主运输巷带式输送机智能驱动系统改造与应用.pdf

202.江西煤炭科技2023年第3 期主运输巷带式输送机智能驱动系统改造与应用马永利（河南焦煤能源有限公司中马村矿，河南焦作4540 0 0）摘要：针对带式输送机传动效率低、能耗高、综合保养费用高、维修难度较大等问题，采用智能永磁直驱系统对带式输送机进行升级改造，并分别阐述其结构特点、工作原理、功耗性能及应用成果。经现场实践，带式输送机采用新的驱动系统按照每天运行16 h，年运行天数3 6 0 d，每年可节省电费约4140 万元。关键词：带式输送机；驱动方式；智能永磁直驱；节能降耗中图分类号：TD528+.1Renovation and Application of Intelligent Drive System for Belt Conveyor in Main Transportation LaneAbstract:In response to the problems of low transmission efficiency,high energy consumption,high comprehensive maintenancecosts,and high maintenance difficulty of belt conveyors,the author proposes to upgrade and transform the belt conveyor using anintelligent permanent magnet direct drive system,and elaborates on its structural characteristics,working principle,powerconsumption performance,and application results,whose field practice has shown that using a new drive system for the beltconveyor can save approximately 41.40 million yuan in electricity costs per year by operating for 16 hours per day and 360 daysper year.Key words:belt conveyor;driving means;intelligent permanent magnet direct drive;energy saving目前矿井主巷带式输送机多采用异步电机配合液力耦合器、减速器及联轴器组合式的传统驱动方式-3 。该驱动系统初始启动扭矩小，当设备进行重载启动时，往往难以正常启动，系统整体稳定性差、故障率高，这也直接导致设备保养、维护成本的增加4-5。主巷带式输送机作为煤炭外运的重要设备，是决定矿井生产能力的关键环节。为进一步提能降耗，满足矿井安全高效稳定运输的要求，以河南焦煤能源有限公司中马村矿西翼主运输巷带式输送机改造为试点，提出以智能永磁直驱系统的替代方案，以期通过变频器调节实现带式输送机的智能控制。1工程概况中马村矿设计生产能力为0.9 0 Mt/a，主采煤层为山西组二1煤，煤层厚度为0.58.4m，平均6.3m;煤层倾角1117，平均14，为缓斜煤层；井田地质构造简单，无较大陷落柱或断层，采用倾斜长臂综合机械化采煤法，顶板管理采用全部垮落法。该矿西翼主运输巷长度为16 0 0 m，目前巷内布置的主输送机参数如表1所示，配套ST/S1600型阻燃钢丝绳芯输送带、4XSHI251型防爆盘形制文献标识码：AMa Yongli(Zhongmacun Colliery,Henan Coking Coal Energy Co.,Ltd.,Jiaozuo,Henan 454000)动器及NJ1000型低速逆止器。该矿西翼主运输巷在使用上述带式输送机过程中，出现过启动期间机械冲击、整体运行期间故障率较高、能耗较大的问题。因此，提出采用更为可靠和高效的带式输送机驱动方式，即智能永磁直驱系统，替换现有的驱动方式。