智能伺服永磁直驅技術在港口皮帶機系統(tǒng)

1.技術概況帶式輸送機在港口運輸體系中占據(jù)著極其重要的地位，既是港口主要的生產(chǎn)設備，又是主要的耗能設備。以秦皇島港股份有限公司六公司為例，裝卸生產(chǎn)能耗占公司總能耗的90%以上，而皮帶機驅動能耗占裝卸生產(chǎn)總能耗的70%以上，皮帶機驅動是節(jié)能降耗的關鍵點。傳統(tǒng)的皮帶機系統(tǒng)都采用高壓異步電動機作為驅動輸出單元，配以耦合器、減速機驅動滾筒轉動，帶動膠式皮帶運轉。隨著電氣傳動技術的發(fā)展，尤其是變頻調速技術的發(fā)展，作為大容量傳動的高壓變頻調速技術也得到了廣泛的應用。高壓電機利用高壓變頻器可以實現(xiàn)無級調速，滿足生產(chǎn)工藝過程對電機調速控制的要求，既提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質量，又可大幅度節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本。一種高壓變頻調速技術與高效節(jié)能電機相結合的皮帶機驅動系統(tǒng)，成為了一種新的探索與嘗試。2.技術原理及特點2.1技術原理該項目使用智能伺服永磁直驅系統(tǒng)，替代“異步電動機+耦合器+減速機”構成的傳統(tǒng)皮帶機驅動模式，屬于“由繁到簡”的改造。從根本上改變原有驅動系統(tǒng)中間傳動環(huán)節(jié)多、傳動效率低、電能浪費嚴重的問題，改造后的驅動系統(tǒng)能夠降低電能消耗10%以上；徹底改善原有連接方式在振動沖擊條件下易造成減速箱二級軸和三級軸的變形，進而出現(xiàn)軸承松動、齒輪嚙合不平穩(wěn)、噪聲大等問題，大大減少了系統(tǒng)維護工作量。新技術通過永磁直驅電動機采用變頻器的軟啟動技術代替原系統(tǒng)起動方式，徹底改善直接起動對齒輪、膠帶造成的沖擊，減少了斷齒、齒面掉渣以及減速箱機體漏油等故障，從根本上避免了對系統(tǒng)的破壞。新型驅動系統(tǒng)采用智能變頻控制，動態(tài)響應快、起動轉矩大，能夠在皮帶滿載的情況下直接起動而不會出現(xiàn)起動失敗。使用變頻驅動器無級調速，且可以滿足皮帶機低速驗帶，極大地減少膠帶磨損及電能損耗。2.2系統(tǒng)特點智能永磁直驅系統(tǒng)由永磁直驅電動機、高性能矢量變頻器與負載構成。與傳統(tǒng)驅動系統(tǒng)相比，取消了減速器、液力耦合器等中間傳動裝置，具有高效、節(jié)能、低噪音、免維護、起動轉矩大、運行平穩(wěn)等特點。改造后的皮帶機驅動系統(tǒng)具備以下特點：（1）高效節(jié)能傳統(tǒng)驅動系統(tǒng)的傳動效率為70%~80%左右，所用的Y系列異步電機的能耗僅為國際IE1級（相當于國家三級能耗）。而該系統(tǒng)的傳動效率在93%左右，采用的永磁直驅電機能耗達到國際IE4級（高于國家一級能耗標準），綜合節(jié)能率為20%。（2）起動轉矩大智能伺服永磁直驅系統(tǒng)由永磁直驅電動機和高性能矢量控制變頻器組成，啟動轉矩能達到2.2倍的額定轉矩，可實現(xiàn)順利起動。而傳統(tǒng)驅動系統(tǒng)使用的異步電動機在同功率條件下的起動轉矩是額定轉矩的55%，不能滿足系統(tǒng)的正常起動，為了系統(tǒng)正常起動，需增大電機容量來滿足起動轉矩，但系統(tǒng)正常運行后，就造成了大馬拉小車現(xiàn)象。