煤炭开采设备电机驱动技术的演进及具体应用情况
思瀚产业研究院 中加特电    2025-04-15

在现代化煤矿综采工作面，刮板输送机是煤炭运输的主要设备，其工作特性决定了该设备需要重载启动，运行过程中需克服巨大的摩擦阻力，具有驱动功率大、载荷不均匀并伴随冲击载荷等特点。

采用电机直接驱动的刮板输送机一般面临以下三大问题：第一，刮板输送机自身的传动机构在运行时为刚性锚链传动，在停机时锚链传动机构为松弛状态，各个环节均有一定的间隙。若采用电机直接启动方式，则启动瞬间施加的电机启动转矩使系统在克服各环节间隙的过程中，会对整个传动机构造成强大的机械冲击，易造成设备损坏，缩短设备使用寿命；

第二，电机直接启动时，启动电流是额定电流的 5～7 倍，大电流会对电网造成冲击，导致电网电压显著下降，影响刮板输送机的启动性能且影响电网上其它设备的正常运行，并将造成供电系统的元器件发热，以及使电机绕组发热，从而加速其绝缘老化，影响电机寿命；

第三，刮板输送机一般采用机头、机尾双动力部驱动，采用电机直接驱动时，难以实现两个动力部的驱动功率平衡。在煤矿生产实践中，为提高刮板输送机的运行质量和可靠性，降低直接驱动对刮板输送机使用寿命的不利影响，出现了多种刮板输送机驱动技术解决方案，现介绍如下：

1）双速电机+减速机

德国于1966 年研制成功矿用双速电机，主要用于刨煤机和刮板输送机的驱动；英国 1978 年研制双速电机，主要用在刮板输送机上；中国从 1983 年开始研制使用矿用双速电机。刮板输送机驱动系统一般采用特殊设计的 4/8 级电机，以 8 级低速启动，以4 级高速运转。其启动过程为：先闭合低速绕组接触器实现刮板输送机的低速启动，再根据负载情况闭合高速绕组接触器，切换至高速运行状态。

其优点为：①可减小启动电流冲击；② 可实现重载启动；③ 低速运行可实现刮板链条检查。其缺点为：① 启动过程存在高低速转换，速度阶跃变化，依然有冲击现象；② 电机制造工艺复杂；③ 设备需两条电缆实现电力供给；④ 功率平衡度差。“双速电机+减速机”驱动方式的结构示意图如下：

2）电机+液力耦合器驱动+减速机

液力传动技术起源于 1905 年的德国，相关技术涵盖了液力耦合器和液力变矩器等液力传动产品，1979 年该项技术引进中国，20 世纪 80 年代开始应用于煤矿刮板输送机。液力耦合器是以液体为工作介质的一种非刚性联轴器，用于对电机和减速机的启动保护、运行中的冲击保护、位置补偿及能量缓冲。

其优点为：① 启动较平稳；② 过载保护性能好。其缺点为：① 能量损失较大，传动效率低；② 需定期换油，维护保养复杂，维护成本高；③ 调速范围窄，动态调整性能差；④ 启动转矩小，重载启动能力差。“电机+液力耦合器驱动+减速机”驱动方式的结构示意图如下：

3）变频器+电机+减速机

变频器产品最早出现在 20 世纪 60 年代，相关技术不断升级迭代。变频器以功率半导体器件为基础，采用恒压频比标量控制、矢量控制或直接转矩控制等控制算法，将固定频率的交流电转换成频率、电压连续可调的交流电，以驱动电机运转，达到调速、节能的目的。变频技术广泛应用于工业生产的各个领域，并于21 世纪初开始应用于煤矿刮板输送机。变频器通过平滑改变电源频率，实现对电机转速的控制，从而使电机可以平稳地启动，进而实现刮板输送机的软启动。同时，变频器可连续改变频率，实现对刮板输送机速度的控制。

其优点为：① 消除了启动冲击载荷，降低了刮板输送机故障率，延长设备使用寿命，减小运行维护成本；② 消除了电机启动过程中的大电流对电网的冲击；③ 控制功能灵活，具有多种电气保护功能；④ 具有多档位调速功能，一键实现刮板输送机的低速检修和高速生产模式的切换；⑤ 可实现多机多点的动态功率平衡，不平衡度小于 2%。其缺点为：① 变频器输出的变频电源含有较多的高次谐波成分，会产生大量电磁干扰，对电网和附近的控制设备、通讯设备产生干扰，存在引起设备误动作的安全隐患；② 高次谐波会在电机电缆及电机绕组上产生过电压、电机轴电流，影响电缆及电机使用寿命；③变频器体积较大，占用较多设备列车空间，设备配套困难。“变频器+电机+减速机”驱动方式的结构示意图如下：

