皮带机驱动系统改造方案报告;.pdf

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1、 目 录 1 驱动系统改造的必要性和重要性驱动系统改造的必要性和重要性驱动系统改造的必要性和重要性驱动系统改造的必要性和重要性 . 1 1.1 传统驱动系统介绍 . 1 1.2 传统驱动系统的不足 . 1 1.3 改造的必要性和重要性 . 2 2 技术可行性分析技术可行性分析技术可行性分析技术可行性分析 . 2 2.1 永磁直驱系统特点 . 3 2.2 驱动系统对比 . 3 2.3 永磁同步电机特性 . 3 3 改造可行性改造可行性改造可行性改造可行性 . 5 3.1 系统方案 . 5 3.2 关键技术 . 5 3.3 创新点 . 6 3.4 改造流程 . 6 4 成功案例成功案例成功案例成功

2、案例 . 7 4.1 改造方案 . 7 4.2 改造前后对比 . 7 4.3 综合节能分析 . 8 4.4 改造结论 . 9 5 经济效益分析与社会效益经济效益分析与社会效益经济效益分析与社会效益经济效益分析与社会效益 . 9 5.1 经济效益分析 . 9 5.2 社会效益分析 . 10 6 推广价值推广价值推广价值推广价值 . 10 1 / 10 北京百正创源科技有限公司 版权 2014 北京百正创源科技有限公司专属技术信息，未经北京百正创源科技有限公司书面许可，不得拷贝、外 借、传播或将内容向任何第三方披露。 1 驱动系统改造的必要性和重要性 1.1 传统驱动系统介绍 软启动技术是解决带式

3、输送机大功率驱动系统所遇问题的核心技术。综合国内外现有 的带式输送机软起动系统，目前主要有以下几种形式：液力耦合器、调速型液力耦合器、 液体粘性软起动(如美国生产的 CST 系统)、德国生产的可控硅电机等。 目前带式输送机软起动主要的研究方向分两个方面：一方面是随着大功率半导体器 件、大规模集成电路以及电子技术、控制技术的发展而开发出高性能、高可靠性的电气调 速系统，主要有交流调压、可控硅直流调速、变频调速等；另一方面则主要是从传动装置 出发，开发一系列的能空载起动、速度可调的软起动装置，主要有调速液力耦合器、液体 粘性软起动装置(如 CST 系统)等。这三种方式都是通过异步电机+减速器来实现

4、整机的低速 启动及运转。 1.2 传统驱动系统的不足 驱动系统是带式输送机最重要的部件。然而，由于调速型液力耦合器为工业通用性产 品，不是使用在带式输送机上的专用产品，对大功率长距离带式输送机采用调速型液力耦 合器驱动的控制没有达到较为满意的性能指标及精度要求，在大功率长距离带式输送机上 应用还不多。CST 驱动装置的调速系统与减速器合为一体，体积大，安装不便；在高速轴 上配置逆止器、制动器困难；系统为机、电液一体化，复杂且维护困难，备品备件依赖进 口，后期运行成本高、经济性差。在带式输送机软启动方案中采用调速型液力耦合器调速 和 CST 可控启动传输系统，基本能满足软启动的要求，但工作可靠性

5、、调速性能、功率平 衡性能、速度同步性能等均不理想，且体积重量大，安装调试不便，维护费用高。 驱动技术的关键在于启停和功率平衡的控制。随着煤炭行业高产高效矿井建设，煤矿 综合机械化程度和生产工效的不断提高，煤矿井下用带式输送机，正向高带速、大运量、 大功率、大倾角、长运距的方向发展。对于大功率驱动系统，需要解决很多问题，其中关 键有以下两个方面：1、对于大功率驱动系统，不可控制启动和快速启动会使输送带张力 过大，导致输送带和其他元部件的损害，甚至会出现机架损坏，拉紧装置倾翻，输送带断 裂等事故。2、若带式输送机超载，或出现多驱之间负载不平衡，驱动系统无法及时调整 机速和转矩或不能平衡各驱负载，

