智能伺服永磁直驱技术在港口皮带机系统

1.技术概况带式输送机在港口运输体系中占据着极其重要的地位，既是港口主要的生产设备，又是主要的耗能设备。以秦皇岛港股份有限公司六公司为例，装卸生产能耗占公司总能耗的90%以上，而皮带机驱动能耗占装卸生产总能耗的70%以上，皮带机驱动是节能降耗的关键点。传统的皮带机系统都采用高压异步电动机作为驱动输出单元，配以耦合器、减速机驱动滚筒转动，带动胶式皮带运转。随着电气传动技术的发展，尤其是变频调速技术的发展，作为大容量传动的高压变频调速技术也得到了广泛的应用。高压电机利用高压变频器可以实现无级调速，满足生产工艺过程对电机调速控制的要求，既提高产品的产量和质量，又可大幅度节约能源，降低生产成本。一种高压变频调速技术与高效节能电机相结合的皮带机驱动系统，成为了一种新的探索与尝试。2.技术原理及特点2.1技术原理该项目使用智能伺服永磁直驱系统，替代“异步电动机+耦合器+减速机”构成的传统皮带机驱动模式，属于“由繁到简”的改造。从根本上改变原有驱动系统中间传动环节多、传动效率低、电能浪费严重的问题，改造后的驱动系统能够降低电能消耗10%以上；彻底改善原有连接方式在振动冲击条件下易造成减速箱二级轴和三级轴的变形，进而出现轴承松动、齿轮啮合不平稳、噪声大等问题，大大减少了系统维护工作量。新技术通过永磁直驱电动机采用变频器的软启动技术代替原系统起动方式，彻底改善直接起动对齿轮、胶带造成的冲击，减少了断齿、齿面掉渣以及减速箱机体漏油等故障，从根本上避免了对系统的破坏。新型驱动系统采用智能变频控制，动态响应快、起动转矩大，能够在皮带满载的情况下直接起动而不会出现起动失败。使用变频驱动器无级调速，且可以满足皮带机低速验带，极大地减少胶带磨损及电能损耗。2.2系统特点智能永磁直驱系统由永磁直驱电动机、高性能矢量变频器与负载构成。与传统驱动系统相比，取消了减速器、液力耦合器等中间传动装置，具有高效、节能、低噪音、免维护、起动转矩大、运行平稳等特点。改造后的皮带机驱动系统具备以下特点：（1）高效节能传统驱动系统的传动效率为70%~80%左右，所用的Y系列异步电机的能耗仅为国际IE1级（相当于国家三级能耗）。而该系统的传动效率在93%左右，采用的永磁直驱电机能耗达到国际IE4级（高于国家一级能耗标准），综合节能率为20%。（2）起动转矩大智能伺服永磁直驱系统由永磁直驱电动机和高性能矢量控制变频器组成，启动转矩能达到2.2倍的额定转矩，可实现顺利起动。而传统驱动系统使用的异步电动机在同功率条件下的起动转矩是额定转矩的55%，不能满足系统的正常起动，为了系统正常起动，需增大电机容量来满足起动转矩，但系统正常运行后，就造成了大马拉小车现象。（3）系统实现软起动、免维护该系统运用变频器控制起动，能实现系统传动的缓慢起动，避免了电机起动的瞬间大电流给电网带来的冲击，以及转矩瞬时剧增给传动系统带来的机械冲击，由此降低了故障率。同时由于比原系统减少了液力耦合器及减速器，降低了维护成本。后期维护只需隔2~3个月给电机轴承注油1次。（4）实现功率平衡当该系统采用多电动机主从控制驱动时，可实现功率平衡，避免多电机驱动时因出力不平衡而造成电机的损坏。（5）可进行自由调速系统可实现由停止到额定转速的自由调速。通过设置可实现低速验带和空载怠速运行的功能。这样可在检修时，进行低速验带；又可在生产运行皮带空载时低转速运行，降低空载运行能耗。（6）方便实现两驱或单驱运行当某一台驱动故障时，仅需要对变频器室内的按钮进行简单的操作，并将现场联轴器脱开，即可实现双驱运行，系统自动调整主从跟随方式。