浅谈永磁同步变频调速一体机在煤矿刮板运输机上的应用

李志远

摘要：针对煤矿刮板运输机在重载启动时，造成机械和电气设备的冲击问题，结合驱动技术的发展趋势，对永磁同步变频调速一体机新技术的配置、供电、冷却、结构进行剖析，重点对永磁同步变频调速一体机的性能特点进行分析，为煤矿综采工作面设备应用作准备。

关键词：永磁同步变频调速一体机  结构特征 系统配置 供电冷却  性能特点 对比应用

1.引言

煤矿井下综采工作面设备使用条件复杂，作业环境恶劣，刮板运输机是煤矿综采工作面的主要运输设备，受顺槽皮带运输、转载机、破碎机联动因素及井下现场作业环境因素影响，使得刮板运输机对重载启动要求比较高。原刮板运输机驱动方式一般采用高低速电机、CST、液力耦合器等启动方式，该方式启动无论是对机械设备还是对电网冲击都非常大，容易造成刮板断链，链轮组件轮齿断裂，减速机使用寿命降低，特别是重载时易出现供电系统电流大，给机械设备造成安全隐患。随着煤矿装备技术的发展，原传统的驱动方式已经逐步被变频驱动方式所替代。现变频驱动技术广泛应用于刮板运输机上，而永磁同步变频调速一体机是在原变频驱动方式的基础上，又将电机和变频器结合在一起，既减少了设备驱动部件，又解决了重载启动问题，是未来刮板运输机驱动方式的发展方向。

2.永磁同步变频一体机结构特征

永磁同步变频一体机把电机和变频部分集成为一体，其电机、变频部分可独立拆分，而变频部分由变频器和电源输入部分组成，变频器位于变频电机的上部。永磁同步变频一体机内部器件采用单元模块化设计，根据功能分为整流单元、逆变单元、主控单元、驱动单元、滤波单元、保护单元、显示单元等，每个单元之间通过插头或连接器快捷连接，方便使用和维护。可直接与减速机相连接，无需限矩器、液力耦合器等中间环节。

3.永磁同步变频一体机系统配置

中煤平朔集团公司井工综采工作面前部、后部刮板运输机各配套2台电压等级为3300V，功率为1200KW的永磁同步变频调速一体机驱动，转载机配套1台电压等级为3300V，功率为855KW的一体机，整个系统通过1台一体机控制箱实现多台设备主从控制运行，控制箱为一体机控制中心，设备之间通过CAN总线通讯，通过通信电缆控制所有一体机，包括运行控制，运行参数设置，数据采集与记录，数据上传等。

4.永磁同步变频一体机供电系统

永磁同步变频一体机供电系统的电源取自3300V电压等级的移动变电站，通过8回路组合开关对变频一体机进行供电，输入供电电缆选用MCP1.9/3.3|3*95mm+1*50mm+3*6型矿用橡套电缆。3300V电压等级的供电电缆通过防爆电缆快速连接器连接到变频一体机，而127V的控制电由变频一体机内部控制变压器提供。

5.永磁同步变频一体机冷却系统

永磁同步变频一体机冷却系统采用水冷方式散热，其中永磁同步电机与变频器在壳体里面都有单独的冷却散热水道，冷却进水口在变频器外壳上，出水口在电机外壳上，其左右两侧各1个口，共4个进出水口，根据现场设备安装方向，将变频器一侧作为进水口，另一侧与电机一侧的进出水口相连接，作为电机进水口，剩余为出水口，通过软胶管对电机、变频器的冷却水道串联在一起，形成开放式外循环冷却系统。

6.永磁同步变频一体机性能特点

6.1启动转矩更大。永磁同步变频调速一体机零速启动转矩，启动扭距可达到电机额定扭矩的2.2倍以上，可有效解决过载启动问题，可降低生产事故率，并且一体机有一键低速模式，便于检查刮板机运行状态，无需人员在工作面逐点观察，提高了效率，降低了人员安全风险。另外变频软启的作用可完全保护机械设备，井工矿刮板运输机链条、刮板、链轮组件及减速机损坏率都大幅降低，节约运行成本。

6.2运行电流更小。电机转子为稀土永磁体结构，无功功率接近于零。永磁变频调速一体机启动电流小，小于额定电流的1.5倍，因此电气冲击小；而高低速电机启动电流是额定电流的6-8倍，对上级电网的电气冲击大，会引起其它综采工作面设备因电压降低出现故障，不利于安全高效生产。

