方法，开发了专用设计软件，解 决了永磁电机可能产生的高温失磁问题。

( 1) 系统结构简单、高效节能。永磁同步电 机直连负载，无需减速机、机械软起装置，简化了 传动系统结构; 永磁直驱系统传动效率不低于 93% ，与传统异步电机驱动系统相比，节能效果 可达 15% ～ 25% 。
( 2) 起动转矩大，过载能力强。软起性能优 良，实现平滑软起动，减小对负载设备的机械冲 击; 起动转矩大，可达额定转矩的 2． 2 倍，短时过 载转矩达 2 倍额定转矩; 调速性能优良，可根据 负载自动调速，降低电能消耗、延长负载设备寿 命。
( 3) 安全可靠，维护简单。永磁同步电机采 用变频矢量控制，避免了电机启动时瞬间大电流 给电网带来的冲击，降低故障率; 可靠软起动，避 免了转矩瞬时剧增给传动系统带来的机械冲击， 降低故障率; 取消减速机、机械软启动装置，减少 了故障点，降低了维护成本; 永磁电机维护量极 小，只需每运行 3 000 h( 约 6 个月) 为轴承注油即可。
( 4) 智能化控制。永磁同步电机具有完善的 保护功能，支持 ModBus、DP、以太网、光纤多种通 信协议 /接口，具备通信功能，实现在线监测; 主 多机驱动通过从控制可实现功率不平衡率不大 于 3% ，具备功率平衡能力; 具有数据存储功能， 可保存最近一年的运行数据，便于了解负载历史 工作情况。

永磁驱动系统性能对比
目前主要电机驱动系统有永磁直驱系统、 CST /调速液耦系统及异步变频系统，三者控制、 启动、停机及节能等性能均有所差别。
( 1) 永磁直驱系统控制通过电气参数和 CPU 运算，结合专用软件功能，实现对速度和转矩的 精确、快 速 控 制，精 度 远 高 于 CST /调 速 液 耦 系 统; 通过电流与速度闭环，实现系统双闭环控制， 恒定输出大转矩; 通过通信方式，实现主从控制， 达到多台电机功率平衡; 启动方式为调节频率， 实现软起、软停和过程控制，可根据负载进行速 度调节，过载能力强; 停机方式有自由停机、变频 停机，实现软停机，解决下运及紧急停机问题，并 将多余能量回馈到电网。永磁直驱系统技术指 标先进性见表 1，表中国外同类厂家是指奥斯瓦 尔德和西门子的永磁直驱系统。
( 2) CST /调速液耦系统通过改变油膜间距 调节输出力矩，实现开环控制; 靠液压传递力矩， 增加了中间环节，精度与效率较低; 运行速度比 变 频 器 慢，变 频 器 是 ms 级，CST /调 速 液 耦 为 s 级; 液压油经常需停车更换，造成设备运行时间 缩短; 启动方式为通过调节油膜间距软起动，不 能实现过程控制; 停机方式不是实际意义上的软 停，同液力耦合器软起，下 运 时 重 载 停 车 须 用 CSB( 进口软停) 实现软停，将能量消耗在油中。
( 3) 异步变频系统通过电气参数和 CPU 运 算，实现速度快速控制，精度较高; 采用普通 V /F 控制，无法在低速区提供足够的扭矩输出; 通过 通信方式，实现主从控制，达到多台电机功率平 衡，但配合机械软起或连接设备，易造成不同步; 启动方式为调节频率，实现软起、软停和过程控 制，可根据负载进行速度调节，但无法在过载情 况下启动; 停机方式有自由停机和变频停机两 种，真正意义上实现软停机。

结语
随着物料储运的不断规模化、综合化，以及 综合原料场的大型化、智能化，环保节能技术逐 渐为行业共识，物料输送胶带机系统远距离、大 运量、大功率成为主流发展趋势，永磁电机驱动 系统将在此领域广泛应用。实践表明:
( 1) 永磁 电机驱动系统比同容量传统 CST /调速液耦系统 和异步变频系统效率提高 3% ～ 12% ，且在体积 和最高工作转速与异步电动机相同情况下，输出 功率也高出 10% ～ 20% 。
( 2) 在输送物料能力 和其他设备参数相同的条件下，永磁电机驱动系 统明显比传统 CST /调速液耦系统和异步变频系 统节能，节能率可达 20． 62% ，节能降耗优势显 著，其市场前景广阔。