6、会使机械部件发生过载损坏。 2 / 10 北京百正创源科技有限公司 版权 2014 北京百正创源科技有限公司专属技术信息，未经北京百正创源科技有限公司书面许可，不得拷贝、外 借、传播或将内容向任何第三方披露。 1.3 改造的必要性和重要性 节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是当前一项极为紧迫的任务。国 家在机械行业逐渐加大淘汰原有的高能耗机电产品的力度， 鼓励、 扶持发展高效节能产品， 促进工效，提高其用能效率，提高节能型机电产品设计制造水平和加工能力。 十二五节能改造工程中明确提出了电机系统节能：采用高效节能电动机、风机、水泵、 变压器等更新淘汰落后耗电设备。对电机系统实施变频调

7、速、永磁调速、无功补偿等节能 改造，优化系统运行和控制，提高系统整体运行效率。 若用低速永磁同步电机直接驱动（永磁直驱），替代异步电机，取消减速器和高速联 轴器，配合变频器直接连接驱动滚筒，可提高皮带机传动系统效率，使整个驱动系统具有 高效、节能、低噪音、免维护、输出转矩大、启动平稳、结构紧凑、体积小等优点。 永磁直驱系统综合运行效率较高，符合我国大力开发节能产品产业政策。随着各行各 业体制改革的深入发展，大量应用高效节能的永磁同步电机将成为今后发展的主流，皮带 机永磁直驱系统正是这一发展的实践应用方向，具有深远的社会意义。 2 技术可行性分析 永磁直驱是简化传动系统的有效途径，也是提高传动效

8、率、简化传动结构最有效的方 法，取消了减速器，用电机直接驱动滚筒，使传动系统效率提高，噪音低、免维护，且省 去了定期更换润滑油的工作，减少了环境污染，有效减少碳排放。 永磁同步电机在带式输送机上的应用在国外尚无相关报道，但国外在直驱式永磁电机 上的研发上较为突出。瑞士 ABB 公司开发了电压范为 400-690 V、转速 127-750rpm、功率 17-2592kW 的直驱式电机， 效率最高达 98.1， 功率因数达 0.95。 西门子公司研制的 1FW3 系列直驱式电机，转速在 150-750rpm，功率范围在 3.1-380kW，输出转矩 100-7000Nm； 1FW6 系列直驱式电机

9、，转速在 40650 rpm，额定输出转矩 109-5760Nm。在直驱式永磁 电机应用方面，国外将永磁同步电机应用于电梯拖动的曳引机，转矩提高了十几倍，取消 了庞大的齿轮箱，通过曳引轮直接拖动轿厢，明显减小了振动和噪声。在船用吊舱式电力 推进器方面，国外将低速大转矩的永磁同步电动机置于船舱外的吊舱，无需原来的传动系 统，直接驱动螺旋桨，实现船舶的运行和控制。 在国内， 已有160kW以下的永磁电机运用于带宽800-1000mm的带式输送机上的案例。 3 / 10 北京百正创源科技有限公司 版权 2014 北京百正创源科技有限公司专属技术信息，未经北京百正创源科技有限公司书面许可，不得拷贝、外

10、 借、传播或将内容向任何第三方披露。 2.1 永磁直驱系统特点 ? 低速直驱，无减速系统，简化传动链，可靠性高； ? 具有较高的系统综合效率，高效节能； ? 全矢量控制，运行模式多样化，实现精确的控制和调节特性； ? 低速大转矩，起停平稳，能实现过载起动； ? 多机运行时，能实现功率平衡； ? 结构简单紧凑，占用空间面积小； ? 使用维修方便，操作安全可靠，寿命长。 2.2 驱动系统对比 驱动 方式 可靠性 功率平衡 起动/停止 传动效率 控制方式 调速范围 备品备件 异步电 机+CST 稳定性较 差，系统复 杂，故障率 高，维护量 大，维护成 本高 不能实现 速度连续 可调 通过液压系 统，

11、 实现短时 软起、软停 机械传动效 率约为 85%， 电机额定效 率约为 93% 通过液压 系统，实 现短时速 度调节 3070% 备品备件成 本较高 维修周期长 变频异 步电机 +减速 机 减速机故障 率高，维护 量大，维护 成本高 控制实现 主从跟 随，实现 转矩平衡 通过调节频 率，实现软 起、软停 机械传动效 率约为 85%， 电机额定效 率约为 93% 通过矢量 控制，实 现速度调 节 20100% 变频控制系 统备件，减速 机备件，维修 时需要较多 的维修设备 和工时 永磁直 驱 无减速机， 低速电机， 可靠性高， 基本免维护 控制实现 主从跟 随，实现 转矩和速 度平衡 通过调节

