张 嘉

（山西焦煤能源集团股份有限公司镇城底矿机电科， 山西 太原 030203）

引言

永磁直驱系统通过矢量控制永磁同步电动机直接驱动传动滚筒，实现了动力由多级传动机构到一级传动机构的传递。由于永磁同步电动机转子采用稀土永磁体（钕铁硼）取代电励磁，无额外的励磁损耗，且没有转子铜耗，因而矿用重载输送系统的大转矩永磁直驱电动机工作效率要高于感应电动机，尤其在轻载运行时，节能效果更明显[1-2]。

矿山机械设备装备的电机额定功率一般参照设备的生产能力所选定[3]，但实际在对各种机械装备的过程中，为了实现负载低转速大扭矩要求，通常采取异步电机+齿轮减速机的生产方式。

1 永磁直驱系统的优势

永磁直驱系统的创新应用，代替了传统的机械驱动装置中异步电机、减速器和液力耦合器的作用与功能，该系统可直接产生驱动力，具有结构简化、效率高、便于维护的优点，已被广泛应用于煤矿皮带机项目中。

1.1 起动转矩大，过载能力强

传统驱动系统使用的异步电动机的起动转矩通常是额定转矩的130%，无法实现系统满载起动，而永磁直驱系统所使用的永磁直驱电机的起动转矩是额定转矩的220%，当工况需要满载或者过载起动时，无需人工卸载，即可直接起动，避免了因堵转、过载而造成的电机损坏，同时极大地减轻了操作工人的劳动强度。

1.2 高效节能

传统的驱动系统的传动效率在70%以下，所用的Y 系列异步电机的能耗仅为国际IE1 级，而永磁直驱系统的能耗一般在93%以上，采用的永磁同步电机能耗达到国际IE4 级，综合节能效率比传统驱动系统提高了20%以上。带式输送机采用永磁直驱系统，能够大幅度提高系统效率、降低能耗。

1.3 系统免维护

由于该系统不需要减速机及机械软起装置，因此在实际使用中，无需更换润滑油、检修齿轮箱，能够节约使用成本、降低维护工作量。

1.4 驱动系统智能化

永磁直驱系统的启动方式为运用无传感器矢量控制技术（SVC）的变频启动，能实现系统传动的缓慢匀速启动，避免了电机启动时的瞬间大电流给电网带来的冲击，以及转矩波动给传动系统带来的机械冲击，由此降低了系统的电网故障和机械故障发生率。当系统需要多电机驱动时，通过主从控制可实现功率平衡，能够避免因出力不均而造成的电机损坏。同时该系统采用物联网技术，可实现无人值守、远程控制、在线监控、故障诊断等。

2 永磁同步电机的设计选型

2.1 永磁同步电机选型计算

对电机转速及皮带机所需驱动转矩参数进行确定，计算公式如下：

式中：n 为电机转速；v 为皮带机带速；D 为驱动滚筒直径；T 为皮带机所需驱动转矩；K 为安全系数；P 为轴功率。

通过计算，我们可以得出皮带机总体所需转矩，根据驱动电机的数量，计算出单台电机的转矩，然后对照永磁电机选型表，即可选出满足需求的永磁电机规格。

2.2 电气控制系统选型

永磁同步电动机需配备矿用隔爆兼本质安全型低压交流变频器，该变频器依据电机功率的1.2 倍进行选型，同时，还应具备电机温度动态监测功能。

3 变频器分析

3.1 两电平变频器分析

两电平变频器其电路结构和控制都比较简单，具有技术成熟、效率高、动态性能好、体积小、成本低等优点，在轧机、起重机、电力机车牵引及风机、水泵调速等方面得到了广泛应用。但两电平逆变对单管的耐压要求高，每个IGBT 承受一半的母线电压，这限制了两电平在高压中的应用，而且两电平结构间还存在输出电压的dU/dt 大，所含低次谐波分量相对较高等缺点。

