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低速大轉矩永磁直驅傳動系統(tǒng)在礦井提升機上的應用
發(fā)布時間：
2024-03-25
來源：
闡述了礦井提升機異步高速電動機+減速器傳動系統(tǒng)、電勵磁低速直聯(lián)同步電動機傳動系統(tǒng)的結構特點；根據(jù)永磁電動機工作原理，提出了礦井提升機低速直聯(lián)永磁同步變頻驅動傳動系統(tǒng)方案；對比分析了 3 種傳動系統(tǒng)的技術特點。結合項目實際應用，得出結論：低速直聯(lián)永磁同步變頻驅動傳動效率高，維護量小，可靠性高，節(jié)能效果好。
導讀
闡述了礦井提升機異步高速電動機+減速器傳動系統(tǒng)、電勵磁低速直聯(lián)同步電動機傳動系統(tǒng)的結構特點；根據(jù)永磁電動機工作原理，提出了礦井提升機低速直聯(lián)永磁同步變頻驅動傳動系統(tǒng)方案；對比分析了 3 種傳動系統(tǒng)的技術特點。結合項目實際應用，得出結論：低速直聯(lián)永磁同步變頻驅動傳動效率高，維護量小，可靠性高，節(jié)能效果好。
礦井提升機是利用電動機驅動卷筒，卷筒帶動鋼絲繩牽引提升容器，沿井筒或斜坡道進行提升的機械設備。它主要用于提升煤炭、礦石、矸石，下放材料，升降人員和設備，是聯(lián)系礦井井下和地面的“咽喉”設備。傳統(tǒng)的礦井提升機傳動系統(tǒng)效率低，能耗大，維護量大，可靠性差；現(xiàn)急需一種效率高、可靠性高、節(jié)能降耗的傳動系統(tǒng)來滿足礦山節(jié)能減排、綠色生產需求。
1 礦井提升機傳動系統(tǒng)
礦井提升機根據(jù)原理不同，分為單繩纏繞式、多繩摩擦式、多繩纏繞式提升機。纏繞式和摩擦式提升機根據(jù)驅動電動機的類型不同，其傳動系統(tǒng)可分為以下兩種。
1.1 異步高速電動機+減速器傳動系統(tǒng)
礦井提升機采用異步高速電動機時，其傳動系統(tǒng)如圖1 所示，通常稱之為Ⅰ型。它包括異步高速電動機、彈性棒銷聯(lián)軸器、減速器、齒輪聯(lián)軸器、主軸裝置。該傳動系統(tǒng)比較成熟，雖然其傳動鏈軸向方向尺寸較大，占地空間較大，效率低，故障點多，維護量大，但是由于一次性投入相對較少，在礦山開采中應用較多，主要用于中小規(guī)格礦井提升機。
圖1 Ⅰ型多繩摩擦式提升機傳動方式
1.制動器裝置；2.主軸裝置；3.齒輪聯(lián)軸器；4.減速器；5.潤滑站；6.彈性棒銷聯(lián)軸器；7.電動機；8.液壓站。
1.2 電勵磁低速直聯(lián)同步電動機傳動系統(tǒng)
礦井提升機采用電勵磁低速直聯(lián)同步電動機時，其傳動系統(tǒng)如圖2 所示，通常稱之為Ⅲ型。電動機與提升機共用主軸；電動機轉子采用錐孔過盈配合與提升機主軸相連，傳扭能力大；利用液壓工具進行安裝及拆卸，技術成熟；軸向尺寸較小，占地空間小。由于需要對電動機進行電勵磁，損耗較大，且需對碳刷和滑環(huán)進行維護，該傳動系統(tǒng)主要應用于中大型礦井提升機。
圖2 Ⅲ 型多繩摩擦式提升機傳動方式
1.制動器裝置；2.主軸裝置；3.電動機；4.液壓站。
2 變頻調速永磁電動機工作原理及特點
2.1 工作原理
永磁電動機采用永磁體磁極代替電流勵磁的磁極，磁鋼設置在轉子中，不需要輸入電流就可以產生磁場。在運行過程中，借助永磁體產生的旋轉磁場，轉子與旋轉磁場同步旋轉。永磁直驅電動機不需要無功勵磁電流，可以顯著提高效率和功率因數(shù)，減少定子電流和定子損耗。
2.2 特點
相比于異步電動機，永磁電動機轉子結構簡單，沒有勵磁繞線組，轉子銅耗較少，負載率相同時，其功率因數(shù)比同規(guī)格的異步電動機可提高 10%～15%，效率也高于異步電動機。異步電動機與永磁電動機功率因數(shù)與效率對比如圖3、4 所示。
圖3 功率因數(shù)對比曲線
圖4 效率對比曲線
與電勵磁同步電動機相比，永磁電動機在性能方面與之相當，但永磁電動機具有自己的優(yōu)勢。永磁電動機極對數(shù)多，額定頻率點高，易于實現(xiàn)超低速運行；不需要勵磁電流，也不存在碳刷和集電環(huán)之間的接觸損耗，維護簡單，整體效率高，運行更加節(jié)能。
2.3 變頻驅動調速工作原理
變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。它將電網提供的恒壓、恒頻的交流電轉變成提升機所需要的新的電壓和頻率的交流電，實現(xiàn)對電動機的無極調速，來滿足礦井提升機不同提升階段的速度需求。低速直聯(lián)永磁同步變頻驅動傳動系統(tǒng)配備永磁直驅變頻器，運行穩(wěn)定，過載能力強，更適用于礦井提升機運行工況。
3 低速直聯(lián)永磁同步變頻驅動傳動系統(tǒng)
3.1 系統(tǒng)組成及特點