12、频 率， 实现软起 /停，可扩展 成四象限运 行， 实现智能 制动 机械传动效 率 98.5%，电 机平均效率 约为 96% 通过全矢 量控制， 实现转矩 和速度调 节 0120% 设备主要为 模块化的电 子元器件，更 换方便 2.3 永磁同步电机特性 永磁直驱的系统优势主要得益于永磁电机的以下特性决定： 4 / 10 北京百正创源科技有限公司 版权 2014 北京百正创源科技有限公司专属技术信息，未经北京百正创源科技有限公司书面许可，不得拷贝、外 借、传播或将内容向任何第三方披露。 2.3.1 效率高 永磁电机用永磁体取代电励磁，无励磁损耗；转子无绕组，无转子铜耗，无转子铁耗， 效率比同容量

13、异步电动机提高 3-15。在效率上，不但在额定点有了提高，而且在低负 载、低速条件下，更是优势明显。下图为永磁同步电机与异步电机的效率对比曲线。 由上述曲线可以解读出异步电机在变速变功率运行时，其效率指标与永磁同步电机有 很大的不同，永磁同步电机在综合效率上远远超过异步电机。 2.3.2 功率密度大 随着高性能钕铁硼(NdFeB)永磁材料（第三代）的问世，使永磁电机产生了里程碑式的 发展。钕铁硼具有很高的磁能积，它的剩余磁感应强度、矫顽力都较大，用较少的钕铁硼 永磁体就能产生足够的电机磁能积，因此电机体积、尺寸可以大为减小。在体积和最高工 作转速与异步电动机相同的情况下，输出功率也高出 10-

14、30。永磁同步电机极数多， 多极电机可显著减小定、转子铁心轭部高度，从而减少铁心用量，减小电机体积。 2.3.3 启动转矩大 常规异步电动机启动转矩倍数和最大转矩倍数都有限，为达要求，需选择更大容量的 异步电动机，而到了正常运行状态，异步电动机则又处于轻载运行状态，效率和功率因数 均较低。永磁同步电机因极数多，输出转矩可达异步电机的数倍以上，可满足负载大时的 启动。 5 / 10 北京百正创源科技有限公司 版权 2014 北京百正创源科技有限公司专属技术信息，未经北京百正创源科技有限公司书面许可，不得拷贝、外 借、传播或将内容向任何第三方披露。 目前，大型皮带机驱动装置大多采用 CST 可控软

15、启动装置，这种皮带机虽然能较好的 完成原煤输送任务，但在安装空间、维护保养、后期投入、节能环保方面给矿方带来诸多 不便与资金浪费。若能将综合性能更好，体积更小，后期几乎零维护的永磁直驱系统用于 此类皮带机，将会进一步提高顺槽可伸缩皮带机的综合性能，会给客户带来巨大的经济和 社会效益。 3 改造可行性 3.1 系统方案 皮带机永磁直驱系统是由变频控制系统、永磁电机、驱动滚筒、低速联轴器和主控系 统构成。永磁电机通过联轴器直接与滚筒相连，永磁电机安装在皮带机机架旁边。电机通 过电缆连接至变频器，多台（套）驱动电机组成完整的驱动系统，协同工作完成皮带机的 驱动任务。皮带机主控系统根据各项参数和输送量

16、需求，控制变频控制系统驱动永磁电机 和滚筒及皮带工作。各系统将信息和数据反馈给变频控制系统，进行控制和保护电机。 3.2 关键技术 （1） 利用变频器+永磁同步电机的软启动装置， 取代了原有驱动装置中的异步电机、 耦合器、减速器、高速轴联轴器，解决了传统驱动装置体积过于庞大，不省空间 的问题； （2） 利用永磁同步电机相比于异步电机优异的重载启动性能，使皮带机平稳启动， 减少了机械冲击，延长了皮带寿命； （3） 利用永磁同步电机无需激励电流，高输出功率、高效率特性，与原有驱动系统 相比，大大节省了能源浪费和电费开支； 6 / 10 北京百正创源科技有限公司 版权 2014 北京百正创源科技有限

