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黄白茨煤矿带式输送机永磁同步变频调速一体机的应用

2023-10-27 73 上传者：管理员

摘要：为有效解决矿井带式输送机重载情况下启动困难、传动效率低、维护费用高、人工劳动强度大等问题，黄白茨煤矿选用大功率大扭矩永磁同步变频调速一体机，成功应用于矿井921皮带巷大倾角带式输送机运输系统，实现了带式输送机重载软启、动态调速等功能，保证了带式输送机长时间高效稳定运行，真正达到了节能降耗、安全高效的应用效果。

关键词：
大倾角
永磁变频
节能降耗
节能高效
调速一体机
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1、永磁同步变频调速一体机

1.1 一体机结构组成

采用集约化设计，将变频器、永磁同步电动机集成在体积较小的防爆机壳中，整体结构紧凑，变频器输出直接到电机，有效消除电缆长度对电机绝缘造成的危害。其中，电动机为单独的隔爆腔体，变频部分又分为变频器主腔和电抗腔室，变频器主隔爆腔位于电动机上部，电抗腔室安装于一体机侧面。冷却方式采用外部封闭式循环冷却水系统，使一体机具有良好的散热性能。配置矿用隔爆兼本质安全型可编程控制箱，用于一体机变频器的动态调速控制。

1.2 一体机技术特性

1.2.1 永磁同步电动机特性

永磁同步电动机定子线圈采用99.9%高纯度电解铜聚酰亚胺薄膜烧结线，绕组端部线圈间垫适性材料；定子铁芯经VPI真空压力浸无溶剂漆；绝缘漆采用无溶剂不饱和H级浸渍树脂。电动机转子采用高磁能级和高内禀矫顽力的N38SH钕铁硼烧结永磁体，失重特性满足HAST标准要求。转子为内含永磁磁钢的转子，非鼠笼转子，经高精度校动平衡。整机外壳选用Q345高强度碳素钢，电机轴采用40CrMo高强度合金钢。电动机内部绕组、前后轴承全部预埋的温度检测传感器，提供实时监测保护。

1.2.2 变频器特性

变频器采用模块化结构，主要包括主电路、控制电路、驱动电路、液晶显示屏、冷却装置等部分。主回路采用交—直—交结构，包括整流器、中间直流环节、逆变器。变频器侧面设置液晶显示器，能够实时显示运行转速、温度、电压、电流、故障代码等重要参数。变频器具备欠压保护、过压保护、瞬间过流、接地故障保护、过载保护、电机过温保护等功能，保护性能均符合国家电气设备标准的规定[1]。

1.2.3 冷却系统特性

一体机的变频器和电动机共用外部冷却装置，采用纯净水封闭式循环水冷方式，冷却水通过高压胶管、变频器电抗腔室水道、后端盖水道、水冷板水道、前端盖水道、电动机壳体水道等进行循环流通，有效避免高压电力电子设备中功率器件采用去离子水冷却方式造成的维护困难和维护成本高的弊病，便于在空间狭小、环境恶劣的采煤工作面环境应用[2]，如图1所示。

图1 永磁同步变频调速一体机循环水冷却系统

1.2.4 控制系统特性

变频器控制箱作为一体机运行控制核心，采用CAN总线通讯控制加先导的控制模式；PLC采用德国进口产品组合配置，具备工业以太网接口（TCP/IP协议）；强电与弱电之间通过光纤隔离，母线电压采集和驱动控制信号均采用光纤信号传递，实现连接交换机或其他终端进行数据上传，保证了永磁变频一体机的抗电磁干扰能力。

2、永磁同步变频调速一体机在黄白茨煤矿采区集中运输巷的应用

2.1 黄白茨煤矿

黄白茨矿煤矿采用斜井单水平分煤组石门集中运输大巷开拓，矿井生产格局为一井一面，井田划分为南北两个盘区，盘区上（下）山两翼布置走向长壁综采工作面。921采区集中运输大巷长度700 m，平均倾角9°，局部最大倾角13°。921胶带输送机为9号、10号煤层原煤主运输设备。改造之前，该巷采用带式输送机为DSP100/80/2×250型电动机+减速器+滚筒的传统组合型式，通过2条带式输送机搭接完成原煤运输。带式输送机因使用年限过久，存在机头组架锈蚀严重，传动效率低，拉运能力不足，无法承受重载运输、节能运输等问题。

