试论圆管带式输送机的驱动系统

2022-09-11

圆管带式输送机是1964年由日本JPC公司最先提出,20世纪九十年代引进国内,进行设计制造。2007年圆管带式输送机进入繁荣期,同时,由于环境保护要求的日益严格,槽型胶带输送机将逐渐走向萧条。

我公司正在筹建的两条圆管带式输送机项目,一条6189米,一条5165米,用于输送精煤等煤矿物料,年输送物料500万吨,输煤系统额定输送能力按1100t/h设计,选择圆管带式输送机管径为φ375mm,带速为5.0m/s。

1.圆管带式输送机的原理

圆管带式输送机由尾部过渡段、管状段和头部过渡段三部分组成,在头、尾部过渡段采用托辊组施加强制力将平型输送带导向成圆管状,将物料密闭在圆管内,实现在整个输送线路中封闭输送。圆管带式输送机与槽型胶带输送机结构大致相同,都有驱动装置、头部滚筒、尾部滚筒、托辊组和机架等,两者主要区别是在输送带、托辊组。

圆管带式输送机,需要运送的物料在尾部装载,通过若干组过渡托辊将平型的输送带导向成封闭的圆型输送带,实现物料密闭运输,经过管状段后,在头部通过过渡托辊将圆型输送带导向成平型输送带,实现卸料。

圆管带式输送机可以实现物料的双向输送,但是需要在头、尾部增设输送带翻转装置。

2.圆管带式输送机的优缺点

圆管带式输送机的优点主要有:(1)输送带与普通输送带相似;(2)管状段实现封闭运输,物料与外部隔绝,杜绝了外部杂物的混入、防止物料遭受雨淋或日晒等损害,同时避免了漏料、洒料等,满足环保要求;(3)相比槽型胶带输送机,实现了柔性布置、小半径三维空间转弯,减少了中间转运站,可以缩短输送物料的距离,从而降低了输送工程的总造价;(4)能够实现大角度运输,甚至可以实现垂直提升。槽型胶带输送机的提升爬坡角度只能达到18°左右,圆管带式输送机采用输送带将需运送的物料包裹在皮带形成的管内运输,使物料与输送带之间的摩擦力增大,实现了大角度运输;(5)相比槽型胶带输送机,管带机机架宽度小,能够实现双向物料输送。

圆管带式输送机的缺点主要有:(1)输送带较特殊,为实现将输送胶带导向成圆管形状及密封运输的要求,输送胶带的刚性、皮带边缘的结构与普通槽型胶带输送机不同;(2)运行阻力系数比槽型胶带输送机大、输送量相对偏小;(3)存在输送带的扭转问题,有可能损坏输送胶带;(4)管带机的设计计算比较复杂。

圆管带式输送机具有物料密闭输送、可以实现空间转弯、占地少等特点,逐渐在矿山、治金、建材、化工、粮食、电力等行业得到推广,用来输送密度为0.5～3.0t/m3的散状物料。

3.圆管带式输送机负载特性

圆管带式输送机属于恒转矩机械,是一个受力复杂的机电系统。管带机输送物料和传送张力靠橡胶输送带来实现,主体主要由输送带、驱动装置和拉紧装置构成。

输送带是由复合材料构成的黏弹性体,受力后发生应变,产生弹性伸长,特别是带物料负荷启动时,系统会产生很大的惯性力,以能量的形式存储在输送带中,能量大小随启动加速度变大而变大,并以应力波形式在输送带中传播。输送带中的应力波,在承载段以松弛波表现出来,在高张力区紧边传播。输送带本身具有黏弹性阻尼,使松弛波传播加快,而运行阻力存在,又使其减慢,因而输送带最大张力逐段减少。而弹性伸长反而增长,致使机头打滑。应力波从机尾传到回程段时,以张力波的形式在张力区松边传播,张力波传播速度比松弛波更快,因而造成输送带在机尾产生折叠,发生严重事故。

圆管带式输送机的机尾比槽式胶带输送机的机尾部件多,在应力波的冲击下受损更大,因此,在启动时要尽量减少输送带中储存的能量,停车时将输送带中的能量缓慢释放出来,这样,可以缓解应力波对输送机部件造成的损害,这也是圆管带式输送机选择软启动和软停车的目的。

4.圆管带式输送机驱动方式选择

根据圆管带式输送机的负载特性,推荐选用的电机驱动系统为开关磁阻电动机驱动、变频调速驱动,以达到皮带软启动和软停车恒转矩运行的目的,避免对皮带设备造成损坏,下面分别对两种电机驱动系统进行比较。

(1)开关磁阻电动机驱动系统(SRM)

开关磁阻电机从结构和原理上完全不同于交流感应电机,是控制电机的一种。其驱动系统由电机本体(包括位置传感器)和控制器(包括大功率器件)两大部分有机构成,两部分不是独立的硬连接,而是有机的整体,控制器和电机无法分离。

