矿用隔爆型永磁同步变频调速一体机的推广与应用

矿用隔爆型永磁同步变频调速一体机的
推广与应用
摘要：目的:永磁同步变频调速一体机取代了传统的减速机、液力耦合器、电机、变频器的动力系统，使用后不仅降低了噪声污染，而且还免维护，保证了煤流线的正常运转。

结论:永磁同步变频调速一体机是提高设备运转率的关键原因。

关键词：永磁变频一体机；噪声；原因；动力系统
一、概述
我矿煤流线胶带输送机目前正在升级改造阶段，由原来带宽800mm的带面更换为带宽1000mm的带面，将原有的减速机、液力耦合器、对轮、弹性盘全部淘汰，改为永磁同步变频调速一体机，该设备适用于煤矿井下有瓦斯、煤尘爆炸危险环境或地面严酷环境，用作煤流线控制及各种类型胶带输送机。

近期我矿已将-210皮带暗斜井两部胶带输送机进行了升级改造，目前运行状况良好。

TYBVFT 系列矿用隔爆型永磁同步变频调速一体机是在多年的永磁直驱电机和伺服控制器研发和使用经验的基础上，汇聚多方专家和一线资深技术人员共同开发出来的新一代驱动动力设备。

该设备包含低速永磁直驱电动机和专用矢量型变频器，该设备的出现将彻底改变了传统驱动的布置方式，省去中间连接环节、化繁为简进一步提升负载的传动效率。

二、可行性研究
1、系统集成解决输出距离限制：着眼于1140 V变频器高du/dt，输出距离受限等技术痛点。

一体机将变频器和电机集中在一起，彻底消除变频器长距离供电电压尖峰对电机绝缘寿命的影响；
2、降低电缆使用要求和线路干扰：一体机供电无需时候屏蔽电缆，无需考虑电
缆路径上的辐射干扰，电缆成本和铺设成本更低；
3、简化驱动配置和系统设计工作：驱动配置极大的简化，大大缩短施工时间和降低施工工作量，设备驱动仅考虑一体机一台设备即可；
4、最先进的控制算法：采用第三代永磁同步矢量控制技术，全面发挥永磁直驱电机的转矩特性，起动能力和过载能力进一步提升；
5、优化结构设计：采用国际先进的电路拓扑进行设计，最大程度上提高功率密度；
6、长寿命周期设计：整机设计寿命20年，核心元件均采用国际知名品牌。

三、项目采用的技术原理和分析
该产品电机采用单绕组单转子结构，这种结构简单，内部绕组布置规律且不复杂，秉承了最佳工艺，并严格按照TPS生产体系，质量和工艺均得到保障。

一体机所提供的过载能力为额定功率的2.2倍以上，提供了足够的余量。

元器件为全球采购，保证设备的高可靠性，控制的算法与软件根据煤矿使用工况单独开发。

变频部分使用三电平技术，输出波形近似于正弦波，更加符合电机的使用工况。

博诚变频的特种算法控制IGBT的开启闭合可极佳的控制零点漂移，将尖峰电压控制在4000V以内，有效降低电机绕组的高频谐波冲击电压和永磁体的瞬间去磁大电流，延长电机寿命。

三电平加之专用的滤波器可大大降低3.5.7次谐波的含量，减少了对井下自动化环网的干扰，适合井下智慧矿山、自动化工作面要求较高的煤矿。

产品留有各种通讯接口，可以满足各种通讯协议要求。

四、项目研究的主要内容
随着科技含量与日俱增，煤矿使用的智能设备也越来越多，现代化水平也越来越高，对设备的要求也越来越高，煤矿驱动设备由于工作条件的需要，具备一定的调速功能。

由于受起动性能的限制，需要增加软起动装置，例如皮带运输机中的皮带是一个弹性体，在静止或运行时皮带内贮藏了大量的能量，在皮带机起动过程中，如果不加设软起动装置，皮带内贮藏的能量很快释放出去，在皮带上形成张力波并迅速沿着皮带传出去。

过大的张力波对皮带机皮带机架有极大的破坏作用，因此在我国《煤矿安全规程》中有规定，带式输送机必须加设软起动装置。

目前我国煤矿的调速和软启动装置均采用的是液力耦合器，而随着变频器技
术的发展，能够实现变频器调速的开采设备，由于有着诸多的有点而越来越受矿
上的欢迎。

变频器调速的性能比液力耦合器具有明显的节能效果。

这是因为液力
耦合器的效率随着输出转速的降低而降低，输出转速降低时，液力耦合器的效率
下降很快，一般情况下75%额定转速是效率仅为0.7左右，而20%额定转速时效
率仅为0.2左右，而变频器在电动机输出转速降低时效率大于0.9。

