新疆煤炭设计研究院有限责任公司 新疆 乌鲁木齐 830091
摘要：近年来，在以习近平同志为核心的党中央坚强领导下，坚持以提高经济发展质量和效益为中心，将节能工作作为推进生态文明建设，促进高质量发展的重要抓手，采取一系列措施，新疆维吾尔自治区单位地区生产总值能耗持续下降，抑制了能源消费增速快速上涨的趋势，能源消费快速上涨的势头得到有效遏制，取得了阶段性成效。
在这样的时代背景下，通过对现有带式输送机驱动系统进行节能改造，将传统带式输送机的驱动"联轴器+变频异步电动机+减速器"方式改为永磁直驱系统方式,不仅综合效率比以往的异步电机驱动系统提高20％左右，还节约了维修、检修及磨损零部件更换的费用，同时降低了系统噪音和振动。该系统取得了较好的节能效果,为后续自动化、智能化改造打下了坚实的基础。
关键词：永磁智能驱动控制系统;高效节能;
2019年，新疆焦煤（集团）有限责任公司1930煤矿原煤输送系统技术改造，设计了一套永磁智能驱动控制系统，笔者就技术改造前后设计思路和实际效果进行了比较和统计。
一 永磁智能驱动与控制系统的布置特点
永磁变频智能驱动与控制系统，其驱动装置采用永磁变频直驱方式，低速永磁同步变频电动机通过蛇形弹簧联轴器直接与滚筒连接或者直接采用矿用隔爆型三相永磁同步电动滚筒，省却众多中间传动环节。
二 永磁智能驱动与控制系统的优势分析
1 节能环保，降低设备运行费用
永磁智能驱动与控制系统的高效率、高传动效率、以及高功率因素造就整个驱动系统的节能环保的特性，采用的永磁直驱电机能耗达到国际IE4(高于国家一级能耗标准)，较“异步电机+减速机+液力耦合器系统“效率提高了15%左右。契合国家提出的低碳环保战略。
永磁同步变频电动机为直驱方式，彻底减少整个驱动系统的组件，省却中间传动环节，较传统异步电动机驱动省却了减速器（CST）、耦合器等。减少了整个驱动系统运行维护的工作量与维护费用。
3 可靠性高，设备运行有效时间长，提升矿井生产效率
永磁智能驱动与控制系统采用永磁变频直驱技术，电动机直连滚筒从而减少了中间传动环节，系统简单有效，故障点远少于传动驱动方式，可靠性得到大幅度提高。
4 低速大转矩启动能力，过载能力强
传统驱动系统使用的异步电动机起动转矩通常是额定转矩的55%～130%，智能永磁直驱系统所使用的永磁同步变频电动机的起动转矩是额定转矩的220%，当工况需要满载或过载起动时，无需人工卸载，即可直接起动，避免因堵转、过载而造成的电机损坏。
5 避免电网及机械冲击
系统运用无传感器直接转矩控制技术(DTC)变频起动，能实现系统传动的缓慢匀速起动，起动转矩大，动态响应快，过载能力强避免了电动机起动的瞬间大电流给电网带来的冲击，以及转矩波动给传动系统带来的机械冲击，由此降低了系统的电网故障和机械故障。
6 驱动智能化
永磁智能驱动与控制系统采用主从控制方式，实现多机功率平衡及系统同步运行，从而避免因出力不均而造成的电动机损坏。
系统支持CAN、ModBus485、PROFBUS DP等多种通信接口的接入，实现与上位机通讯，及多台设备集中控制运行，可将运行数据传送至地面调度室，实现无人值守、远程控制、在线监控、故障诊断功能。
7 永磁系统与传统驱动系统的性能对比分析
1）性能对比
项目 | PVD系统 | CST/调速液耦系统 | 异步变频系统 |
调速原理 | 改变电源频率，实现无极调速 | 改变油膜间距，实现软起动，它没有调速功能，故不是调速装置，仅是软起动器。 | 改变电源频率，实现无极调速。 |
适用电动机 | 矿用隔爆型永磁同步变频电动机机 | 异步电动机 | 异步电动机 |
启动方式 | 通过调节频率，实现软起、软停和过程控制，即：可根据皮带的负载情况进行速度调节，过载能力强。 | 通过调节油膜间距，实现软起动，不能实现过程控制。 | 通过调节频率，实现软起、软停和过程控制，即：可根据皮带的负载情况进行速度调节。 |
