新型矿用永磁同步电动机在煤矿企业的应用分析

摘要：针对煤矿企业机电设备中交流异步电动机存在电动机能效低、电能消耗量大的问题，引进了一种新型矿用永磁同步电动机，以改善电动机功效、降低电能消耗，实现煤矿企业降本增效及技术转型的目的。

关键词：永磁同步电动机;交流异步电动机;谐波抑制

1 概述

1.1    研究背景

电动机是设备旋转机构的主要构成部件之一，在煤矿企业中的应用尤为广泛，绝大多数煤矿机电设备依靠电动机驱动。

从我国能源现状角度出发，煤炭占我国能源生产总量的77%左右，占能源消耗总量的68%左右，我国在不断加大对煤炭行业的产业结构调整力度，以优化产业结构。无论是煤炭生产企业，还是煤化工、煤化油等煤炭深加工企业，都不可避免地需要对生产设备、技术进行更新和改进，实现节能降耗，降低企业运行成本，同时提高企业生产效率，增强企业竞争力。作为主要配套设备的电动机，在煤矿企业的风机、水泵、皮带输送设备、提升装置和掘进开采机等设备中应用广泛，数量巨大，是节能降耗的主要对象。随着“中国制造2025”战略的实施，矿用电动机及其控制系统的集成化、数字化和网络化，将成为未来煤炭及其相关产业应用电动机的发展趋势。煤炭企业生产环境特殊，尤其井下生产环境复杂，对机电设备的安全性、可靠性和环境适应性等方面提出了严格要求。永磁同步电动机尽管在其他工业领域先进生产设备的初步应用中已体现出极大优势，但以煤炭生产、加工设备为应用对象，对永磁同步电动机进行理论和应用技术方面的研究目前还处于起步阶段，对井下环境中集成化数控永磁同步电机的研究更是鲜有报道。

1.2    项目意义

永磁同步电动机作为永磁交流电动机的典型类型，具有诸多优势，在一些高精度场合已经开始取代传统交流异步电动机。相对于永磁无刷直流电动机、开关磁阻电动机等其他永磁交流电动机而言，永磁同步电动机具有效率更高、转矩脉动小、电动流谐波小、控制精度高、运行原理和控制策略更接近交流异步电动机的优势，因此，永磁同步电动机成了高效、高性能、节能电动机的首选类型。由此可见，将永磁同步电动机发展趋势与矿用机电设备的需求及发展趋势相结合，从结构优化设计、运行可靠性技术、电磁干扰抑制技术和控制策略优化等方面进行研究，解决集成数控永磁同步电动机在矿用设备中的应用适应性问题，就能充分发挥数控永磁同步电动机的优势，大大提高煤矿企业的节能降耗水平，为矿用设备的自动化、智能化建设奠定良好基础。

2 国内外技术发展趋势

煤炭行业作为我国的能源支柱型产业，正处于转型的关键期，亟需促进产业结构优化的先进技术和装备。作为矿用机电设备重要组成部分的电动机，主要呈现出以下发展趋势：

2.1    高效、节能技术

新一代矿用电动机以高效、节能、环保为目标，推动相关技术发展，如新型电动机绕组设计、低损耗高导磁材料的应用研究、通风结构的改进、先进稀土永磁材料的应用研究、降低振动噪声和提高运行性能的先进控制技术等，以此推动环保型“绿色电机”产品的发展。

2.2    高可靠性技术

礦用电机作为生产一线设备的主要驱动部件，直接关系到企业生产安全和效益，因此，必须保证矿用电动机的可靠、平稳运行，保证生产的连续、安全进行。为此，安全防护技术、故障检测及容错运行技术、完备的保护技术等影响矿用电动机安全、可靠运行的相关技术格外受到研究者的重视。

2.3    集成化、数字化技术

矿用电动机的集成化、数字化是电力电子技术、传感器技术、电动机技术等工业技术发展的结果。高密度集成技术有利于提高系统的可靠性，便于设备的安装、维护。数字化技术有利于提高系统的可靠性、信息交互性。

3 工作原理及创新方向

3.1    工作原理

隔爆型集成数控永磁同步电动机主要包括进线部分、壳体、驱动部分、永磁转子等。从结构上看，系统将永磁同步电动机本体、驱动器、控制器、信号调理电路集成为一体，以获得高功率体积比，以提高系统可靠性;电路拓扑结构采用由全控器件构成的三相桥式有源逆变器，为提高功率因数、抑制谐波和进一步提高工作效率奠定了基础。隔爆型集成数控永磁同步电动机研究思路如图1所示。

3.2    创新方向

3.2.1    理论创新

通过对系统谐波进行分析，研究谐波抑制理论，结合系统运行指标，研究矿井生产环境下电抗器的设计理论，采用电流最大变化率与电流平均变化率加权平均法，对电抗器参数进行计算，获取最佳滤波效果。通过对转子位置检测理论的研究，将传感器位置检测方法与转子位置估算方法相结合，考虑系统非线性特性和故障类型，提出非线性自适应平方根无迹卡尔曼滤波方法，提高转子位置检测的可靠性和自适应性。

3.2.2    技术创新

集成数控永磁同步电动机系统将系统主要热源、电磁源的永磁同步电动机和功率变换器集中在一个有限的空间中，对整个系统进行统一的三维电磁热分析设计，以系统级效率为目标，更有利于系统级效率和电气性能指标的提高。针对矿井生产环境的安全性需求，将全控器件有源逆变电路、空间矢量控制技术和高效永磁同步电动机集成一体，构建防爆数控永磁同步电动机系统，有利于提高防爆电动机的电气性能、效率、集成度等。

3.2.3    应用创新

永磁同步电动机调速控制系统相对于交流异步电动机调速控制系统而言，具有效率高、节能性能好、故障率低等优点，永磁同步电动机系统在矿井生产环境下的应用很少有人研究，对矿用集成数控永磁同步电动机系统的研究更是鲜有报道。应用集成数控永磁同步电动机，提高电机的电气性能指标、降低能耗，将为矿用机电设备的应用带来巨大变革。

4 效益和推广前景分析

集成数控永磁同步电动机相对于其他矿用电动机而言，具有无可比拟的优势，主要表现在：

（1）节能。高效节能是集成数控永磁同步电动机最突出的特点，系统效率可达到95%，同时四象限运行的功率变换器结构，可将机械能转变为电能馈送回供电系统，节能效果更明显。

（2）与电动机的满载工作状态相比，其效率、功率因数、力能变化不大。相对于其他电动机而言，永磁同步电动机具有更大的调速比和更高的控制精度。

（3）可靠性高。永磁同步电动机转子无绕组，结构简单。集成数控永磁同步电动机将电机、驱动器、控制器集成为一体后，可有效减少外部干扰，并降低现场安装、维护的复杂性。此外，集成数控永磁同步电动机更有利于信息交互，组建控制网络。

5 结语

随着新型矿用永磁同步电动机在煤矿企业的应用，煤矿企业将会迎来新一轮的技术革新，促使煤炭企业在节能降耗、降低成本、高效发展等发面取得重大突破，对于能源发展具有深远意义。

[参考文献]

[1] 贾卫国.稀土永磁发电机在工程车自发电中的应用研究[J].移动电源与车辆，2016（3）：25-30.

收稿日期：2020-06-22

作者简介：朱二明（1980—），男，陕西西安人，研究生，工程师，研究方向：机电控制。