第３２卷第１２期 煤 矿 机 械 Ｖ０１．３２Ｎｏ．１２ ２０１１年 １２月 Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｅ．２０１１ 《 专题．综述 矿用带式输送机电机系统节能技术现状与发展趋势 武兴华 ‘ （太原理工大学电气与动力工程学院，太原０３００２４） 摘 要：阐述了矿用带式输送机电机传动系统的主要驱动方式，分析了电机传动系统各个主 要部件的效率．提出了提高带式输送机电机传动系统效率的主要措施一基于永磁同步电机的直驱 式电机。 关键词：带式输送机；异步电机；减速器；液力耦合器；直驱式电机 中图分类号：ＴＤ５２８ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００３—０７９４（２０１１）１２—０００１—０３ Ｏｎ Ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ Ｆｕｔｕｒｅ ｏｆ Ｍｉｎｅ Ｂｅｌｔ Ｃｏｎｖｅｙｅｒ Ｅｎｅｒｇｙ—ｓａＶｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＷＵ Ｘｉｎｇ－ｈｕａ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔａｉｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎａｌｙｚｅｓ ｍａｉｎ ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｍｉｎｅ ｂｅｌｔ ｃｏｎｖｅｙｅｒ，ｄｉｓｃｕｓｅｓ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｍａｊｏｒ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ａｎｄ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈａｔ ｋｅｙ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｍｉｎｅ ｂｅｌｔ ｃｏｎｖｅｙｅｒ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｉｎ ｄｉｒｅｃｔｌｙ－ｄｒｉｖｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍｏｔｏｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｅｌｔ ｃｏｎｖｅｙｅｒ；ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ；ｒｅｔａｒｄｅｒ，ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｕｐｌｅｒ；ｄｉｒｅｃｔ－ｄｒｉｖｅ ｍｏｔｏｒ ０引言 节能已成为世界潮流．电机系统的节能技术更 是工业界研究的重点。带式输送机 为煤矿企业广 泛应用的运输工具．在煤炭生产中消耗大量电能． 因此．研究带式输送机的节能技术．对手煤炭企业 节能减排具有重大意义．特别是在我国单位ＧＤＰ能 ＱＦ 耗远高于发达国家的情况下 本文在详细讨论了传统带式输送机传动系统 串ｕ｛结构形式、各部件的作用、能耗之后，阐述了带式输 《 。 ｌ ＫＭ， ＫＭ 送机电机传动系统的节能技术及其发展趋势 １ 带式输送机电机传动系统结构 根据电机和减速器之间的耦合方式．