开关磁阻电机部分运用了“磁通总是沿磁阻最小路径闭合”的工作原理,因此叫磁阻电动机,其电机线圈中电流的通断、磁通状态均由高频电子开关控制,因此称为开关磁阻电动机。

磁阻电动机的本体定、转子均采用双凸极结构,如图1。定、转子均采用硅钢片叠制而成,定子磁极上加装简单的集中绕组,以径向相对绕组采用串、并联方式构成一相;转子仅用硅钢片叠制,不添加任何绕组,也无永磁体。

磁阻电动机与普通三相异步电动机不同,其推动力矩依靠“磁通总是沿磁阻最小路径闭合”的原理,即“磁阻最小原理”产生,而普通三相异步电动机依靠电流在定、转子回路所产生磁场的相互作用而产生力矩。

磁阻电机的控制方式与三相异步电动机完全不同,与变频器控制频率的方式也不相同。磁阻电机的控制参数和方式较多,使用中根据设备特点、负载特性进行调整,可以最大程度发挥电机的效率。其控制方式有电流斩波(CCC)、角度控制(APC)等,低速时以电流斩波为主,中速时电流斩波、角度控制共同作用,高速时以角度控制为主。

开关磁阻电动机传动系统主要优点如下:

①电动机的结构简单坚固,制造工序少、成本低、工作可靠、维修量小。②相比变频调速系统,开关磁阻驱动系统线路简单,可靠性高,成本低。③可制成高转速电动机,系统调控性能好,调速范围宽,具有良好的动态响应。④在较大的速度和负载范围内都可以获得较高的效率和功率密度。⑤启动电流小,启动转矩大(起动转矩达到额定转矩的150%时。启动电流仅为额定电流的30%)、制动性能好,能实现再生制动,四象限控制灵活、节约电能效果显著、可频繁起动和停止、频繁正反转切换。

SRM系统的主要缺点是:由于开关磁阻电动机转子上产生的转矩是由控制器根据定、转子位置信号而发出的一系列脉冲转矩互相叠加而成的,因此转矩脉动大、噪声、震动大。

(2)变频调速驱动系统

交流三相异步电动机的转速公式为:

式中,n为电动机转速,n0为电动机同步转速,p为电动机极对数,s为转差率,f1为电源频率。因此,电动机的调速可以概括为改变极对数、电源频率、转差率等几种方式,变频调速就是利用电力电子技术,把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电,以实现电机变速运行。变频器是一种电力控制设备,有“交-直-交”“交-交”两种,主要由整流、滤波、逆变、驱动单元、制动单元、检测单元、微处理单元等组成。变频器、电动机等共同组成变频调速驱动系统。

变频调速的主要优点有:调速效率高;启动能耗低;调速范围宽,可实现无级调速;动态响应速度快,调速精度很高;操作简便,易于实现控制自动化;装置发生系统故障后,能投入工频运行等优点。

使用中,变频器存在低速区效率较差、多个大功率逆变器的高次谐波互相叠加,对电网造成一定程度的冲击和污染、大功率电机较难实现带负荷启动等问题。

开关磁阻电机驱动系统和变频调速驱动系统相比,开关磁阻电机调速系统涵盖且优于变频调速系统的几乎所有性能特点,其优势主要表现在:①启动电流小,启动转矩大;②系统在低、中、高速度范围内,都具有平均80%以上的效率,额定点效率在92%～95%;③控制系统可以根据负载变化随时调整电流大小,从根本上实现了节电;④可频繁带负载起停、可正、反向频繁转换运行;⑤数字化智能控制、可控参数多,可与其他设备的控制系统完美连接。

开关磁阻电机调速系统是继变频调速系统、直流电动机调速系统之后更具优势的新一代无极调速系统。其功率等级和机座号与国产Y系列感应电动机相同,功率范围从10W到5MW,速度可达100,000r/min甚至更高。在电动车驱动、通用工业、工程机械、家用电器、航空电气、传动设备和纺织机械等各个领域应用显著。

开关磁阻电动机优势明显,但由于其技术十分复杂,不是单一的技术,而是一个系统技术的集合,目前在国内还没有大面积被用户接受和普及使用,随着更多系统、更多规格的磁阻电机产品的推出,开关磁阻电机驱动系统全面进入市场,是一个必然的趋势。

管状带式输送机一般用在运距比较长,地理环境比较复杂,转弯较多的地方。由于运距长、负载大,多采用多点驱动,对于多台电机的同时控制,开关磁阻电机驱动系统可以通过互相通讯实现同步控制,变频调速驱动系统可以采用罗宾康最新的droop control技术,使多台变频器均处于速度闭环运行模式,保证多台电机之间的速度同步、转矩平衡。

摘要：本文简要介绍了圆管带式输送机的原理、特点,并对圆管带式输送机的负载特性进行了说明,对开关磁阻电动机调速、变频调速驱动系统的优缺点进行了比较。

关键词：圆管带式输送机,电机,驱动系统