刮板输送机永磁直驱系统模拟试验研究

王 佳

（山西焦煤西山煤电官地矿， 山西 太原 030022）

引言

刮板输送机为综采工作面的关键设备，其承担综采工作面的装运任务外，还与采煤机和液压支架统称为工作面的“三机”；可见，刮板输送机对煤矿生产的重要性。驱动系统是保证刮板输送机稳定、高效运行的基础。目前，刮板输送机驱动电机主要以三相异步电动机位置，其通过减速器完成传动能量的传输，在实际应用中存在传动效率不高、故障率高等问题，严重制约着煤矿的高效生产[1]。因此，本文提出采用永磁同步电动机设计一套无减速器的驱动系统，并对驱动效果进行模拟试验研究。

1 刮板输送机永磁直驱系统的设计

近年来，随着采煤机截割能力的提升，对应刮板输送机的运输能力也提出更高的要求。为适应综采工作面的生产能力，本文将为输送量为1500 万t 的刮板输送机配套设计永磁直驱系统，主要包括有永磁同步电动机、变频控制器以及关键部件的设计。

1.1 永磁同步电动机功率计算

永磁同步电动机为刮板输送机的核心动力系统，其为整个刮板输送机的运行提供动力。当所选型永磁同步电动机的功率过大时容易造成能量的浪费，使得电动机运行效率较低；而当选型的永磁同步电动的过小时，容易导致电动机经常处于超负荷的状态运行，从而经常出现过热现象[2]。

结合MT/T 矿用刮板输送机机型与参数的相关标准，结合煤矿1500 万t 运输量的需求，为其配套刮板输送机的主要技术参数如表1 所示。

表1 刮板输送机主要技术参数

刮板输送机在实际运行过程中的运行阻力包括有克服运输煤炭的阻力、克服机头机尾弯曲段的附加阻力。通过计算可知，结合实际工况，本文所配套刮板输送机的运行总阻力为1046505.8 N。根据式（1）计算永磁同步电机的功率：

式中：F 为刮板输送机的运行总阻力，取1046505.8 N；v 为刮板输送机的链条速度，取1.5 m/s；η 为联轴器的传递效率，取0.95。将上述参数代入式（1）中，并考虑15%～20%的备用功率的基础上得出，适用于该刮板输送机永磁同步电动机的功率为2×950～2×1000 kW[3]。

基于上述理论计算结果，并充分对当前市面上永磁同步电动机性能、成本等进行对比调研分析后，最终确定所选型永磁同步电动机的主要技术参数如表2 所示。

表2 永磁同步电动机主要技术参数

分别在刮板输送机机头和机尾各配置一套表2参数的永磁同步电动机，实现对刮板输送机的双电动机驱动控制。

1.2 变频器的选型

变频调速技术为当前煤矿生产中应用较为广泛的核心技术[4]。因此，针对刮板输送机恶劣的生产工况（存在满载启动），采用变频器实现对刮板输送机软启动，从而降低对刮板输送机零部件以及电动机的冲击，对延长刮板输送机的使用寿命和运输效率具有重要意义。

变频器选型的主要依据为其容量和额定电流，且与永磁同步电动机相配套。变频器容量计算公式如式（2）所示：

式中：UMN为永磁同步电动机的额定电压；IMN为永磁同步电动机的额定电流。

将上页表2 中的参数值代入式（2）得出，适用于该永磁同步电动机的变频器的容量应大于1120.3 kW。此外，考虑电流波形修正系数，对应的变频器的额定电流为205.8 A。

鉴于变频器在实际运行过程中存在3%左右的能量损耗。因此，采用水冷却的方式对变频器进行冷却。

2 刮板输送机永磁直驱系统的模拟试验研究

2.1 模拟实验平台的构建

为验证刮板输送机永磁直驱系统能够真正应用解决三相异步电动机+减速器驱动方式的问题；同时，考虑到工业性试验的成本且难度较大，本节基于测功机为刮板输送机添加模拟负载的方式对永磁直驱系统进行模拟试验[5]。所构建的试验平台如图1所示。

图1 刮板输送机永磁直驱系统模拟实验平台

如图1 所示的模拟实验平台，并结合本文“1”中永磁同步电动机和变频器的计算结果，所配套永磁同步电动机的型号为TYVZ-380-280M-16，与其相配套控制器的型号为HSV-180AD-450；测功机选用磁粉式测功机，具体型号为4PB15；扭矩传感器的型号为TQ-660 动态扭矩传感器，该传感器的最大量程可达1500 N·m，且测量精度可为±0.5%。

2.2 模拟实验结果分析

基于如图1 所搭建的模拟实验平台，对刮板输送机在空载和满载工况下的性能进行验证。具体实验结果阐述如下：

2.2.1 空载启动工况的性能实验分析

刮板输送机在空载启动工况下，基于永磁直驱系统的控制下，对应电机的输出扭矩和输出转速的变化情况如图2 所示。

图2 空载工况对应模拟实验结果

如图2 所示，在空载启动工况下，永磁同步电动机的转速经过1.6 s 的时间段才能达到稳定状态，在波动状态的最大转速为57 r/min，最终电机稳定转速为42 r/min。对于电机输出扭矩也呈现类似的变化趋势，在1.6 s 后达到稳定输出扭矩约为300 N·m；在波动范围可达到的最大扭矩为560 N·m。

2.2.2 满载启动工况的性能实验分析

刮板输送机在满载启动工况下，基于永磁直驱系统的控制下，对应电机的输出扭矩、和输出转速的变化情况如图3 所示。

由图3 可知，在满载启动工况下电机输出扭矩的波动较为剧烈，受到扭矩波动的影响，电机输出转速的波动幅度也很大，最大可波动到55.5 r/min，最小波动量为26 r/min；而在14 s 后才能达到稳定运行状态。

图3 满载工况对应模拟实验结果

3 结语

刮板输送机为综采工作面的关键设备，其不仅承担煤炭的装运任务，而且还为采煤机提供运行轨道，为液压支架推溜提供支撑点。为解决刮板输送传统驱动系统三相异步电动机+减速器的方式存在驱动功率不足和故障率高的问题，本文设计了基于永磁同步电动机的刮板输送机永磁直驱系统，完成了永磁同步电动机的选型和变频器容量的计算。最后，对所设计永磁直驱系统的性能进行验证，其在满载工况下趋于稳态时间还需进一步优化。