4）防爆变频调速一体机+减速机

前述三种方案虽然在煤矿刮板输送机驱动系统中得到应用，但没有从根本上解决刮板输送机驱动系统启动运行过程中存在的痛点问题，或在解决已有问题的同时，带来了新的问题。因此，国内企业经过深入调研和技术攻关，推出了变频调速一体机产品。变频调速一体机将变频器和电动机有机结合为一体，变频器到电机电缆接近“零距离”且集成在产品内部，极大的降低了谐波干扰。本方案具有“变频器+电机+减速机”方案的各项优点，同时还消除了“变频器+电机+减速机”方案存在的各项缺点。

具体来说：① 消除了启动冲击载荷，降低了刮板输送机故障率，延长设备使用寿命，减小运行维护成本；② 消除了电机启动过程中的大电流对电网的冲击；③ 控制功能灵活，具有多种电气保护功能，同时具有完善的电机绕组和轴承温度保护功能、电机振动检测保护功能；④ 具有多档位调速功能，一键实现刮板输送机的低速检修和高速生产模式的切换；⑤ 可实现多机多点的动态功率平衡，不平衡度小于 2%；⑥ 极大降低了谐波含量，对电网和附近的控制设备、通讯设备基本无干扰；⑦ 消除了高次谐波对电缆和电机绝缘的损伤；⑧变频模块体积大幅缩小，不占用设备列车空间。防爆变频调速一体机的结构示意图如下：

胶带输送机是由承载的输送带兼作牵引机构的连续运输设备，在矿井巷道内采用胶带输送机运送煤炭，输送能力大，输送距离长，对建设现代化矿井起着重要作用。胶带输送机主要由胶带、机架、托辊、机头部分（包括机头架、主动滚筒、传动装置、导向滚筒等）、拉紧装置、清扫装置和机尾部等组成。胶带输送机工作时通过滚筒和胶带之间的摩擦力带动胶带运行，物料由喂料端喂入，落在转动的输送带上，依靠物料与输送带之间的摩擦力跟随胶带一起运动，最后输送到卸料端卸出。

胶带输送机的驱动方式与上述刮板输送机的情况类似。除上述驱动方式外，在胶带输送机上还可采用以下两种解决方案：

5）防爆永磁直驱一体机传统的电机+减速机

驱动方式中，电机部分一般选用 1500 转/分钟的异步电机。异步电机的工作原理决定了该种类电机运转时，需要电源为其提供励磁电流，增加了励磁损耗；为了与转速为数十转/分钟的负载转速相匹配，需要在电机与负载设备之间安装减速机单元，减速机内部为多级齿轮传动机构，维护保养较为复杂，且会产生较大的机械损耗；电机与减速机输入部分高速运转，会产生较大噪音。为解决这些问题，青岛中加特电气股份有限公司在原防爆变频调速一体机的基础上，研发了防爆永磁直驱一体机。

该类型一体机使用稀土永磁体提供励磁，无需励磁电流，无励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度，并可实现多级数低速电机，无需减速机单元即可匹配负载转速，因此除具备“防爆变频调速一体机+减速机”方案的各种特性外，该类型一体机还具有如下优点：① 省掉减速机单元，简化了驱动系统，提高了驱动系统的可靠性和安全性，降低了设备故障率和维护量；② 提高了整个驱动系统的传动效率，节能效果显著，符合绿色矿山发展理念；③ 永磁直驱系统电机低速运行，且无减速机环节，噪音显著降低，改善了操作人员的工作环境，有利于提高工人的职业健康水平。防爆永磁直驱一体机结构示意图如下：

6）6kV/10kV 防爆永磁直驱一体机

随着现代化矿山建设的发展和矿井规模的扩大，包括胶带输送机在内的矿山用电设备功率也随之增大，由此带来了供电电缆线径增大、电缆敷设困难、电缆损耗增加、线路压降大等问题。而且，用于电压转换的大功率变压器自身存在能量损耗且体积庞大、不便于煤矿井下设备布置等问题。为此，青岛中加特电气股份有限公司研发推出了6kV/10kV 防爆永磁直驱一体机系列产品，该类型一体机输入侧采用高压整流单元，直接实现 6kV/10kV 的交直流变换，无需移相变压器；变频输出侧实现高压逆变，驱动多绕组电机。

使用 6kV/10kV 防爆永磁直驱一体机的驱动技术，除具备“防爆永磁直驱一体机”方案的各种特性外，还具有以下优点：① 简化供电系统，省掉了体积庞大的移相变压器，简化设备配套，节省设备安装空间；② 无需移相变压器，减少电源转换环节，降低能耗，提高了系统整体效率；③ 可采用线径较细的供电电缆，节省铜材，降低电缆成本；④ 降低了启动和运行时的线路压降，有利于电气设备平稳运行。

综上所述，在煤矿生产实践中，变频调速一体机驱动技术解决方案成功地应用于刮板输送机、胶带输送机等煤炭开采传动设备，并解决了其启动与运行中出现的各种问题，提高了刮板输送机、胶带输送机等煤炭开采传动设备的运行质量和可靠性，降低了不利因素对其使用寿命的影响。

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