控制 | ①. 通过电气的参数和CPU的运算，实现对速度和转矩精确、快速的控制，精度远高于CST/调速液耦； ②.通过电流与速度闭环，实现系统双闭环控制，恒定输出大转矩； ③.通过通讯方式，实现主从控制，达到多台电动机的功率平衡。 | ①.改变油膜间距调节输出力矩，实现开环控制； ②.靠液压传递力矩，增加中间环节，精度与效率较低； ③.运行速度比变频器慢，变频器是ms级，CST/调速液耦为s级； ④.油需要经常更换且更换油时需停车，造成设备运行时间的缩短，减少运行时间。 | ①. 通过电气的参数和CPU的运算，实现对速度的快速的控制，精度较高； ②.普通V/F控制，无法在低速区提供足够的扭矩输出。 ③.通过通讯方式，实现主从控制，达到多台电动机的功率平衡，但配合机械软起或连接设备，易造成不同步。 |
停车 | 真正意义上实现软停车，能解决下运及紧急停车的问题，并将多余的能量回馈到电网。 | 停车有自由停车和变频停车两种，真正意义上实现软停车。 | |
传动效率 | 机械环节少，故传动效率可达95%以上。 | 因CST/调速液耦是机械传动，在调速系统中增加了一个机械环节，故传动效率比变频器低，约在80%左右。 | 电的环节少，但控制机械传动设备多，故综合传动效率90%以下。 |
稳定性 | 基本无故障； | ①.CST/调速液耦靠机械连接在电动机和皮带之间，稳定性较差，一旦CST/调速液耦故障，整个系统都要停止，没有办法跨过CST/调速液耦运行； ②.不受电压限制，无谐波，但机械噪声大； ③.系统的复杂性决定了其故障率较高。 | ①.基本无故障； ②.大功率变频器均采用12脉波以上调速，11次以下谐波过滤器，并通过EMC装置将13次以上高次谐波滤掉； ③.变频器通过电气回路连接，在紧急情况下可以通过旁路应急，保证系统的不间断运行。 |
节能 | 永磁直驱系统能在任意频率下，尤其电动机在低速运行时，节能效果明显，达20%以上。 | 基本无节能功效。 | 负载不变情况下，低速运转时效率低，不能达到节能效果。 |
土建工程量 | 因能源单一，且模块化柜体设计，故工程施工量小。 | 由于CST/调速液耦由机械传动系统，液压系统、冷却装置及电气系统四个部分组成，除电气外，其他几个部分庞大，故工程量较大 | 因能源单一，且模块化柜体设计，但需要异步电动机机械连接部分施工，故工程施工量较小。 |
维护 | 免维护 | 维护量较大，成本相对较高；须用专用油，据往年的价格：每桶油4万美金，400kW以上全年平均需用油3桶，且随机械运行时间的增加，机械间隙增大，连续运行几年后，CST/调速液耦开始漏油，发热严重。 | 电气基本免维护，机械传动设备定期维护 |
备品备件 | 设备为模块化的电子元器件，备品备件充足更换方便。 | 备品备件成本较高，特别是油价浮动。 | 设备主要为模块化的电子元器件，备品充足，更换方便。机械备件为常规减速机备件。 |
故障率 | 基本无故障 | 由于系统的复杂性，决定了其故障率较高。 | 电气系统基本无故障。 |
对电网污染 | 通过6脉动处理及EMC滤波装置后可使谐波降至4%左右。 | 无 | 通过6脉动处理及EMC滤波装置后可使谐波降至4%左右。 |
投资回报率比较 | 整个系统节能效果好，维护量小，运行周期长，大大提高系统的回报率，避免机械冲击，提高设备使用寿命。一般运行5年内节能电费可收回成本。 | 节能效果不明显，基本没有节能功效，回报率低。 | 维护量较小，运行周期长，大大提高系统的回报率，避免机械冲击，提高设备使用寿命。 |
2）传动效率对比
输送机电费节约情况分析
电机效率(%)（按75%负载率考虑）异步电机+耦合器+减速器为80%，永磁直驱系统可达到95%；永磁直驱系统节约了异步电机+耦合器+减速器三级传动系统，直接减少了效率损耗。
计算举例：按75%负载率，输送机轴功率1761kW的情况下,异步电机+耦合器+减速器系统输入总功率为2350kW永磁直驱系统输入总功率为1894kW，则一年消耗电能（按300天，每天20小时计算）分别为14280000kW.h和11364000kW.h，每度电按0.45元计算，一年电费(万元)分别为642.6万元和511.4万元，一年节约电能2916000kW.h，一年节约费用131.2万元。节能效果显著。
8 结束语
永磁直驱系统具有系统效率高、可靠性强等优点。采用永磁直驱系统，不仅综合效率比以往的异步电机驱动系统提高20％左右，不但可用于新建带式运输设备的驱动和变频控制，也可用于对原有传统的驱动系统进行改造。
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