带式输送 机传动系统可分为带液力耦合器的传动系统和不 带液力耦合器的传动系统。 “异步电机＋液力耦合器＋减速器＋滚筒”．这是 国内目前最常见的带式输送机传动方式 这种结构 的带式输送机启动比较简单．因为电机相当于空载 起动．对起动转矩无要求 一般可用直接启动或降 压启动 使用液力耦合器传动实现了带式输送机的 软启动．但不能实现软停车 “变频器＋异步电机＋减速器＋滚筒”．是近年来 开始得到推广的新的传动方式。由于液力耦合器运 行过程中有漏油现象．且大型液力耦合器国内不能 生产．进口价格高昂．国内企业开始尝试用“变频 器＋异步电机＋减速器＋滚筒”的驱动方式．这种驱动 方式．取消了液力耦合器．通过变频器对电机的矢 量变频控制。实现带式输送机的软启动，１ Ｈｚ时。电 机起动转矩可以达到额定转矩的１．５倍 目前国内 已经有不少成功案例 变频器控制的优点是可实现 Ｖｏ１．３２ Ｎｏ．１２ 矿用带式输送机电机系统节能技术现状与发展趋势——武兴华 第３２卷第ｌ２期 ９５％．二级能效效率值为９４．２％，三级能效效率值为 ９２．５％ 从上述数据可知．煤矿专用电机的效率比国 家规定的３级能效电机的效率值还要低： （２）轻载效率低 异步电机的效率随着负载的 变化而变化．大约８０％额定负载时效率最高．达到 额定效率 而带式输送机的负载是随着生产状况发 生变化的．尤其是可伸缩带式输送机．负载经常变 化．但所配电机按最大功率选配．这导致大多数时 带式输送机所要求的低转速机械功率．在此能量传 递过程中，减速器不可避免地有能量损耗。约占输 入功率的６％。减速器的效率和减速比有很大关系． 速比越大，效率越低。为提高传动效率．带式输送机 所配的减速器传动比要合适 ２．４带式输送机电机传动系统效率 额定运行时的带式输送机电机传动系统效率 取决于电机效率、减速器效率、液力耦合器效率．其 计算公式为 ＇ｒ／＝＇ｒ／ｄ・ｒ／ｊ・ｒ／ ＝８４．７４％ 候电机处于轻载运行，运行效率、功率因数不高，浪 费了大量电能和无功： ’（３）起动特性仍然不理想仍以上述５５ ｋＷ电 式中 电机效率，取＇ｒ／ｄ＝９１％； 卵ｉ——减速器效率，取 ＝９６％； 机为例．启动电流倍数为６．５，启动时电流可达１０５ｘ ６．５＝６８２．５ Ａ．虽然比标准的Ｙ系列电机要小．但仍 不理想 现场希望启动电流能进一步下降．启动转 矩和过载能力得到进一步提高 ２．２液力耦合器及其效率 卵 ——液力耦合器效率取ｒ／￣＝９６％。 ３矿用带式输送机电机系统节能技术 电机系统的节能主要从２个方面考虑．首先是 电机本体的效率，其次是传动系统效率．负载大范围 变化时．系统运行效率仍然要维持在较高的水平 ３．１ 提高驱动电机效率 （１）高效率、超高效率三相异步电机 所谓高效电机．就是损耗比目前生产的电机降 液力耦合器又名液力联轴器．置于驱动电机和 减速器之间．它具有一般联轴器所没有的功能．将 变速调节、力矩转换和制动功能集于一身而且还具 有软启动和过载保护功能。 目前．国内已生产的液力联轴器有标准型、限 矩型（安全型）和调速型３种产品。而在煤矿带式输 送机上用得广泛的是限矩型。根据英国液力驱动公 低２０％以上．而超高效电机是指损耗比目前生产的 常规电机降低３０％ 我国把中小型电机的能效分为３个级别．分别 为一级能效、二级能效、三级能效，且强制性规定， 低于三级能效的一般用途电机．不得生产和在市场 上出售．电机出厂时必须粘贴统一格式的能效等级 标志。 司统计．液力联轴器在带式输送机的应用比例超过 ３４．５％ 煤矿带式输送机使用液力联轴器的好处是： （１）改善启动特性，实现软启动 带式输送机在启动时需要大的启动力矩来克 服系统的静阻力矩和获得系统的加速度。带式输送 机启动时动态拉力很大．往往超过输送带拉力。