表1主运输巷输送机技术参数设备、型号器材名称皮带DTL140/200/输送机2X315阻燃钢丝ST/S1600拉伸强度：15 2 5MPa绳芯输送带YB2-5002-6/电机630kW防爆盘形制动器4XSHI251低速逆止器NJ10002智能永磁直驱系统2.1系统结构智能永磁直驱系统主要包含四部分，分别为：文章编号：10 0 6-2 57 2(2 0 2 3)0 3-0 2 0 2-0 3备注长度(L):1 520 m宽度(B):1 400 mm带速(V):4.0 m/s运量(Q):2 100 t/h功率：6 3 0 kW功率：3 kW逆止力矩：10 0 0 0 0 0NM规格、参数共2 台2023年第3 期调节输出电源电压和频率的变频器，控制电机实现启停、正反转、调速等功能的电控系统，实现电机冷却降温的水冷系统，以及智能永磁直驱电动机。与传统驱动方式相比,智能永磁直驱系统省去液力耦合器、同步齿轮及减速机等结构，永磁同步电机则直接驱动输送机滚筒运转。永磁同步电机的运行，通过变频器来控制，变频器根据智能永磁直驱系统结构特点内嵌专门开发的控制软件，能够提升电机的工作性能。2.2系统工作原理智能永磁直驱系统在结构上采用低速联轴器与滚筒直接连接，启动时，变频器通过以下两种方式之一调整永磁电机的运行：方式一：伺服直接转矩方式；方式二：同步伺服矢量方式。通过转矩控制方式进行电机启动，其启动转矩可达额定转矩值2 倍以上，结合变频控制，能够实现软启动，切实降低因电机启动对供电系统造成的冲击。2.3系统性能分析(1)启动特征异步电机驱动的带式输送机，其启动转矩一般不超过额定转矩值的55%，很难实现满载或重载启动；智能永磁直驱系统因其采用直驱方式，其启动转矩一般可达额定转矩值的2.2 倍以上，这时候，即使输送机满载或重载，也能够在无需卸载的情况下，实现启动。两种启动方式的启动曲线如图1所示。永磁电动机恒转矩控制力矩220%170%70%启动正常短时正常过程运行过程运行时间1/s(a）永磁直驱电机异步电动机启动力矩曲线170%-1130%100%70%55%启动正常短时正常/s过程运行过程运行时间/s(b)异步电机图1启动曲线(2)功率因数及传动效率异步电机cosp（功率因数）一般不超过8 5%，江西煤炭科技而智能永磁直驱电机cosp（功率因数）可达95%，这就使设备性能得到了更高效地利用。两种相异电机功率因数曲线如图2 所示。使用异步电机的带式输送机受其本身所采用的异步电机配合液力耦合器、减速器及联轴器组合式驱动方式所限，传动环节多、能效消耗广、传动效率低，传动效率一般不超过7 5%；而使用智能永磁直驱系统的带式输送机通过低速联轴器与滚筒直接连接，传动过程基本无损耗，其传动系统的整体效率基本等于电机的传动效率，可达95%。两种驱动系统的传动效率特征曲线如图3 所示。永磁电动机功率因数0.75异步电动机功率因数050%85%105%启动转矩与额定转矩之比图2 两种电机间coS特征曲线永磁电动机效率96%83%70%050%70%100%启动转矩与额定转矩之比图3 传动效率特征曲线2.4系统特点1)故障率低、维护方便。智能永磁直驱系统在结构上采用更为简单的结构，直接实现电机与滚筒的连接，在运行过程中,所产生的故障点明显减少；在启动方式上通过转矩控制方式进行电机启带式输送机负载特性曲线动，结合变频控制，能够实现软启动，故障发生率也明显降低。同时,相比以往传统驱动系统,智能永磁直驱系统维护简单、费用低，无需定期检查、补充更换减速机、联轴器等设备的润滑油，只需在日常维护时进行润滑液加注即可。2)速度调节范围更广。相较于异步电机和变频电机，永磁电机的速度调节范围更广，既能实现带式输送机负载特性曲线最低速0.5m/s高转矩运行，也能在满载或重载状态下，以2 倍以上额定转矩软启动。3)实现多机功率间的平衡。智能永磁直驱系统采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能，能够避免多机同时驱动时，因功率不平衡产生的电机损坏故障。同时，利用传感器实时监控电机温度、电压、电流等数据，并实施保护，提升运输稳203异步电动机效率80%204定性。