因此煤矿开
采变频一体机关键技术研究及产业化项目的实施，对提升我国煤矿现代化水平、
提高煤矿产量、增强煤矿安全可靠性来说，是十分必要的。

因此具有变频调速和
良好启动性能的变频一体机成为现代煤矿开采的前沿技术装备。

五、实际应用效果
-210皮带暗斜井两部胶带输送机采用的是DSB-55kW电机配合YOX400型液力
耦合器。

在使用期间，会出现尼龙销子切断、液力耦合器损坏、减速机一轴折断
等情况，严重制约了生产，为此，我矿领导决定对煤流线设备进行升级改造。

由
于煤矿井下的煤流线条件恶劣,巷道狭窄、大型设备难以入井和运输,生产设备运输、安装、维护困难,因此要求生产设备必须满足体积小、重量轻、系统故障率低、电磁干扰小、能耗少、系统成本低,以减小设备维护难度和生产成本。

矿用
隔爆型变频调速一体式电动机由于具备软启动功能、系统故障率低、能耗低、系
统维护成本小的优点,完全满足煤矿井下的需求。

自从该设备的投用，我单位机
电班检修量明显下降，不再频繁的更换滚筒、减速机、液力耦合器，只是做好日
常的注油工作就满足运转需求了。

六、取得的经济效益和社会效益
我矿-210皮带暗斜井两部胶带输送机没有升级以前，每部皮带每月要消耗四
个液力耦合器，一个液力耦合器将近五千元，这样下来，两部设备每月就能节省
四万元，这还不包括滚筒和减速机一轴的消耗。

该一体机比老式电机还要节能，
经过计算，每部设备每月能节省两万元的电费。

，矿用隔爆型变频调速一体机是
集变频器、电机、电气控制于于一体的一体化产品，集成了防爆技术、高功率密
度电机设计制造技术、电力电子技术、计算机控制技术等，实现了对负载的变频
驱动。

重点利用隔爆防爆技术，使产品具有防爆性能，满足煤矿井下安全生产的
防爆要求，利用变频技术达到调速节能的目的，同时适应煤矿井下设备频繁启动、
制动的要求，提高设备的可靠性，利用变频器于电机集成设计和高功率密度电机
设计技术大大减小变频一体机的体积，更能适应于煤矿井下空间狭小的使用条件，方便工作人员安全操作矿用隔爆型变频调速一体机信号传输稳定、使用方便、节
能等优点，可以取代现有的变频器加电机的模式。

七、推广应用的前景和意义
随着“多上设备少上人”和智能化、信息化、自动化工程的推进，我们矿目
前使用了两套该设备，目前使用状况良好，设备运行稳定，大大的降低了机电班
的维修量，该系统的投用，缓解了目前人员紧张的现状。

煤炭行业作为我国重要
的传统能源行业，是我国国民经济的重要组成部分，其智能化建设直接关系我国
国民经济和社会智能化的进程。

当前，地方政府和煤炭企业高度重视煤炭行业高
质量发展，行业自动化、信息化水平不断提升，对通过智能化来提升煤矿安全也
做了有益的尝试和探索，为推动煤矿智能化发展奠定了一定的基础，营造了良好
氛围。

采用永磁同步电机方式传动结构更为合理，传动系统占用的空间大幅降低。

设备安装较为方便，更适合井下狭小的空间。

同时，由于传动系统采用直驱方式，对设备检查维修时只需要检查驱动电机、连轴器以及变频器等，不需要额外的检
查减速器、齿轮箱以及液力耦合器等，降低了维修保养工作量、维修难度及维修
工序，为井下的机电维修人员提供更多维修保养操作空间。

胶带输送机驱动系统
采用永磁同步电机，并结合变频器直接控制电机运转，省去了常规胶带输送机驱
动装置内采用的液力耦合器、减速器以及齿轮箱等，使得整个驱动系统更为简洁、高效、降低电力消耗。

一般胶带输送机采用的异步驱动电机动力系统中，启动过
程不平稳，重载启动较为困难，制约整个驱动装置效率的提升。

且异步电机在工
频下运行时绝大部分时间都未处于满载工况，造成大量的电能损失。

永磁同步电
机中定子材料里加入稀土制作成为永磁体，不需励磁电流，在电机运转过程中的
输出功率可以达到94%以上，降低电力消耗。

同时，永磁同步电机是采用直驱方式，采用的变频控制器更有利于实现电机的功率平衡。

在胶带输送机驱动系统采
用多台永磁同步电机，通过变频控制器实现电机输出功率的平衡，现场测定功率
平衡均在3%以内，避免了由于电机功率不平衡造成的电机能耗增加，胶带输送机
受力不均衡等问题。