为 显然。带式输送机如果选用高效率或超高效率 三相异步电机．或一级能效异步电机．带式输送机 的效率必然得到提高 （２）高效率稀土永磁同步电机 稀土永磁同步电动机用永磁体取代电励磁．无 励磁损耗；转子无绕组，无转子铜耗，无转子铁耗． 因此，效率比异步电机和电励磁同步电机高：高性 能的稀土永磁材料一钕铁硼永磁体具有很高的磁 能积，它的剩余磁感应强度、矫顽力都较大。用较少 的钕铁硼永磁体就能产生足够的电机磁能积．因此 电机体积、尺寸可以大为减小。数据表明。稀土永磁 此希望启动时缓慢加速．减少拉力，实现软启动。使 用液力联轴器便可通过对工作腔延时充液，使转速 缓慢上升 （２）过载保护可靠 当带式输送机因装料过多或被物料卡死而不 能运转时液力联轴器便发生打滑 电动机正常运 行．但带式输送机已停止工作。机械联轴器转差率 增大，油温升高，会使易熔塞融化，液体喷出，使液 力联轴器和电动机永远空转 现在为防止液力油喷 出而发生火灾事故．井下一律使用阻燃液力油。 （３）降低能耗 使用液力联轴器后．电动机的安装功率接近带 式输送机所需功率．不像普通的不用液力联轴器情 况那样．安装功率需加大５Ｏ％。 同步电动机效率比同容量异步电动机提高３％ １２％．并且在体积和最高工作转速与异步电动机相 同的情况下，输出功率也高出１０％ ３０％。 若用永磁同步电机取代带式输送机专用异步 电机．可提高带式输送机传动系统效率．但国内外 还未见报道 液力耦合器的功率损耗约为３％．其传动效率 约为９７％。 ２．３减速器及其效率 （３）轻载节能高效电机 三相异步电机的效率一般指额定工作点的效 率．但是．带式输送机在运行过程中其负载常有较 减速器将电机输出的高转速机械功率变换为 ，，—— 箜 卷第１２期 矿用带式输送机电机系统节能技术现状与发展趋势——武兴华 Ｖｏ１，３２Ｎｏ．１２ 大的波动．当负载率低于６０％时。电机效率有较大 维护成本高，不利于系统节能 下降。若能够使电机在轻载时也有较高的效率．可 直驱式电机（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｒｉｖｅ Ｍｏｔｏｒ）是简化带式输 以实现电机的节能运行 送机电机传动系统的有效途径，是提高传动效率、 （４）对三相异步电动机进行节能改造 简化传动结构的最有效方法，其最主要的措施是用 利用新技术、新材料对在役老式电动机进行改 “高效低速大转矩永磁同步电机”（Ｇｅａｒｌｅｓｓ Ｍｏｔｏｒ）取 造，同样也能起到提高电动机效率、降低损耗、减少 代了传统三相异步电机，取消了减速器、液力耦合 运行费用的作用．这是目前电动机节能的重要措施 器，使传动系统结构简化、效率提高、免维护。噪音 之一。常用的改造方法有： 低，且省去了定期更换润滑油的工作．减少了环境 ①电动机绕组改接改进电动机的绕组型式． 污染．有效减少碳排放 可减少电动机的杂散损耗与铜耗．提高电动机效 无齿轮电机可选择异步电机、开关磁阻电机、 率。选用合适的绕组型式及槽配合．能削弱电动机 永磁同步电机或其他种类的电机．但目前所说的无 的高次谐波、提高基波分布系数、提高绕组利用率、 齿轮电机指基于稀土永磁同步电动机的低速大转 改善电动机的电磁性能．从而达到减少部分附加损 矩电机。因为稀土永磁同步电动机具有其他类型电 耗、有功损耗的目的。目前节电效果较好的绕组改 机无法比拟的优点：效率高、功率密度高、运行稳 接方法有：改同心绕组为等距绕组或交叉式链形绕 定、过载能力强、启动性能好 组：改单层绕组为双层绕组：缩小定子绕组端部长 直驱式带式输送机专用电机的主要缺点是体 度等： 积大，消耗材料多，造价高，目前还不适合大功率场 ②定子绕组重绕对老式电动机定子绕组重绕 合。