（3）系統(tǒng)實現(xiàn)軟起動、免維護該系統(tǒng)運用變頻器控制起動，能實現(xiàn)系統(tǒng)傳動的緩慢起動，避免了電機起動的瞬間大電流給電網(wǎng)帶來的沖擊，以及轉矩瞬時劇增給傳動系統(tǒng)帶來的機械沖擊，由此降低了故障率。同時由于比原系統(tǒng)減少了液力耦合器及減速器，降低了維護成本。后期維護只需隔2~3個月給電機軸承注油1次。（4）實現(xiàn)功率平衡當該系統(tǒng)采用多電動機主從控制驅動時，可實現(xiàn)功率平衡，避免多電機驅動時因出力不平衡而造成電機的損壞。（5）可進行自由調速系統(tǒng)可實現(xiàn)由停止到額定轉速的自由調速。通過設置可實現(xiàn)低速驗帶和空載怠速運行的功能。這樣可在檢修時，進行低速驗帶；又可在生產(chǎn)運行皮帶空載時低轉速運行，降低空載運行能耗。（6）方便實現(xiàn)兩驅或單驅運行當某一臺驅動故障時，僅需要對變頻器室內的按鈕進行簡單的操作，并將現(xiàn)場聯(lián)軸器脫開，即可實現(xiàn)雙驅運行，系統(tǒng)自動調整主從跟隨方式。（7）保護功能完善該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)過流、短路、接地、過壓、欠壓、過熱、缺相、光纖故障保護、風扇冷卻、控制電源故障等保護，當故障發(fā)生時根據(jù)故障類型分別輸出跳閘和報警信號，并能接入電源開關跳閘或用戶PLC系統(tǒng)跳閘和報警，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。（8）通信功能豐富可支持CAN、MODBUS485、PROFBUSDP等多種通信接口的接入，實現(xiàn)與上位機通信，實現(xiàn)多臺設備集中控制運行，將運行數(shù)據(jù)傳送至地面調度室進行在線監(jiān)測。（9）歷史數(shù)據(jù)存儲歷史數(shù)據(jù)存儲功能可保存最近一年的運行數(shù)據(jù)，并導出為EXCEL格式文件，且可轉化為圖形模式，便于了解皮帶機歷史工作情況。除此之外，高性能矢量變頻器又具有以下特點：輸出電壓波形接近正弦波；功率因數(shù)高，輸入諧波?。荒K化設計，結構緊湊，維護方便；功率單元自動旁通電路，能夠實現(xiàn)故障不停機功能等。3.技術創(chuàng)新點（1）新產(chǎn)品、新技術的應用創(chuàng)新首次在煤炭輸送皮帶機系統(tǒng)中使用了高壓變頻技術和低轉速大轉矩永磁直驅電機相結合的智能伺服永磁直驅系統(tǒng)，改變了“異步電動機+耦合器+減速機”的傳統(tǒng)皮帶機驅動模式。系統(tǒng)可實現(xiàn)軟起動、自由調速、負荷平衡等功能，并且具備良好的重載起動能力。不僅省去了中間的傳動環(huán)節(jié)，傳動效率也因此提高，改造后的驅動系統(tǒng)能夠降低電能消耗10%以上。（2）多傳動運行方式創(chuàng)新除滿負荷運行外，還可實現(xiàn)智能兩驅或單驅運行。當某一臺驅動故障或有其他需要時，僅需對變頻器室內的按鈕進行簡單的操作，并將現(xiàn)場聯(lián)軸器脫開，即可實現(xiàn)雙驅運行，系統(tǒng)自動調整主從跟隨方式。增強了皮帶機驅動系統(tǒng)對生產(chǎn)作業(yè)條件及設備使用環(huán)境的適應性，最大程度上減少了因設備故障等突發(fā)因素造成生產(chǎn)停滯的時間，保證了裝船作業(yè)的連續(xù)性。