（7）保护功能完善该系统能够实现过流、短路、接地、过压、欠压、过热、缺相、光纤故障保护、风扇冷却、控制电源故障等保护，当故障发生时根据故障类型分别输出跳闸和报警信号，并能接入电源开关跳闸或用户PLC系统跳闸和报警，保障系统安全稳定运行。（8）通信功能丰富可支持CAN、MODBUS485、PROFBUSDP等多种通信接口的接入，实现与上位机通信，实现多台设备集中控制运行，将运行数据传送至地面调度室进行在线监测。（9）历史数据存储历史数据存储功能可保存最近一年的运行数据，并导出为EXCEL格式文件，且可转化为图形模式，便于了解皮带机历史工作情况。除此之外，高性能矢量变频器又具有以下特点：输出电压波形接近正弦波；功率因数高，输入谐波小；模块化设计，结构紧凑，维护方便；功率单元自动旁通电路，能够实现故障不停机功能等。3.技术创新点（1）新产品、新技术的应用创新首次在煤炭输送皮带机系统中使用了高压变频技术和低转速大转矩永磁直驱电机相结合的智能伺服永磁直驱系统，改变了“异步电动机+耦合器+减速机”的传统皮带机驱动模式。系统可实现软起动、自由调速、负荷平衡等功能，并且具备良好的重载起动能力。不仅省去了中间的传动环节，传动效率也因此提高，改造后的驱动系统能够降低电能消耗10%以上。（2）多传动运行方式创新除满负荷运行外，还可实现智能两驱或单驱运行。当某一台驱动故障或有其他需要时，仅需对变频器室内的按钮进行简单的操作，并将现场联轴器脱开，即可实现双驱运行，系统自动调整主从跟随方式。增强了皮带机驱动系统对生产作业条件及设备使用环境的适应性，最大程度上减少了因设备故障等突发因素造成生产停滞的时间，保证了装船作业的连续性。（3）高压变频传动的创新现有系统起动方式为直接起动，易对齿轮、胶带造成冲击，有时会造成断齿、齿面掉渣以及减速箱机体漏油等故障，还会直接影响其他部件如液力耦合器和驱动电动机的使用寿命，造成电动机轴承和轴的损伤。更换的永磁直驱电动机采用变频器的软起动技术从根本上避免了对系统的冲击。（4）重载起动环节创新现有驱动系统重载起动能力差，无法满足紧急制动后的快速起动。新型驱动系统采用智能变频控制，动态响应快、起动转矩大，能够在皮带满载的情况下直接起动而不会出现起动失败的情况。（5）调速与低速验带功能创新现有驱动系统无调速功能，不能实现轻载调速运行和低速验带功能。改造后可以使用变频驱动器无级调速，生产流程运行过程中，皮带空载时可怠速运行，降低空载能耗。并且可以满足皮带机低速验带，极大地减少胶带磨损及电能损耗。（6）减少系统冲击环节创新现有电动机为高压异步电动机，起动次数受限，不能适应装船的频繁起动需要。采用永磁直驱系统后，系统中自带变频软起软停技术，从根本上避免冲击的产生，不再受起停次数的限制。（7）施工工艺创新提前进行新增系统线路和程序改造与调试；土建施工、机械施工和电气改造施工合理组织，穿插进行，前后衔接、互不影响。实际改造时间控制在5天之内。一是将系统改造对生产影响降至最低，二是此种施工工艺可推广性好，可用于其他类似的大型改造项目。（8）系统维护环节创新现有连接方式在振动冲击条件下，易造成减速箱二级轴和三级轴的变形，进而造成轴承松动、齿轮啮合不平稳、噪声大等问题，改造后只需每半年在永磁直驱电机轴承处加注少量润滑脂即可，大大减少了系统维护工作量。（9）绿色港口管理创新此次改造采用的永磁直驱系统节能效果显著，符合集团公司绿色港口建设的主基调。4.技术应用情况智能伺服永磁直驱系统广泛应用于带式输送机、提升机、球磨机等需要低转速高扭矩的机械设备，同时也可满足大范围调速和智能控制的要求，属于可靠、高效、节能的驱动系统。目前，本项目在秦皇岛港股份有限公司六公司BM1皮带机已改造完成并平稳运行。