可以预见，随着技术的进步，直驱式电机在带式 时．可加粗导线线径．以减少电阻，降低铜损．节电 输送机系统中将会得到越来越多的应用 效益可观 电动机效率可提高１．５％ ４％： ４结语 ③采用新型节能风扇 电动机风扇的功耗与 提高矿用带式输送机电机传动系统的效率．首 转速接近三次方的关系．在大型高压电动机或全封 先要提高传动系统各个部件的效率．不仅要考虑额 闭风扇冷却型电动机中．其通风损耗在总机械耗中 定效率，还要考虑轻载时运行效率．以使在整个负 占有相当大的比例 因此．当电动机功率超过２２ ｋＷ 载区间均有较高的运行效率；其次，改变传动方式， 时．用新型节能风扇改造老式电动机．可使通风损 取消液力耦合器、减速器等中间环节．采用直接驱 耗减少到原来ｌ／３以下．通风噪声随之降低．是行之 动技术。 有效的节电措施之一： 直驱式永磁同步电机结构简单、效率高、免维 ④综合技术改造降低电动机损耗，提高其效 护，是带式输送机驱动系统的发展方向 随着制造 率是一个系统工程，要从设计、材料、合理使用等诸 技术的进步．基于稀土永磁同步电机的直接驱动技 多方面努力 由于电动机的一些节能措施往往会受 术．将得到越来越广泛的应用 到电动机技术性能、起动性能、损耗指标及材料成 参考文献： 本等因素的影响．因此．在确定某一特定电动机的 ［１］张丽峥．无齿轮永磁同步变频驱动系统在井下带式输送机中的应用 改造方案时．要进行具体的技术经济分析，兼顾电 ［Ｊ］．山西煤炭，２０１１（３）：３８—３９． 动机技术性能、改造成本、改造投资回收年限等各 ［２］牛玉卉．变频技术在煤矿的应用及节能效果研究［Ｊ］．山西科技， 个方面．找出最佳成本效益的综合节能技术改造方 ２００９（６）：１４８—１５１． 案。 『３］王志甫．秦国有．在煤炭行业使用链式输送胶带机的可行性研究 ［Ｊ］．煤矿机械，２００８，２９（８）：７３—７４． ３．２传动结构的改进 作者简介：武兴华（１９６２一），山西吉县人，硕士，高级工程师，毕 传统的带式输送机传动结构为“电动机＋液力 业于太原理ｌＴ大学电气与动力工程学院．现从事电气传动研究与教 耦合器＋减速器＋滚筒”或“变频器＋电动机＋减速器＋ 学，电子信箱：ｗｘｈ７６６６＠ｓｉｎａ．ｔｏｍ． 滚筒”．能量传递中间环节多，效率低．运行费用和 责任编辑：武伟民 收稿日期：２０１１－０６—２８ ‘ 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ‘ 。 。 。 。 ’ 。 ’ ‘ ‘ 。 。 ’ 。 。 。 。 ’ ’ 。 。 。 ‘ ‘’“一 ‘’。 。 。 ： ‘ ３２位ＡＲＭ处理器在电力系统保护设备的应用 鉴于３２位ＡＲＭ处理器有着较高主频和较强运算能力、可以方便嵌入操作系统的优点，山东科技大学和兖州矿业（集团） 公司山东省煤炭科学研究所开展了３２位ＡＲＭ处理器应用于电力系统保护设备的研究。 该微机保护装置的ＣＰＵ主系统微机计算部分由ＡＲＭ￥３Ｃ４４ＢＯＸ与外部扩展的ＳＤＲＡＭ和ＦＬＡＳＨ组成。Ｓ３Ｃ４４ＢＯＸ是 ＳＡＭＳＵＮＧ公司基于ＡＲＭ７ＴＤＭＩ核的３２位高速处理器．片上集成了丰富的外围功能模块，降低了系统应用成本。此项设计在 ＡＲＭ芯片内嵌入了ｕＣｌｉｎｕｘ操作系统，实现实时多任务操作，每个任务都设一个优先级，操作系统根据各个优先级可以动态的 切换任务 保护程序主要有微机保护主程序、采样中断服务程序和故障处理程序。微机保护主程序主要包括初始化、自检、开中 断与等待中断以及循环自检等 采样中断服务程序主要包括采样与计算、ＴＶ与ＴＡ断线自检以及保护启动元件。故障处理程序 包括保护软压板的投切检查、保护定值比较、保护逻辑判断、跳闸处理程序和后加速部分。 （李剑峰） ３一