17、公司专属技术信息，未经北京百正创源科技有限公司书面许可，不得拷贝、外 借、传播或将内容向任何第三方披露。 （4） 利用永磁同步电机低速大扭矩的特性，可与驱动滚筒直接相连，减少了高速联 轴器、减速器等机械传动设备，降低了振动、噪声，提高了传动效率，解决了过 去对减速器维护率较高的问题； （5） 利用永磁同步电机曲型水道冷却系统及变频器的内置水冷系统， 省去了原有驱 动装置的风冷、油冷系统及 CST 可控启动传输系统外置的风冷装置，不仅降低了 噪声和冷却装置费用，而且解决了维护、安全等一系列问题； （6） 利用变频器+永磁同步电机的软启动方式，提高了原有驱动装置在下运发电工 况下电能返回电网的能力

18、。 3.3 创新点 （1） 首次将较大功率的永磁同步电机应用于井下可升缩带式输送机驱动装置中， 通 过联轴器将永磁同步电机直接与驱动滚筒相连，实现了上运和下运工况同时存在 的可升缩带式输送机的高效运行； （2） 永磁同步电机采用内部水冷系统，不再需要外置冷却装置，效率高，免维护， 高扭矩，过载强； （3） 变频器控制永磁同步电动机重负荷软启动、软停车和运行过程控制，具有启动 电流小、启动速度平稳、启动性能可靠、对电网冲击小等优点；同时使整个驱动 装置具有明显的节能效应，可实现经济运行。 3.4 改造流程 序号序号序号序号 项目项目项目项目 内容内容内容内容 周期周期周期周期 1 原系统调研 安

19、装尺寸、电气连接、系统参数等 13 天 2 改造方案报告 改造方案论述（含机械及电气） 3 天 3 改造准备 改造材料准备（变频器、电机及安装底板等） 23 个月 4 改造实施 安装、接线、调试、运行 13 天 5 改造总结 项目总结报告 1 天 7 /10 北京百正创源科技有限公司 版权 2014 北京百正创源科技有限公司专属技术信息，未经北京百正创源科技有限公司书面许可，不得拷贝、外 借、传播或将内容向任何第三方披露。 4 成功案例 4.1 改造方案 2012 年 11 月 3 日至 5 日，北京百正创源在晋煤集团赵庄矿 53031 巷道顺槽皮带机驱 动电机节能改造，历时三天将原配置为三驱

20、 CST 控制系统、CST 和 400kW 异步电机的驱动 结构改造为两驱 630kW 变频器和 400kW 低速永磁同步电机驱动结构。 皮带主要技术参数如下： 皮带长度 L=1900m ，运量 Q=2500t/h ，带速 V=3.5m/s，带宽 B=1.4m，滚筒直径 1m。 4.2 改造前后对比 4.2.1 驱动系统结构对比 永磁直驱系统结构简单，配件少、维护量小、重量轻、体积小。 驱动系统 系统组成 传统驱动系统 异步电机、CST、CST 油冷系统、CST 风冷系统、CST 控制箱、高速联轴器、低速联轴器 永磁直驱系统 永磁同步电机、变频器、低速联轴器 4.2.2 电机性能对比 永磁同步

21、电机与异步电机相比，磁场由转子上永磁体提供，无需励磁电流，无转子电 阻损耗和转子铁耗；电机为多极低速电机，无转子风扇，机械损耗低；因此电机效率高、 功率因数高、过载能力强、启动电流小。 8 /10 北京百正创源科技有限公司 版权 2014 北京百正创源科技有限公司专属技术信息，未经北京百正创源科技有限公司书面许可，不得拷贝、外 借、传播或将内容向任何第三方披露。 参数 永磁同步电机 异步电机 额定功率 400kW 400kW 启动电流 20%In 5-7 倍 In 功率因数 0.96 0.85 过载倍数 3 倍额定转矩 1.5 倍额定转矩 额定效率 96% 93% 极数 32 4 4.3 综合

22、节能分析 现以两驱 400kW 皮带机为例来分析节能问题， 下面为三种配置的能量损耗与各种费用 对比，见下表。 项目项目项目项目 异步电机异步电机异步电机异步电机+CST 异步电机异步电机异步电机异步电机+减速减速减速减速 机机机机+变频器变频器变频器变频器 永磁同步电机永磁同步电机永磁同步电机永磁同步电机+变频器变频器变频器变频器 滚筒功率（kW） 400 400 400 电机台数 2 2 2 CST 或减速机效率 85.0% 85.0% 100.0% 低速联轴器效率 98.5% 98.5% 98.5% 高速联轴器效率 98.5% 98.5% 100.0% 机械传动效率 （= CST 效率*