4)环境适应能力强。智能永磁直驱电机因其采用真空灌封技术，其耐电晕优于异步电机，有效避免了异步电机运行中出现的匝间断路问题；同时，导热性能和机械强度表现优异,防尘防水效果显著提升。5)冷却效果好。智能永磁直驱电机外壳采用双层设计，中间部分设计为蛇形散热通道，冷却效果佳。也可采用水冷方式进行降温，井下供水管路的流量、水压即可满足电机冷却水的要求。3现场应用3.1改造方案河南焦煤能源有限公司中马村矿西翼主运输巷带式输送机原来采用异步电机配合液力耦合器、减速器及联轴器组合式驱动方式，对其改造方案如下：拆除机头位置的液力耦合器、减速机和异步电机，更换为2 台永磁同步电机（型号：TB-VF-500/80YC（6 6 0/1140），2 台电机各配置1台专用变频器（型号：BPJ-630/1140），变频器分别通过移动变电站（型号KBSGZY-1600/10/1.14)供电，改造所需主要设备如表2 所示。表2 改造所需设备清单设备名称型号永磁同步电机TBVF-500/80YC(660/1140)专用变频器BPJ-630/1140移动变电站KBSGZY-1600/10/1.14控制系统KTC101KTC101智能控制系统可实现对相关作业执行动作的编辑控制，分析确认接收到的布置在输送机沿线的各传感信号（如温度、烟雾、堆煤等)在规定范围内，此时按下启动键，可编程控制器进一步确认组合开关、冷却系统、变频器、电机一切正常后，依次启动1号冷却系统、2 号冷却系统；然后，通过井下布置的光纤通讯，将启动信号传输至变频器，变频器对电机供电，并在预设时间内达到预设速度。待输送机运行正常后,KTC101智能控制系统实时获取电子秤所提供的输送机载荷值，并根据监测到的载荷值，动态调整输送机运行速度，实现“煤量小时慢转，煤量大时快转”，达到运行速度和输送机载荷的精准匹配，降低输送机的运行能耗，提升输送机运煤效率。组合开关及变频器的正常运行通过KTC101控制系统实现，其控制结构如图4所示。江西煤炭科技1号冷却系统！号组合开关移动变压器KXJ127.控制系统KTCIOL2号组合开关移动变压器人2 号冷却系统图4智能永磁直驱系统控制结构3.2应用效果智能永磁直驱系统在2 0 2 2 年1月在河南焦煤能源有限公司中马村矿西翼主运输巷改造应用，按照每天运行16 h，年运行天数3 6 0 d，电费1元度计算，在其设计的10 a生命周期内，可节省电费约4140 万元；每月减少油脂使用约3 40 kg，油脂费用按1万元/t计算，则可降低油脂费用约40.8万元。4结论1)对带式输送机智能永磁直驱系统的结构、工作原理、性能特点、功能优势进行分析，相较于异步电机驱动方式，智能永磁直驱系统在重载或满载启动、设备运行能耗及维护保养等方面都存在明显优势，能够为矿井安全高效运输提供切实保障。数量2)根据河南焦煤能源有限公司中马村矿西翼2台主运输巷实际情况，应用智能永磁直驱系统方案2台后，预估系统10 a生命周期内，可节省电费约41402套万元，降低油脂费用约40.8 万元，同时，能够显著1套降低维护、保养工作量。参考文献：1樊伟.带式输送机跑偏原因分析及调心托辊纠偏特性研究J.北京：中国矿山工程，2 0 2 1,50（4）：54-56,6 4.2陈思浩.感温探测防灭火系统在井下运输系统火灾防治中应用J.北京：中国矿山工程，2 0 2 1,50（4)：6 5-6 7.3张嘉.带式输送机变频智能驱动控制系统的设计应用.兰州：机械研究与应用,2 0 2 1,3 4(3）：18 5-18 6,193.4宋康康.带式输送机智能驱控系统的应用研究.太原：机械管理开发，2 0 2 0,3 5（4)：110-112.5王琼伟,魏景.PVD智能驱动与控制系统在带式输送机中的应用J.上海：煤矿机电,2 0 19,40(6)：50-53.作者简历：马永利（197 6 一），男，河南原阳人，工程师，2 0 10年毕业于河南理工大学电气工程及其自动化专业，现从事机电运输管理工作。收稿日期：2 0 2 2-0 8-2 92023年第3 期电机温度信号1号1号主变频器永磁同步电机可编程控制器光纤通信2号从变频器永磁同步电机_2号电机温度信号编辑：许敦昂1号2号