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技術(shù)實(shí)力是中國礦業(yè)大學(xué)礦山機械摩擦材料科研基地、教學(xué)實(shí)習基地，是河南科技大學(xué)產(chǎn)學(xué)研基地，是中國重型機械工業(yè)協(xié)會(huì )會(huì )員單位，是摩擦襯墊、塑料襯板等五項產(chǎn)品行業(yè)標準制定者。
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低速大轉矩永磁直驅傳動(dòng)系統在礦井提升機上的應用
發(fā)布時(shí)間：
2024-03-25
來(lái)源：
闡述了礦井提升機異步高速電動(dòng)機+減速器傳動(dòng)系統、電勵磁低速直聯(lián)同步電動(dòng)機傳動(dòng)系統的結構特點(diǎn)；根據永磁電動(dòng)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(dòng)傳動(dòng)系統方案；對比分析了 3 種傳動(dòng)系統的技術(shù)特點(diǎn)。結合項目實(shí)際應用，得出結論：低速直聯(lián)永磁同步變頻驅動(dòng)傳動(dòng)效率高，維護量小，可靠性高，節能效果好。
導讀
闡述了礦井提升機異步高速電動(dòng)機+減速器傳動(dòng)系統、電勵磁低速直聯(lián)同步電動(dòng)機傳動(dòng)系統的結構特點(diǎn)；根據永磁電動(dòng)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(dòng)傳動(dòng)系統方案；對比分析了 3 種傳動(dòng)系統的技術(shù)特點(diǎn)。結合項目實(shí)際應用，得出結論：低速直聯(lián)永磁同步變頻驅動(dòng)傳動(dòng)效率高，維護量小，可靠性高，節能效果好。
礦井提升機是利用電動(dòng)機驅動(dòng)卷筒，卷筒帶動(dòng)鋼絲繩牽引提升容器，沿井筒或斜坡道進(jìn)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。傳統的礦井提升機傳動(dòng)系統效率低，能耗大，維護量大，可靠性差；現急需一種效率高、可靠性高、節能降耗的傳動(dòng)系統來(lái)滿(mǎn)足礦山節能減排、綠色生產(chǎn)需求。
1 礦井提升機傳動(dòng)系統
礦井提升機根據原理不同，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驅動(dòng)電動(dòng)機的類(lèi)型不同，其傳動(dòng)系統可分為以下兩種。
1.1 異步高速電動(dòng)機+減速器傳動(dòng)系統
礦井提升機采用異步高速電動(dòng)機時(shí)，其傳動(dòng)系統如圖1 所示，通常稱(chēng)之為Ⅰ型。它包括異步高速電動(dòng)機、彈性棒銷(xiāo)聯(lián)軸器、減速器、齒輪聯(lián)軸器、主軸裝置。該傳動(dòng)系統比較成熟，雖然其傳動(dòng)鏈軸向方向尺寸較大，占地空間較大，效率低，故障點(diǎn)多，維護量大，但是由于一次性投入相對較少，在礦山開(kāi)采中應用較多，主要用于中小規格礦井提升機。
圖1 Ⅰ型多繩摩擦式提升機傳動(dòng)方式
1.制動(dòng)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(xiāo)聯(lián)軸器；7.電動(dòng)機；8.液壓站。
1.2 電勵磁低速直聯(lián)同步電動(dòng)機傳動(dòng)系統
礦井提升機采用電勵磁低速直聯(lián)同步電動(dòng)機時(shí)，其傳動(dòng)系統如圖2 所示，通常稱(chēng)之為Ⅲ型。電動(dòng)機與提升機共用主軸；電動(dòng)機轉子采用錐孔過(guò)盈配合與提升機主軸相連，傳扭能力大；利用液壓工具進(jìn)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(dòng)機進(jìn)行電勵磁，損耗較大，且需對碳刷和滑環(huán)進(jìn)行維護，該傳動(dòng)系統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(dòng)方式
1.制動(dòng)器裝置；2.主軸裝置；3.電動(dòng)機；4.液壓站。
2 變頻調速永磁電動(dòng)機工作原理及特點(diǎn)
2.1 工作原理
永磁電動(dòng)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(chǎn)生磁場(chǎng)。在運行過(guò)程中，借助永磁體產(chǎn)生的旋轉磁場(chǎng)，轉子與旋轉磁場(chǎng)同步旋轉。永磁直驅電動(dòng)機不需要無(wú)功勵磁電流，可以顯著(zhù)提高效率和功率因數，減少定子電流和定子損耗。
2.2 特點(diǎn)
相比于異步電動(dòng)機，永磁電動(dòng)機轉子結構簡(jiǎn)單，沒(méi)有勵磁繞線(xiàn)組，轉子銅耗較少，負載率相同時(shí)，其功率因數比同規格的異步電動(dòng)機可提高 10%～15%，效率也高于異步電動(dòng)機。異步電動(dòng)機與永磁電動(dòng)機功率因數與效率對比如圖3、4 所示。
圖3 功率因數對比曲線(xiàn)
圖4 效率對比曲線(xiàn)
與電勵磁同步電動(dòng)機相比，永磁電動(dòng)機在性能方面與之相當，但永磁電動(dòng)機具有自己的優(yōu)勢。永磁電動(dòng)機極對數多，額定頻率點(diǎn)高，易于實(shí)現超低速運行；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(jiǎn)單，整體效率高，運行更加節能。