（3）高壓變頻傳動的創(chuàng)新現(xiàn)有系統(tǒng)起動方式為直接起動，易對齒輪、膠帶造成沖擊，有時會造成斷齒、齒面掉渣以及減速箱機體漏油等故障，還會直接影響其他部件如液力耦合器和驅動電動機的使用壽命，造成電動機軸承和軸的損傷。更換的永磁直驅電動機采用變頻器的軟起動技術從根本上避免了對系統(tǒng)的沖擊。（4）重載起動環(huán)節(jié)創(chuàng)新現(xiàn)有驅動系統(tǒng)重載起動能力差，無法滿足緊急制動后的快速起動。新型驅動系統(tǒng)采用智能變頻控制，動態(tài)響應快、起動轉矩大，能夠在皮帶滿載的情況下直接起動而不會出現(xiàn)起動失敗的情況。（5）調速與低速驗帶功能創(chuàng)新現(xiàn)有驅動系統(tǒng)無調速功能，不能實現(xiàn)輕載調速運行和低速驗帶功能。改造后可以使用變頻驅動器無級調速，生產(chǎn)流程運行過程中，皮帶空載時可怠速運行，降低空載能耗。并且可以滿足皮帶機低速驗帶，極大地減少膠帶磨損及電能損耗。（6）減少系統(tǒng)沖擊環(huán)節(jié)創(chuàng)新現(xiàn)有電動機為高壓異步電動機，起動次數(shù)受限，不能適應裝船的頻繁起動需要。采用永磁直驅系統(tǒng)后，系統(tǒng)中自帶變頻軟起軟停技術，從根本上避免沖擊的產(chǎn)生，不再受起停次數(shù)的限制。（7）施工工藝創(chuàng)新提前進行新增系統(tǒng)線路和程序改造與調試；土建施工、機械施工和電氣改造施工合理組織，穿插進行，前后銜接、互不影響。實際改造時間控制在5天之內。一是將系統(tǒng)改造對生產(chǎn)影響降至最低，二是此種施工工藝可推廣性好，可用于其他類似的大型改造項目。（8）系統(tǒng)維護環(huán)節(jié)創(chuàng)新現(xiàn)有連接方式在振動沖擊條件下，易造成減速箱二級軸和三級軸的變形，進而造成軸承松動、齒輪嚙合不平穩(wěn)、噪聲大等問題，改造后只需每半年在永磁直驅電機軸承處加注少量潤滑脂即可，大大減少了系統(tǒng)維護工作量。（9）綠色港口管理創(chuàng)新此次改造采用的永磁直驅系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，符合集團公司綠色港口建設的主基調。4.技術應用情況智能伺服永磁直驅系統(tǒng)廣泛應用于帶式輸送機、提升機、球磨機等需要低轉速高扭矩的機械設備，同時也可滿足大范圍調速和智能控制的要求，屬于可靠、高效、節(jié)能的驅動系統(tǒng)。目前，本項目在秦皇島港股份有限公司六公司BM1皮帶機已改造完成并平穩(wěn)運行。智能永磁直驅系統(tǒng)在港口企業(yè)的皮帶機系統(tǒng)中應用尚屬首次。經(jīng)過試運行，其推廣價值已經(jīng)十分顯著。（1）改造工期短，停機影響小該項目使用智能伺服永磁直驅系統(tǒng)，替代“異步電動機+耦合器+減速機”構成的傳統(tǒng)皮帶機驅動模式，涉及現(xiàn)場改造的連續(xù)停機時間只有5天，包含了拆除原有異步電動機、減速箱、耦合器組成的驅動部分，安裝新型永磁直驅電動機和配套的變頻驅動器，更換連接滾筒軸和電機固定底座及部分土建基礎施工，系統(tǒng)空載和重載測試，調整系統(tǒng)參數(shù)等工作。整個項目改造難度小，改造時間短。