6.3控制简单，运行更平稳。采用变频、电机可拆分式独立结构，拆装便捷，减少维护成本，变频部分内部采用模块化设计，模块的接线端子全部使用快插式结构，维护简单迅捷。另外刮板运输机属于频繁停启设备，启动电机时，大电流频繁冲击电机，极易过载烧坏，因此电机寿命普遍较短。而变频一体机减少了电机频繁启动带来的大电流冲击，减少了烧毁电机的因素，变频一体机运行更稳定可靠，使用寿命长。

6.4发热小，冷却水流量低。永磁同步电机的永磁体转子不产生电流，因此永磁同步电机发热小，电机轴承寿命长，整机冷却水需求量更低。

6.5运行成本低。永磁同步变频一体机额定运行效率一般≥92%，通过下面对比表可以明显看出，同步一体机负债运行效率远高于异步一体机，具有明显的高效节能，可以极大的降低公司生产经营成本。

负载率（%）	异步一体机效率（η1）	同步一体机效率（η2）	同比提升效率（△η）	节约电费（万元/年）
20%	38	92	54	49.7664
35%	58	94	36	58.0608
50%	70	95	25	57.6000
70%	88	95	7	22.5792
80%	93	95	2	7.3728
100%	94	95	1	4.6080

例如：节约电费数据以1台1200kW变频调速一体机为例，每天工作16小时，每年工作360天计算，平均电价0.8元/度计算，如：1200×20%×54%×16×360×0.8=49.7664万元。

6.6无谐波干扰。由于电机与变频器的一体化设计，变频器到电机的供电线路距离短，极大的降低了谐波的产生，减少了设备的过热、老化。

6.7适用远距离供电。为减少甚至取消综采工作面辅助设备列车推移，实现供电设备的静态放置，平朔集团公司井工综采工作面一般采用远距离供电。变频一体机供电电压范围为3300V（-15%～+10%），可以不考虑远距离供电的压降因素，最远供电距离可达2500米，适用于远距离供电场合。

6.8安装尺寸可满足现场空间要求。变频调速一体机专为薄煤层和放顶煤工作面设计，其与常规双速电机同等高度，具有体积小、重量轻、运行稳定的优点，彻底解决了工作面刮板运输机电机安装高度受限的难题。

6.9满足智能化建设需要。永磁同步变频调速一体机具有以太网、CAN、RS485等通讯接口，能够满足现煤矿智能化建设需求。

7.传统“电机+液力耦合器”驱动方式和变频一体机驱动方式对比

7.1变频一体机高度较异步电机高度增加约200mm，长度比“电机+液力耦合器”长度短，不影响工作面设备的正常布置。

7.2相对液力耦合器，变频一体机调速范围更宽，调速精度高，可达到0.01HZ，有效保证了刮板机运转的稳定性，极大的减少对机械设备的冲击，延长了其使用寿命，同时解决了重载启停设备的“闷车”问题。

7.3变频一体机效率高，传递效率达到95%。但液力耦合器的负载越大，效率越低，且在负载大的情况下需要的冷却水量也大。

7.4变频一体机能实现真正意义上软启动，使启动电流保持在额定电流以内，不会对电网造成冲击。耦合器重载启动易发生越级跳闸现象。

7.5液力耦合器常见故障有漏液、轴承损坏、叶轮损坏等，维修费用偏高。而变频一体机的变频部分采用的是模块化设计，更换便捷，故障点少，但变频一体机电机出现故障后，也需要整体更换。

7.6变频一体机更节能，节能约10-15%。与传统驱动方式比较，不存在远距离供电及相应的谐波干扰问题。

8.结束语

总之，现永磁同步变频一体机驱动系统在煤矿刮板运输机上广泛应用，目前平朔集团公司井工一矿19113、19114综采工作面，井工三矿34204、34205工作面的刮板运输机均已配置永磁同步变频调速一体机，具有启动转矩大，运行电流小，安全稳定，节能降耗等优势，有效解决了煤矿刮板运输机重载启动问题。

参考文献：1、青岛华夏天信公司《矿用隔爆兼本质安全性永磁同步变频一体机说明书》

            2、张振伟 《综采工作面使用技术》[M].煤炭工业出版社

作者简历：李志远（1982.10—），男，山西大同人，2018年1月毕业于山西大同大学机械设计制造及其自动化专业，现就职于中煤平朔集团公司，从事煤矿设备管理工作。工程师