摘要：針對煤礦企業(yè)機電設(shè)備中交流異步電動機存在電動機能效低、電能消耗量大的問題，引進了一種新型礦用永磁同步電動機，以改善電動機功效、降低電能消耗，實現(xiàn)煤礦企業(yè)降本增效及技術(shù)轉(zhuǎn)型的目的。

　　關(guān)鍵詞：永磁同步電動機;交流異步電動機;諧波抑制

　　1 概述

　　1.1 研究背景

　　電動機是設(shè)備旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的主要構(gòu)成部件之一，在煤礦企業(yè)中的應(yīng)用尤為廣泛，絕大多數(shù)煤礦機電設(shè)備依靠電動機驅(qū)動。

　　從我國能源現(xiàn)狀角度出發(fā)，煤炭占我國能源生產(chǎn)總量的77%左右，占能源消耗總量的68%左右，我國在不斷加大對煤炭行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整力度，以優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。無論是煤炭生產(chǎn)企業(yè)，還是煤化工、煤化油等煤炭深加工企業(yè)，都不可避免地需要對生產(chǎn)設(shè)備、技術(shù)進行更新和改進，實現(xiàn)節(jié)能降耗，降低企業(yè)運行成本，同時提高企業(yè)生產(chǎn)效率，增強企業(yè)競爭力。作為主要配套設(shè)備的電動機，在煤礦企業(yè)的風機、水泵、皮帶輸送設(shè)備、提升裝置和掘進開采機等設(shè)備中應(yīng)用廣泛，數(shù)量巨大，是節(jié)能降耗的主要對象。隨著“中國制造2025”倡議的實施，礦用電動機及其控制系統(tǒng)的集成化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，將成為未來煤炭及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用電動機的發(fā)展趨勢。煤炭企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境特殊，尤其井下生產(chǎn)環(huán)境復雜，對機電設(shè)備的安全性、可靠性和環(huán)境適應(yīng)性等方面提出了嚴格要求。永磁同步電動機盡管在其他工業(yè)領(lǐng)域先進生產(chǎn)設(shè)備的初步應(yīng)用中已體現(xiàn)出極大優(yōu)勢，但以煤炭生產(chǎn)、加工設(shè)備為應(yīng)用對象，對永磁同步電動機進行理論和應(yīng)用技術(shù)方面的研究目前還處于起步階段，對井下環(huán)境中集成化數(shù)控永磁同步電機的研究更是鮮有報道。

　　1.2 項目意義

　　永磁同步電動機作為永磁交流電動機的典型類型，具有諸多優(yōu)勢，在一些高精度場合已經(jīng)開始取代傳統(tǒng)交流異步電動機。相對于永磁無刷直流電動機、開關(guān)磁阻電動機等其他永磁交流電動機而言，永磁同步電動機具有效率更高、轉(zhuǎn)矩脈動小、電動流諧波小、控制精度高、運行原理和控制策略更接近交流異步電動機的優(yōu)勢，因此，永磁同步電動機成了高效、高性能、節(jié)能電動機的首選類型。由此可見，將永磁同步電動機發(fā)展趨勢與礦用機電設(shè)備的需求及發(fā)展趨勢相結(jié)合，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、運行可靠性技術(shù)、電磁干擾抑制技術(shù)和控制策略優(yōu)化等方面進行研究，解決集成數(shù)控永磁同步電動機在礦用設(shè)備中的應(yīng)用適應(yīng)性問題，就能充分發(fā)揮數(shù)控永磁同步電動機的優(yōu)勢，大大提高煤礦企業(yè)的節(jié)能降耗水平，為礦用設(shè)備的自動化、智能化建設(shè)奠定良好基礎(chǔ)。

　　2 國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展趨勢

　　煤炭行業(yè)作為我國的能源支柱型產(chǎn)業(yè)，正處于轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵期，亟需促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的先進技術(shù)和裝備。作為礦用機電設(shè)備重要組成部分的電動機，主要呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢：

　　2.1 高效、節(jié)能技術(shù)

　　新一代礦用電動機以高效、節(jié)能、環(huán)保為目標，推動相關(guān)技術(shù)發(fā)展，如新型電動機繞組設(shè)計、低損耗高導磁材料的應(yīng)用研究、通風結(jié)構(gòu)的改進、先進稀土永磁材料的應(yīng)用研究、降低振動噪聲和提高運行性能的先進控制技術(shù)等，以此推動環(huán)保型“綠色電機”產(chǎn)品的發(fā)展。

　　2.2 高可靠性技術(shù)

　　礦用電機作為生產(chǎn)一線設(shè)備的主要驅(qū)動部件，直接關(guān)系到企業(yè)生產(chǎn)安全和效益，因此，必須保證礦用電動機的可靠、平穩(wěn)運行，保證生產(chǎn)的連續(xù)、安全進行。為此，安全防護技術(shù)、故障檢測及容錯運行技術(shù)、完備的保護技術(shù)等影響礦用電動機安全、可靠運行的相關(guān)技術(shù)格外受到研究者的重視。

　　2.3 集成化、數(shù)字化技術(shù)