23、低速联轴器效率* 高速联轴器效率） 82.5% 82.5% 98.5% 电机需要的轴功率（kW） 485 485 406 电机选型功率（kW） （按 1.1 倍） 533 533 447 电机效率 93.0% 93.0% 96.0% 电机功率因数 0.85 0.85 0.95 变频器效率 100% 95% 95% 冷却泵电机（kW） 18.5 18.5 3 热交换器风扇（kW） 5.5 5.5 3 用电总容量（kVA） （=滚筒功率/机械传动效率/电 1274 1338 948 9 /10 北京百正创源科技有限公司 版权 2014 北京百正创源科技有限公司专属技术信息，未经北京百正创源科技有限

24、公司书面许可，不得拷贝、外 借、传播或将内容向任何第三方披露。 机效率/电机功率因数/变频器效 率+冷却泵电机功率+热交换器电 机功率）x2 电费(万元) 按一年 7000h，0.7 元每度电 624 655 464 差值(万元) （以永磁直驱系统作为基准） +160 +191 0 由于取消了 CST 或液力耦合调速系统，相应的维护及配套的润滑和冷却系统维护也相 应取消，此项费用每年可节省 50 万左右。 4.4 改造结论 ? 永磁同步电机变频软启动驱动装置在煤矿井下可伸缩带式输送机上的使用完全能够代 替原有的传统驱动装置，且整机重载频繁启动能力得到大力改善，冲击振动减小，噪 音降低； ? 永

25、磁同步电机与滚筒连接可靠，传递平稳； ? 永磁同步电机变频软启动驱动装置充分利用了永磁同步电机在高效节能方面的特点， 满足皮带机正常运行的同时，还节约电能 30%，提高了效率； ? 电控系统性能可靠，工作正常； ? 皮带机整体故障率低，维护量降低，降低了工人劳动强度。 ? 永磁同步电机变频软启动驱动装置配套的该条皮带机在结构、强度、可靠性、维护性 等方面都达到了配套和设计要求，能够满足大型矿井实现高效、高产的目标。 5 经济效益分析与社会效益 5.1 经济效益分析 永磁同步电机效率达到了 97%，功率因数可高达 0.96，使得电能利用率提高。由于实 现了无齿轮调速，没有二次减速过程，省去了齿轮

26、上的损耗，提高了系统效率。 异步电机采用开启通风冷却方式，冷却风中含有的尘埃、铁屑等杂质，会污染电动机 内部，需要定期解体清扫；永磁同步电机采用全封闭结构，不需解体清扫，原理上讲降低 了维护费用，降低了工人数量，提高了劳动效率，提高了电机的可靠性。 10 /10 北京百正创源科技有限公司 版权 2014 北京百正创源科技有限公司专属技术信息，未经北京百正创源科技有限公司书面许可，不得拷贝、外 借、传播或将内容向任何第三方披露。 5.2 社会效益分析 采用永磁直驱系统，不仅综合效率比以往的异步电机提高 30%左右外，还节约了因更 换、维修、检修及日常维护减速器等磨损零部件投入的费用，节约了由于启

27、动不平稳造成 皮带拉裂而投入的采购费用，大大减少了维护量，节约了人力成本；可以杜绝减速机漏油 造成的环境污染，同时降低了系统噪音和振动，改善了人文环境。它将在性能可靠，节省 空间，综合效率高等方面赢来矿方的青睐。 6 推广价值 永磁直驱系统作为带式输送机的一种新型的驱动方式，它“高效节能”的特点，不仅 响应了国家倡导的“节能减排”的号召，而且在整个世界能源危机的情况下一定会成为市 场需求的亮点。永磁直驱系统可用于煤矿、冶金矿山、港口码头、选煤厂、发电厂等带式 运输设备拖动和控制，既可用于新建带式运输设备拖动和变频控制，也可对原有工频拖动 系统进行改造，因此，带式输送机的发展与这些行业的发展紧密相关。同时，我国己研究 出台优惠政策，鼓励老旧高耗能驱动装置的替换和改造，制定和推动驱动装置的能效标准 和标识工作，淘汰低效率驱动装置的生产与销售，鼓励高效驱动装置推广。随着各行各业 体制改革的深入发展，大量应用高效节能的永磁直驱系统将成为今后发展的主流。