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高压永磁同步变频一体机在煤矿皮带机中的应用 逯倩倩

发布时间：2021-09-17T06:13:31.149Z 来源：《中国科技人才》2021年第16期 作者： 逯倩倩

[导读] 永磁同步变频一体机作为一种全新概念的永磁电动机形式，将电动机与变频器一体化设计，节省了励磁电流减速器，液力耦合等装

置，具有高效、节能、环保、安全的特点。

山东能源重装集团鲁南装备制造有限公司 山东省泰安市 271222

摘要：永磁同步变频一体机作为一种全新概念的永磁电动机形式，将电动机与变频器一体化设计，节省了励磁电流减速器，液力耦合

等装置，具有高效、节能、环保、安全的特点。本文分析了永磁同步变频一体机技术的优势，改造方案及实施效益，该方案对于煤矿井下

推广技术应用具有借鉴意义，能创造巨大的社会效益。

关键词：皮带输送机；永磁同步变频一体机；高压；煤矿井下

引言

随着变频调速技术的发展，高效传动的永磁同步变频调速技术得到推广，加之新材料、新技术的不断应用，使得煤矿井下变频器的散

热技术日趋成熟。因此，地面上常用的高压变频器只要采取切实可行的安全技术措施，用于煤矿井下爆炸危险环境是可行的。根据我国煤

炭工业的现状和发展趋势，将高压变频技术和永磁体新材料应用于煤矿井下成为未来发展趋势。

皮带机主要以输送带、滚筒、制动装置、支承装置、驱动装置等部分构成，具有输送量大、结构简单、维修方 便的特点，被广泛应用

于矿山、煤炭行业，成为输送制 造产业的重点建设对象。在煤炭运输过程中，对地面坡度、运输方式具有严格的要求，皮带运输机作为连

续运输货 物的机械工具，可为矿井采掘提供快速、便捷的产业效益，对煤矿资源的开采工作具有积极推动作用。

1永磁直驱变频电机基本原理

永磁直驱电动机与三相异步电动机结构基本相同，只是将异步机定子的三相对称绕组用汝铁硼永磁体（常用的N35SH、N38UH）替

代，依靠定子线圈在气隙中产生旋转磁场与转子上永磁体的相互作用，带动转子同步旋转。根据负载的额定转速来确定电机的级对数，通

过控制变频器的磁通矢量来控制永磁直驱电机启动转速，从而实现永磁直驱电机低转速、高转矩特性，利用这个特性来取代传统中间机械

的传动作用，提高机械传动效率、消除转差损耗、减小启动电流，起到节能降耗的效果。

2. 皮带机应用现状

目前矿井下皮带机集控系统工作流程并不十 分完善，距离实现进一步自动化控制和通信还存 在一定距离。矿井皮带机控制方式不能实

现自动 化和信息化主要受现场总线技术、PLC控制技术、工业以太环网技术、上位机技术、工业组态软件等 技术的影响，因此需要改造电

控系统，完善和优化 现有矿井下皮带机集控。机房管控服务器的重要 环节是将太环网与矿井下皮带集控中心计算机相 连接，以保障重要参

数和控制信号收集与传达。矿井下皮带机集控的创新设计技术的实现需要通 过提高矿井皮带机地面集控控制与运行机制，这 样既能提高皮

带运行的安全可靠性，又能实现皮 带的远程自动化控制，精简机集控操作人员数量，提升生产效益。

3永磁同步一体机的优势

将永磁电动机与变频器组合成的一体机的方案，兼顾永磁电机的优势和变频器的控制，并同滚筒等装置整体集成于一体，同传统的异

步电机和减速器，联轴器的结构，具有以下技术优势：（1）一体机使电缆线长度降低，将变频装置和电机分离布置的方式存在长距离供电

电缆形成的分布电感和分布电容，变频器输出高频信号时，对感抗高的电机绝缘寿命有不利影响，一体化后，避免了电压震荡过高，解决

了电磁干扰的问题。（2）一体机基于原来供电系统，整体结构布置紧凑，原先机壳部分空间充足，供电系统无需改造，简单易用，容易实

现对原先的驱动方式的无缝替代；对关键电子器件进行电磁屏蔽，将易受干扰的信号转化成光信号，利用光纤进行传递，此外使用叠层母

排配线技术，比传统产品体积更小，可以节省安装空间。（3）永磁同步变频一体机采用新材料、新技术，有着更高的传输效率，建立气隙

磁场不需要励磁电流，消除了转子中间环节造成的铜耗和铁耗，其整体结构紧凑，受负载影响小，功率因数高和经济运行范围宽等特点。

4 高压永磁直驱电机在国内外煤矿井下的运用现况

目前国内煤矿井下所使用的永磁直驱电机电压均为660V或1140V供电系统，主要原因为一方面受井下条件限制，低压供电相较高压供

电安全性较高，对设备的绝缘要求较低；另一方面采用变频启动方式，目前国内尚无成熟的防爆高压变频装置，限制了高压永磁电机在煤

矿井下的推广应用。

国外煤矿井下同类设备多采用高压供电系统，高压供电相较低压供电有非常明显的优势：一方面使设备电流大大降低，电能损耗少，

提高了供电效率；另一方面使设备的选型及井下供电系统与地面保护的匹配更加合理，提高了供电系统的可靠性。故今后随着井下供电控

制系统新装备与新技术的不断出现，井下电气设备的高压供电将是井下供电的发展趋势，高压永磁变频直驱系统将更广泛应用于煤矿井下

机械设备的生产中。

5永磁同步变频一体机与传统驱动形式投资收益分析

永磁同步变频一体机在理想状态下功率能够达到100%，在实际生产运行中其功率也在90%以上。传统的皮带机驱动电机往往留有比较

大的余量，根据皮带输送机运行数据总结得出，皮带输送机长期工作于满电压和满速的阶段，大部分电能被无用功率消耗，电机平均运行

功率为额定功率的50%左右。采用变频器驱动可以减少一半的沿线热损耗。即将整个系统的供电效率提高到95%左右，节省5%的电能。永

磁驱动启动转矩大，且调速区间大，很好地弥补这方面的缺陷。采用永磁同步变频一体机驱动省掉了液力耦合器、减速箱等中间环节。此

类调速设备的运行效率在0.85~0.97之间。越是频繁启动或者低速运行的场合，传递效率越低。这类驱动方式的平均工作效率为90%左右。

折算掉变频器的自身损耗，采用变频器驱动比液力耦合器等其他驱动方式节省电能8%左右。

变频器启动电机时无冲击电流，降低冲击电流损耗，实现启动时节能。电机工频启动时有5~7倍的冲击电流，这部分电流是电机发热而

无功率输出。启动次数越多，冲击电流损耗越大。根据经验值，变频驱动在启动时可以节省3%的电能。

皮带输送机运行时的变频调速，减少空载损耗，实现调速节能。皮带输送机在空转时也消耗电能，一般空转损耗占额定功率的

20%~30%左右。这部分损耗可以通过变频调试降低皮带输送机的速度来降低。皮带输送机采用变频调速驱动时平均运行速度为额定速度的

90%左右，即变频调速可以减少10%的空载损耗。综上所述，变频调速运行时总的损耗可以减少：Px（20%~30%）x10%=

（0.02P~0.03P）。即采用变频调速时胶带输送机可节省（2%~3%）的电能。

高压永磁同步变频一体机与原传动系统的相比，大大提高了自动化水平、负载启动性能及系统效率，减少了设备磨损，节省了维修成

本，节约了人力、物力，运行安全可靠，运行成本低，具有广阔的推广应用前景。

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