三相输入电压经整流滤波后，通过PWM 控制等方法控制开关元器件IGBT 的高速导通和关断。电压源型两电平变频器的基本结构如图1 所示。

图1 两电平电路拓扑结构图

变频器输出的脉宽调制电压波形为固定幅值的矩形波脉冲电压，脉冲频率按正弦规律变化，产生的滤波通过电缆传输，并在电机的接线端子产生强大电压，使电机承受电压尖峰。

电压尖峰现象可由输出电压的谐波在传输线上的行波理论作出解释，变频器输出的电压波形和正弦交流电压波形不同，它是具有极快上升沿和极快下降沿的方波。当通过电缆传输介质将电能传送至电动机时，电缆两端会产生波的反射与折射，反射程度受变频器、电缆和电动机波阻抗的影响。尖峰过电压时容易引起变频牵引电机内部局部放电的发生。局部放电对电机绝缘的破坏作用可能导致变频电机绝缘过早失效。

因此，PWM 控制两电平逆变器输出电压产生电压尖峰的危害很大，随着开关频率的升高，电压上升时间缩短，局部放电次数增加且放电行为加剧，从而导致电动机绕组绝缘的老化更为严重，缩短电机的使用寿命，甚至在薄弱环节击穿、损坏电机。

图2 为正常状态下的两电平变频器输出电压后在电机端的波形，此时最高的电压尖峰为2.8 kV，并且尖峰电压值已接近电机的绝缘耐压值。

图2 两电平结构现场电机侧波形图

图3 为两电平变频器启动时在电机侧的波形，此时的电压尖峰已接近市面上大多数电机的绝缘耐压值。

图3 两电平结构现场电机侧波形图

在电压尖峰时，电机绝缘易发生损坏，未保护绝缘体的绕组绝缘的电介质应力通常由电动机端子上的电压峰值和上升时间以及变频器产生的脉冲频率决定。一部分应力是由施加到线圈主绝缘（相间或相对地）的电压水平确定，其他部分应力受匝间绝缘限制，由脉冲上升时间确定。较短上升时间的脉冲导致电压在整个线圈中分布不均衡。通过电压分布与脉冲上升时间的关系曲线，得出上升时间和电压成正比例关系。在接线的电机绕组中，接触的端头与端尾处是受损最严重的部位，通常在这类情况下，介质击穿现象易在低于局放起始电压（PDIV）强度时出现，普通电机出厂时一般只进行工频耐压试验，这种类型的电机绝缘耐受能力无法通过常规的工频耐压试验得出。

图4 第一匝上的电压与脉冲上升时间的关系

因此，两电平变频器虽然已广泛应用于电机驱动中，但其电压尖峰对电动机来说仍具有较大的隐患。

3.2 三电平变频器介绍

两电平变频器仍存在众多不足，而且其在高压领域中，由于受电子元器件的限制，很难得到应用，当前变频器正朝着高压多电平方向发展。其中中点箝位式三电平拓扑是一种较好的实现方式，其基本结构如图5 所示。

图5 中点箝位式三电平电路拓扑结构图

与两电平变频器相比，三电平变频器有如下优点：输出电压或电流波形接近正弦，谐波分量小；电磁干扰大大减小，一次动作的dv/dt 只有普通两电平的1/（M-1），每个开关器件承受的直流侧电压值为两电平的一半；开关频率降低，损耗小；电压尖峰减小，有利于电机可靠稳定运行。

三电平结构输出波形效果如图6 所示，由图6可知，三电平变频器的输出波形比两电平变频器更接近于正弦波，谐波含量明显减少。

图6 三电平结构输出波形效果图

三电平变频器每个IGBT 上承受的电压为两电平的一半，其电压尖峰也得到有效降低。三电平变频器在实际正常运行时电机侧的电压尖峰波形图如图7 所示。

图7 三电平结构现场电机侧波形图1

从图7 中可以看出，电压尖峰值在正常运行时只有2 200 V 左右，与两电平的尖峰相比得到了明显减小，对于电机绝缘材料来说，此电压尖峰值不会对电机产生影响。

三电平电压尖峰不仅在正常运行时较低，在变频器启动时三电平的电压尖峰也得到了有效的控制。变频器启动时的三电平结构现场电机侧波形图如图8 所示。

图8 三电平结构现场电机侧波形图2

从图8 可以看出，启动时虽然尖峰会有提高，但电压尖峰值仅有2 500 V 左右。

因此，在电压尖峰方面，三电平相比两电平变频器具有较大的优势。

4 故障分析

4.1 故障现象

永磁同步电动机如果出现电机三相温度偏差较大，或是异常震动现象，首先需要售后人员抵达现场对其进行仪器测量，若三相电阻出现不平衡现象，则基本可确定电机出现绕组匝间短路情况。