礦井提升機采用低速直驅永磁同步電動機時，具體布置如圖5 所示。永磁同步電動機與提升機主軸裝置直接采用齒輪聯(lián)軸器連接，結構簡單，軸向尺寸小，占地面積小。由于省掉了減速器及潤滑站，傳動鏈大大縮短，提高了傳動效率，節(jié)約了維護及用油成本，提高了設備運轉率。
圖5 低速永磁直驅礦井提升機傳動方式
1.電動機；2.齒輪聯(lián)軸器；3.主軸裝置。
礦井提升機采用永磁同步電動機直驅，使用永磁專用變頻器，電流/轉矩動態(tài)響應快，可消除起車超調及啟動沖擊，實現(xiàn)零速滿轉矩輸出，停車穩(wěn)定無沖擊，更適用于提升機運行工況。
3.2 與傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)的對比
以 JKM-2.8×4 多繩摩擦式提升機為例，其提升系統(tǒng)參數(shù)：采用 ZZDP900 行星齒輪減速器；提升機主軸負載功率按 1 120 kW 計算；提升機年工作 330 d，每天 3 班，每班 8 h。永磁同步低速直聯(lián)變頻驅動系統(tǒng)與傳統(tǒng)的礦井提升機傳動系統(tǒng)對比情況如表1、2所列。
表1 傳動效率對比分析
表2 節(jié)能效果對比分析(滿載運行)
由表1、2 可知，低速直聯(lián)永磁同步變頻驅動系統(tǒng)的各項指標均占優(yōu)勢。它占地空間小，總傳動效率高，故障點少，維護量小，節(jié)能效果顯著，符合礦山節(jié)能減排、綠色生產需求。
4 提升機永磁變頻驅動電控系統(tǒng)
礦井提升機永磁變頻驅動電控系統(tǒng)主要由高低壓開關柜、PLC 控制柜、永磁專用變頻器、控制板、接口板、位移傳感器、磁開關等組成。
礦井提升機永磁變頻驅動電控系統(tǒng)為了滿足礦井提升機的工況需求，采用六大核心技術，包括有源前端四象限控制技術、最大轉矩電流比矢量算法、載波移項多電評級聯(lián)技術、靜態(tài)轉子位置辨識技術、雙電動機平衡控制技術、堵轉及懸停控制技術。
(1)有源前端四象限控制技術基于虛擬磁鏈和 dq矢量變換，電流響應快，能量快速雙向流動；
(2)最大轉矩電流比矢量算法技術基于 Foc 高性能矢量控制算法，動態(tài)特性好，起制動平滑；
(3)載波移相多電平級聯(lián)技術基于載波移相技術實現(xiàn)多電平級聯(lián)，輸出電壓高，波形正弦、諧波小；
(4)靜態(tài)轉子位置辨識技術高頻信號注入，無需開車自動檢測轉子位置，擺脫編碼器限制；
(5)雙電動機平衡控制技術基于高速光纖通信及主從轉矩平衡控制，轉矩不平衡度≤ 1%；
(6)堵轉及懸停控制技術通過轉矩前饋、限幅等技術實現(xiàn)堵轉及懸停功能，防止溜車，停車沖擊小。
主控系統(tǒng)采用以上核心技術具備高可靠性，可實現(xiàn)小于 0.1 m/s 超低速運行及零速懸停控制，保證提升機制動更加平穩(wěn)。
5 低速直聯(lián)永磁同步變頻驅動應用
目前，中信重工生產的單繩纏繞式、多繩摩擦式礦井提升機均已廣泛采用低速直聯(lián)永磁同步變頻傳動，并已應用于實際項目中，如圖6 所示。其中，圖6(a)為單繩纏繞式提升機；圖6(b)為多繩摩擦式提升機，它用于內蒙古大中礦業(yè)，這也是當時國內首次在多繩摩擦式礦井提升機上使用永磁同步低速直聯(lián)變頻驅動。該項目為中信重工機-電-液成套供貨，配備自主研發(fā)的 CHIC1000PM 系列提升機永磁直驅四象限高壓變頻器。經過調試，該設備順利投運，現(xiàn)場運行情況良好，性能穩(wěn)定。
圖6 低速直驅永磁同步傳動礦井提升機的現(xiàn)場應用
6 結論
(1)礦井提升機采用低速直聯(lián)永磁同步變頻驅動，較傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)占地空間小，日常維護量小，可靠性高。該驅動系統(tǒng)利用變頻器技術，可以實時調節(jié)轉速和輸出轉矩大小，低速性能好，動態(tài)響應快，節(jié)能效果顯著。它在給用戶維護帶來便利和實際效益的同時，也符合國家礦山節(jié)能減排、綠色生產需求。
(2)礦井提升機老舊設備改造項目可參考采用低速永磁直驅同步傳動方案。
(3)目前應用的低速直聯(lián)永磁同步變頻驅動系統(tǒng)，由于齒聯(lián)傳扭能力限制，提升機規(guī)格相對較小，后期可開發(fā)錐孔直聯(lián)式永磁同步驅動系統(tǒng)用于大型礦井提升機。
引文格式：
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[1]劉坤良，徐永福，杜波，等.低速大轉矩永磁直驅傳動系統(tǒng)在礦井提升機上的應用.[J].礦山機械,2024,52(2):15-19. |
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