黄白茨煤矿设计采用DTL120/120/2×355型胶带输送机，选用2台永磁同步变频调速一体机与传动滚筒直连驱动，并按照设计配置安装投入使用[3]。

2.2 应用方案

2.2.1 应用目的

通过新型带式输送机的配置应用，验证设备的耐震、耐热、耐电流冲击能力，验证集中运输系统运行的可靠性、安全性。

2.2.2 应用阶段划分

①运输安装及调试阶段。验证永磁变频一体机是否方便下井及运输。②正常运行阶段。验证永磁变频一体机的带载能力，功率平衡效果，关键点温度、湿度、油压等，验证设备的运行稳定性。

2.2.3 应用概述

改造后的921胶带输送机永磁变频一体机驱动系统通过通讯电缆直接连接至操作台的一体机控制箱，一台控制箱同时可以控制多台永磁变频一体机。一体机控制箱为控制中心，包括永磁变频一体机的运行控制，运行参数设置，数据采集与记录，数据上传等。通过移变给输出1 140 V一体机工作电压，移变容量不低于变频一体机功率的1.25倍，一体机电源电缆截面积选用120 mm2，如图2所示。

图2 921胶带输送机永磁同步变频调速一体机应用系统

2.3 应用效果

2.3.1 运输安装阶段

永磁变频一体机在地面安装蛇形簧联轴器的电机部分，通过副井提升机由地面运输至井下，再经过绞车运至工作面，抵达运输机机头后，根据设备安装设计图纸，按照由里往外、由后往前、由下往上的顺序逐一对接安装。

2.3.2 正常运行阶段

生产阶段，2台永磁同步变频调速一体机同时使用，供电系统、水冷却系统、通讯系统正常运行。

2.3.3 阶段应用结果

一体机运行良好，可以在1.5倍负载下运行，2台一体机功率平衡度高，正常电流相差不超过5 A，大负载时不超过10 A，控制精度、操作复杂度明显优于原传动系统，控制箱界面可以清楚地看到一体机运行情况、状态信息、各关键点温度。

3、应用分析

3.1 应用特性

3.1.1 安全稳定性

2台永磁变频一体机从运输安装到实际生产，经历了井下拖拽、吊装、上电运行、开盖维护等过程，全程未出现安全问题。当电网异常时，一体机有过欠保护行为，重载启动达到转矩上限时触发堵转保护，冷却水供应不足时有功率模块超温保护。井下跟班过程中监测到最高表面温度未超过70℃。当偶尔断水时，一体机模块温度升高到55℃以上触发过温保护，保证一体机温度未升高。

3.1.2 重载启动特性

大倾角带式输送机遇到重载停机、皮带上堆煤有水时，可将一体机最大输出转矩设置为250%额定转矩后，2台一体机同时达到2.5倍启动转矩，运输机正常启动，大大降低了职工的劳动强度[4]。

3.1.3 功率平衡特性

一体机启动后，输出电流和输出转速保持一致，不平衡度小于<2%，如图3所示。

图3 一体机电流平衡情况

3.1.4 远距离供电和低电磁干扰

永磁变频一体机的供电变压器位于附近的变电所，供电距离200 m左右，工作面通讯控制电缆和永磁一体机供电挂在巷道同一侧，未出现干扰通讯控制设备的现象。移动变电站的低压保护箱数据显示及保护功能未受到影响。

4、结论

矿用隔爆兼本质安全型永磁同步变频调速一体机自投入使用以来，运行稳定，具体应用效果如下：

(1）带式输送机采用永磁变频调速一体机改造后，明显减少了驱动部的中间环节，降低了安装成本。一体机投入使用后，未发生过干扰其他设备现象。

(2）保证了带式输送机在轻载和重载情况下平稳启动，启动转矩较大，启动平稳，降低了机械电气冲击和设备磨损，与普通电机相比，降低了运输系统的配件消耗。

(3）实现了功率平衡的控制调节功能，变频一体机使用主从控制方式，实时调节电机电流，在运行过程中2台一体机运行平稳，电流基本一致，解决了以往的电机功率输出不一致问题，避免了1台电机负载过大容易损坏的问题。