2.3 變頻驅動(dòng)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(dòng)單元、驅動(dòng)單元、檢測單元微處理單元等組成。它將電網(wǎng)提供的恒壓、恒頻的交流電轉變成提升機所需要的新的電壓和頻率的交流電，實(shí)現對電動(dòng)機的無(wú)極調速，來(lái)滿(mǎn)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(dòng)傳動(dòng)系統配備永磁直驅變頻器，運行穩定，過(guò)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(dòng)傳動(dòng)系統
3.1 系統組成及特點(diǎn)
礦井提升機采用低速直驅永磁同步電動(dòng)機時(shí)，具體布置如圖5 所示。永磁同步電動(dòng)機與提升機主軸裝置直接采用齒輪聯(lián)軸器連接，結構簡(jiǎn)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(dòng)鏈大大縮短，提高了傳動(dòng)效率，節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(dòng)方式
1.電動(dòng)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(dòng)機直驅?zhuān)褂糜来艑?zhuān)用變頻器，電流/轉矩動(dòng)態(tài)響應快，可消除起車(chē)超調及啟動(dòng)沖擊，實(shí)現零速滿(mǎn)轉矩輸出，停車(chē)穩定無(wú)沖擊，更適用于提升機運行工況。
3.2 與傳統傳動(dòng)系統的對比
以 JKM-2.8×4 多繩摩擦式提升機為例，其提升系統參數：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(dòng)系統與傳統的礦井提升機傳動(dòng)系統對比情況如表1、2所列。
表1 傳動(dòng)效率對比分析
表2 節能效果對比分析(滿(mǎn)載運行)
由表1、2 可知，低速直聯(lián)永磁同步變頻驅動(dòng)系統的各項指標均占優(yōu)勢。它占地空間小，總傳動(dòng)效率高，故障點(diǎn)少，維護量小，節能效果顯著(zhù)，符合礦山節能減排、綠色生產(chǎn)需求。
4 提升機永磁變頻驅動(dòng)電控系統
礦井提升機永磁變頻驅動(dòng)電控系統主要由高低壓開(kāi)關(guān)柜、PLC 控制柜、永磁專(zhuān)用變頻器、控制板、接口板、位移傳感器、磁開(kāi)關(guān)等組成。
礦井提升機永磁變頻驅動(dòng)電控系統為了滿(mǎn)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)轉子位置辨識技術(shù)、雙電動(dòng)機平衡控制技術(shù)、堵轉及懸?？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(dòng)；
(2)最大轉矩電流比矢量算法技術(shù)基于 Foc 高性能矢量控制算法，動(dòng)態(tài)特性好，起制動(dòng)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(shí)現多電平級聯(lián)，輸出電壓高，波形正弦、諧波??；
(4)靜態(tài)轉子位置辨識技術(shù)高頻信號注入，無(wú)需開(kāi)車(chē)自動(dòng)檢測轉子位置，擺脫編碼器限制；
(5)雙電動(dòng)機平衡控制技術(shù)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?？刂萍夹g(shù)通過(guò)轉矩前饋、限幅等技術(shù)實(shí)現堵轉及懸停功能，防止溜車(chē)，停車(chē)沖擊小。
主控系統采用以上核心技術(shù)具備高可靠性，可實(shí)現小于 0.1 m/s 超低速運行及零速懸?？刂?，保證提升機制動(dòng)更加平穩。
5 低速直聯(lián)永磁同步變頻驅動(dòng)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(dòng)，并已應用于實(shí)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(shí)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(dòng)。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(jīng)過(guò)調試，該設備順利投運，現場(chǎng)運行情況良好，性能穩定。
圖6 低速直驅永磁同步傳動(dòng)礦井提升機的現場(chǎng)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(dòng)，較傳統傳動(dòng)系統占地空間小，日常維護量小，可靠性高。該驅動(dòng)系統利用變頻器技術(shù)，可以實(shí)時(shí)調節轉速和輸出轉矩大小，低速性能好，動(dòng)態(tài)響應快，節能效果顯著(zhù)。它在給用戶(hù)維護帶來(lái)便利和實(shí)際效益的同時(shí)，也符合國家礦山節能減排、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同步傳動(dòng)方案。
(3)目前應用的低速直聯(lián)永磁同步變頻驅動(dòng)系統，由于齒聯(lián)傳扭能力限制，提升機規格相對較小，后期可開(kāi)發(fā)錐孔直聯(lián)式永磁同步驅動(dòng)系統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(dòng)系統在礦井提升機上的應用.[J].礦山機械,2024,52(2):15-19. |
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