智能永磁直驱系统在港口企业的皮带机系统中应用尚属首次。经过试运行，其推广价值已经十分显著。（1）改造工期短，停机影响小该项目使用智能伺服永磁直驱系统，替代“异步电动机+耦合器+减速机”构成的传统皮带机驱动模式，涉及现场改造的连续停机时间只有5天，包含了拆除原有异步电动机、减速箱、耦合器组成的驱动部分，安装新型永磁直驱电动机和配套的变频驱动器，更换连接滚筒轴和电机固定底座及部分土建基础施工，系统空载和重载测试，调整系统参数等工作。整个项目改造难度小，改造时间短。（2）负载更平衡，电网冲击小本项目采用多电动机主从控制驱动，主控制部分和单元控制部分的控制信号通过光纤进行可靠传输，可实现多套驱动的功率平衡，避免多电机驱动时因出力不平衡而造成电机的损坏。项目所采用的汇川HD9X系列高压变频器采用多脉冲整流技术,大大降低了输入侧谐波，减小了对网侧的谐波污染，提高了网侧的功率因数；且输出为多电平形式，波形接近正弦波，极大地减小了电机转矩脉动，避免了电机起动的瞬间大电流给电网带来的冲击。（3）实现软启动，皮带损伤小原BM1皮带机驱动系统起动方式为直接起动，驱动系统中间传动环节较多，传动效率低，维护成本高，设备运行噪声大，易对齿轮、胶带造成冲击。智能永磁直驱系统取消了减速器、液力耦合器等中间传动装置，运用变频器控制起动，能实现系统传动的缓慢起动，大大减少了转矩瞬时剧增给传动系统带来的机械冲击，由此降低了故障率，同时由于比原系统减少了液力耦合器及减速器，降低了维护成本。5.技术效益分析5.1节能低碳效益改造前BM1皮带年平均运行时间4300小时，BM1年均作业量约为1200万吨，节约用电量约为279780kW·h折算节省标准煤34.385tce/a（以GB/T2589《综合能耗计算通则》中电能的当量值测算）。按照GB/T2589《综合能耗计算通则》中电能的等价值，减少使用1kW·h电量可以减少发电需要用的原煤0.303kg，结合《省级温室气体清单编制指南》中原煤的二氧化碳排放量1.3009kg/kg计算，可以减少二氧化碳排放161.0948t/a。BM1永磁电机直驱系统改造项目投入生产运行以来，电机起动及运行稳定，运行噪声低，重载起动能力较好，三台电机运行功率平衡。改造完成后开展了多项实验对系统进行测试，测试结果显示节能效果显著。5.2经济效益带式输送机运量6000t/h，提升高度16m，带速4.8m/s，机长925m。按照每年工作4300小时计算，皮带机轴功率为922.1kW。现运行平均耗电量2764627kW·h，负荷率记为60%。永磁电动机采用水冷冷却方式，水冷系统单台额定功率为2.2kW，三台额定功率为6.6kW，耗电量计为6.6kW·h。电气房空调冷却系统耗电量为10.3kW。综上，附属设施耗电量为16.9kW·h，运行4300小时耗电量为72670kW·h，综合节能率为10.12%。BM1皮带机改造前高压电机的平均运行时间为4300小时，BM1年均作业量约为1200万吨，节约用电量约为27.978万kW·h，减少电费支出约16.7868万元。该项目预计每年减少减速箱、耦合器、滚筒维修及备件费用约10万元，合计每年减少支出约26.7868万元。5.3社会效益带式输送机是港口运输体系中重要的物料转运设备。秦皇岛港股份有限公司六公司着力推进节能降耗，在全国港口行业中首先引进永磁电机驱动技术。BM1皮带机更换永磁同步电动机后，按照现有运量，计算周期内（4300小时，1200万吨）节约用电量约为279780kW·h，折算节省标准煤34.385tce/a（以GB/T2589《综合能耗计算通则》中电能的