一般匝间短路出现在绕组首包线的首匝，由于电压尖峰导致绝缘击穿，继而引发的匝间短路。这种现象多出现于两电平变频器。两电平变频虽然已得到了广泛的应用，但实际中仍存在谐波严重、电压尖峰较高等问题。

4.2 匝间短路的研究处理

对于此次故障的产生，可从以下几个方面进行处理，以避免该现象的发生。

1）加强永磁同步电机的绝缘处理，在容易引起电压尖峰造成匝间短路的线圈处加强绝缘并叠加5446 云母带。

2）采用多电平结构，可有效降低变频器的电压阶跃，特别是三电平结构，在不增加费用前提下即可降低电压尖峰的威胁。

3）加强电机的散热处理。若夏季炎热异常时，水箱可能存在散热缓慢现象，故根据实际情况，在夏季炎热时间直接采用直冷水进行散热。

5 三电平变频器应用分析

5.1 三电平变频器应用中的故障现象

5.1.1 三相功率平衡略差及从机过压问题

由于主机工作处于速度控制模式，从机工作处于转矩控制模式，极易出现空载多驱功率平衡性能不好和从机报过压故障等问题。

5.1.2 减速过压问题

为避免电动机停止过快对皮带、逆止器等设备造成的机械冲击损伤，故停车方式采用减速停车，但此时改造皮带为主运中间转运皮带，因其前方有煤仓，会出现堆煤现象。因此，为避免此现象，必须在较短时间内完成减速停车，但也会带来停车报减速过压故障的现象。

5.2 三电平变频器故障分析及解决措施

5.2.1 功率平衡略差及从机过压分析

在实际的运行中，从机运行的速度受到两个因素影响：系统设定最大速度（上限频率决定）和负载转矩。上限频率是由变频器设定参数决定。当从机负载转矩小于主机通过CAN 总线设定的转矩时，系统运行速度提高；反之，则速度降低。皮带机系统中，各滚筒、电机参数必然有微小差别，各电机输出的转矩和功率也有微小不同。当主机发送给从机的转矩大于负载转矩，并且运行速度达到最大允许速度时，因受速度限制，此时主机给定的转矩从机不能予以响应，就会造成主从机功率不平衡。同理，出力大的电机带动出力少的电机转动，也会造成电机处于发电状态，此时产生的电压会回馈到变频器系统中，从而引起过压现象。山东欧瑞安电气有限公司生产的三电平变频器具有出色的过电压保护功能，当实际电压高于限制电压时，变频器会对停机进行保护，并报过压故障。

5.2.2 减速过压分析

变频器驱动电机减速运行，若减速过快，动能变成电能，反充到变频器中造成变频器过压。特别是矢量控制中，在不考虑过压的情况下，变频器会尽可能大的输出发电转矩，并以最快的减速度减速，在此过程中非常容易产生过压保护。

5.2.3 解决措施

针对功率平衡略差和从机过压问题，在控制程序中加入偏差上限参数，从而使从机的最大转速允许略高于主机所设置的最大转速上限，以免从机转速高于主机转速时出现电压过调制现象，进而引起功率不平衡和过压故障。

针对减速过压问题，则需要经过计算仿真和反复论证，在程序中加入控制算法，在减速停车时，对发电转矩进行限制，从源头上抑制电动机发电，从而避免发电功率过大，回馈到母线造成过压故障。

6 智能永磁直驱系统在煤矿皮带机的实际应用总结

1）取消了减速机、液力耦合器和同步齿轮等故障率高的机械装置，结构简单，便于后期的维护与检修。

2）永磁直驱系统的传动效率相较传统驱动方式，效率提升20%。

3）实现了电机、变频器、水箱等的温度实时监测和反馈，便于及时调节生产和发现故障。