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低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)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(jié)構(gòu)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(qū)動傳動系統(tǒng)方案；對比分析了 3 種傳動系統(tǒng)的技術(shù)特點。結(jié)合項目實際應用，得出結(jié)論：低速直聯(lián)永磁同步變頻驅(qū)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(jié)構(gòu)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(qū)動傳動系統(tǒng)方案；對比分析了 3 種傳動系統(tǒng)的技術(shù)特點。結(jié)合項目實際應用，得出結(jié)論：低速直聯(lián)永磁同步變頻驅(qū)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(qū)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(chǎn)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(qū)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(zhuǎn)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(shù)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(diào)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(zhuǎn)子中，不需要輸入電流就可以產(chǎn)生磁場。在運行過程中，借助永磁體產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)。永磁直驅(qū)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，沒有勵磁繞線組，轉(zhuǎn)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(qū)動調(diào)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(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。它將電網(wǎng)提供的恒壓、恒頻的交流電轉(zhuǎn)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(diào)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(qū)動傳動系統(tǒng)配備永磁直驅(qū)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(qū)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(qū)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)率。
圖5 低速永磁直驅(qū)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(qū)，使用永磁專用變頻器，電流/轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應快，可消除起車超調(diào)及啟動沖擊，實現(xiàn)零速滿轉(zhuǎn)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(qū)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(qū)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(chǎn)需求。
4 提升機永磁變頻驅(qū)動電控系統(tǒng)
礦井提升機永磁變頻驅(qū)動電控系統(tǒng)主要由高低壓開關(guān)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(guān)等組成。
礦井提升機永磁變頻驅(qū)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(shù)，包括有源前端四象限控制技術(shù)、最大轉(zhuǎn)矩電流比矢量算法、載波移項多電評級聯(lián)技術(shù)、靜態(tài)轉(zhuǎn)子位置辨識技術(shù)、雙電動機平衡控制技術(shù)、堵轉(zhuǎn)及懸?？刂萍夹g(shù)。
(1)有源前端四象限控制技術(shù)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(zhuǎn)矩電流比矢量算法技術(shù)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(shù)基于載波移相技術(shù)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(zhuǎn)子位置辨識技術(shù)高頻信號注入，無需開車自動檢測轉(zhuǎn)子位置，擺脫編碼器限制；
(5)雙電動機平衡控制技術(shù)基于高速光纖通信及主從轉(zhuǎn)矩平衡控制，轉(zhuǎn)矩不平衡度≤ 1%；
(6)堵轉(zhuǎn)及懸?？刂萍夹g(shù)通過轉(zhuǎn)矩前饋、限幅等技術(shù)實現(xiàn)堵轉(zhuǎn)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(shù)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?？刂?，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(qū)動應用
目前，中信重工生產(chǎn)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(nèi)蒙古大中礦業(yè)，這也是當時國內(nèi)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(qū)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(qū)四象限高壓變頻器。經(jīng)過調(diào)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(qū)永磁同步傳動礦井提升機的現(xiàn)場應用
6 結(jié)論
(1)礦井提升機采用低速直聯(lián)永磁同步變頻驅(qū)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(qū)動系統(tǒng)利用變頻器技術(shù)，可以實時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)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(chǎn)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(qū)同步傳動方案。
(3)目前應用的低速直聯(lián)永磁同步變頻驅(qū)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(qū)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(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)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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