（2）負載更平衡，電網(wǎng)沖擊小本項目采用多電動機主從控制驅動，主控制部分和單元控制部分的控制信號通過光纖進行可靠傳輸，可實現(xiàn)多套驅動的功率平衡，避免多電機驅動時因出力不平衡而造成電機的損壞。項目所采用的匯川HD9X系列高壓變頻器采用多脈沖整流技術,大大降低了輸入側諧波，減小了對網(wǎng)側的諧波污染，提高了網(wǎng)側的功率因數(shù)；且輸出為多電平形式，波形接近正弦波，極大地減小了電機轉矩脈動，避免了電機起動的瞬間大電流給電網(wǎng)帶來的沖擊。（3）實現(xiàn)軟啟動，皮帶損傷小原BM1皮帶機驅動系統(tǒng)起動方式為直接起動，驅動系統(tǒng)中間傳動環(huán)節(jié)較多，傳動效率低，維護成本高，設備運行噪聲大，易對齒輪、膠帶造成沖擊。智能永磁直驅系統(tǒng)取消了減速器、液力耦合器等中間傳動裝置，運用變頻器控制起動，能實現(xiàn)系統(tǒng)傳動的緩慢起動，大大減少了轉矩瞬時劇增給傳動系統(tǒng)帶來的機械沖擊，由此降低了故障率，同時由于比原系統(tǒng)減少了液力耦合器及減速器，降低了維護成本。5.技術效益分析5.1節(jié)能低碳效益改造前BM1皮帶年平均運行時間4300小時，BM1年均作業(yè)量約為1200萬噸，節(jié)約用電量約為279780kW·h折算節(jié)省標準煤34.385tce/a（以GB/T2589《綜合能耗計算通則》中電能的當量值測算）。按照GB/T2589《綜合能耗計算通則》中電能的等價值，減少使用1kW·h電量可以減少發(fā)電需要用的原煤0.303kg，結合《省級溫室氣體清單編制指南》中原煤的二氧化碳排放量1.3009kg/kg計算，可以減少二氧化碳排放161.0948t/a。BM1永磁電機直驅系統(tǒng)改造項目投入生產(chǎn)運行以來，電機起動及運行穩(wěn)定，運行噪聲低，重載起動能力較好，三臺電機運行功率平衡。改造完成后開展了多項實驗對系統(tǒng)進行測試，測試結果顯示節(jié)能效果顯著。5.2經(jīng)濟效益帶式輸送機運量6000t/h，提升高度16m，帶速4.8m/s，機長925m。按照每年工作4300小時計算，皮帶機軸功率為922.1kW?，F(xiàn)運行平均耗電量2764627kW·h，負荷率記為60%。永磁電動機采用水冷冷卻方式，水冷系統(tǒng)單臺額定功率為2.2kW，三臺額定功率為6.6kW，耗電量計為6.6kW·h。電氣房空調冷卻系統(tǒng)耗電量為10.3kW。綜上，附屬設施耗電量為16.9kW·h，運行4300小時耗電量為72670kW·h，綜合節(jié)能率為10.12%。BM1皮帶機改造前高壓電機的平均運行時間為4300小時，BM1年均作業(yè)量約為1200萬噸，節(jié)約用電量約為27.978萬kW·h，減少電費支出約16.7868萬元。該項目預計每年減少減速箱、耦合器、滾筒維修及備件費用約10萬元，合計每年減少支出約26.7868萬元。5.3社會效益帶式輸送機是港口運輸體系中重要的物料轉運設備。秦皇島港股份有限公司六公司著力推進節(jié)能降耗，在全國港口行業(yè)中首先引進永磁電機驅動技術。BM1皮帶機更換永磁同步電動機后，按照現(xiàn)有運量，計算周期內（4300小時，1200萬噸）節(jié)約用電量約為279780kW·h，折算節(jié)省標準煤34.385tce/a（以GB/T2589《綜合能耗計算通則》中電能的