　　礦用電動機的集成化、數(shù)字化是電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、電動機技術(shù)等工業(yè)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。高密度集成技術(shù)有利于提高系統(tǒng)的可靠性，便于設(shè)備的安裝、維護。數(shù)字化技術(shù)有利于提高系統(tǒng)的可靠性、信息交互性。

　　3 工作原理及創(chuàng)新方向

　　3.1 工作原理

　　隔爆型集成數(shù)控永磁同步電動機主要包括進線部分、殼體、驅(qū)動部分、永磁轉(zhuǎn)子等。從結(jié)構(gòu)上看，系統(tǒng)將永磁同步電動機本體、驅(qū)動器、控制器、信號調(diào)理電路集成為一體，以獲得高功率體積比，以提高系統(tǒng)可靠性;電路拓撲結(jié)構(gòu)采用由全控器件構(gòu)成的三相橋式有源逆變器，為提高功率因數(shù)、抑制諧波和進一步提高工作效率奠定了基礎(chǔ)。隔爆型集成數(shù)控永磁同步電動機研究思路如圖1所示。

　　3.2 創(chuàng)新方向

　　3.2.1 理論創(chuàng)新

　　通過對系統(tǒng)諧波進行分析，研究諧波抑制理論，結(jié)合系統(tǒng)運行指標，研究礦井生產(chǎn)環(huán)境下電抗器的設(shè)計理論，采用電流最大變化率與電流平均變化率加權(quán)平均法，對電抗器參數(shù)進行計算，獲取最佳濾波效果。通過對轉(zhuǎn)子位置檢測理論的研究，將傳感器位置檢測方法與轉(zhuǎn)子位置估算方法相結(jié)合，考慮系統(tǒng)非線性特性和故障類型，提出非線性自適應(yīng)平方根無跡卡爾曼濾波方法，提高轉(zhuǎn)子位置檢測的可靠性和自適應(yīng)性。

　　3.2.2 技術(shù)創(chuàng)新

　　集成數(shù)控永磁同步電動機系統(tǒng)將系統(tǒng)主要熱源、電磁源的永磁同步電動機和功率變換器集中在一個有限的空間中，對整個系統(tǒng)進行統(tǒng)一的三維電磁熱分析設(shè)計，以系統(tǒng)級效率為目標，更有利于系統(tǒng)級效率和電氣性能指標的提高。針對礦井生產(chǎn)環(huán)境的安全性需求，將全控器件有源逆變電路、空間矢量控制技術(shù)和高效永磁同步電動機集成一體，構(gòu)建防爆數(shù)控永磁同步電動機系統(tǒng)，有利于提高防爆電動機的電氣性能、效率、集成度等。

　　3.2.3 應(yīng)用創(chuàng)新

　　永磁同步電動機調(diào)速控制系統(tǒng)相對于交流異步電動機調(diào)速控制系統(tǒng)而言，具有效率高、節(jié)能性能好、故障率低等優(yōu)點，永磁同步電動機系統(tǒng)在礦井生產(chǎn)環(huán)境下的應(yīng)用很少有人研究，對礦用集成數(shù)控永磁同步電動機系統(tǒng)的研究更是鮮有報道。應(yīng)用集成數(shù)控永磁同步電動機，提高電機的電氣性能指標、降低能耗，將為礦用機電設(shè)備的應(yīng)用帶來巨大變革。

　　4 效益和推廣前景分析

　　集成數(shù)控永磁同步電動機相對于其他礦用電動機而言，具有無可比擬的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：

　　(1)節(jié)能。高效節(jié)能是集成數(shù)控永磁同步電動機最突出的特點，系統(tǒng)效率可達到95%，同時四象限運行的功率變換器結(jié)構(gòu)，可將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔莛佀突毓╇娤到y(tǒng)，節(jié)能效果更明顯。

　　(2)與電動機的滿載工作狀態(tài)相比，其效率、功率因數(shù)、力能變化不大。相對于其他電動機而言，永磁同步電動機具有更大的調(diào)速比和更高的控制精度。

　　(3)可靠性高。永磁同步電動機轉(zhuǎn)子無繞組，結(jié)構(gòu)簡單。集成數(shù)控永磁同步電動機將電機、驅(qū)動器、控制器集成為一體后，可有效減少外部干擾，并降低現(xiàn)場安裝、維護的復雜性。此外，集成數(shù)控永磁同步電動機更有利于信息交互，組建控制網(wǎng)絡(luò)。

　　5 結(jié)語

　　隨著新型礦用永磁同步電動機在煤礦企業(yè)的應(yīng)用，煤礦企業(yè)將會迎來新一輪的技術(shù)革新，促使煤炭企業(yè)在節(jié)能降耗、降低成本、高效發(fā)展等發(fā)面取得重大突破，對于能源發(fā)展具有深遠意義。

　　[參考文獻]

　　[1] 賈衛(wèi)國.稀土永磁發(fā)電機在工程車自發(fā)電中的應(yīng)用研究[J].移動電源與車輛，2016(3)：25-30.

　　作者：朱二明

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