1. Introduzione

In quanto apparecchiatura fondamentale del sistema di trasporto minerario, l'argano da miniera è responsabile del sollevamento e dell'abbassamento di personale, minerali, materiali, ecc. La sicurezza, l'affidabilità e l'efficienza del suo funzionamento sono direttamente correlate all'efficienza produttiva della miniera e alla sicurezza della vita e dei beni del personale. Con il continuo sviluppo della scienza e della tecnologia moderne, l'applicazione della tecnologia dei magneti permanenti nel campo degli paranchi da miniera è gradualmente diventata un punto caldo della ricerca.

I motori a magneti permanenti offrono numerosi vantaggi, come l'elevata densità di potenza, l'elevata efficienza e la bassa rumorosità. Si prevede che la loro applicazione ai paranchi da miniera migliorerà significativamente le prestazioni delle apparecchiature, aprendo al contempo nuove opportunità e sfide in termini di sicurezza.

2. Applicazione della tecnologia a magneti permanenti nel sistema di azionamento degli argani minerari

(1). Principio di funzionamento del motore sincrono a magnete permanente

I motori sincroni a magneti permanenti funzionano in base alla legge dell'induzione elettromagnetica. Il principio fondamentale è che quando una corrente alternata trifase attraversa l'avvolgimento dello statore, viene generato un campo magnetico rotante che interagisce con il campo magnetico del magnete permanente sul rotore, generando così una coppia elettromagnetica che aziona il motore in rotazione. I magneti permanenti sul rotore forniscono una sorgente di campo magnetico stabile senza la necessità di corrente di eccitazione aggiuntiva, il che rende la struttura del motore relativamente semplice e migliora l'efficienza di conversione energetica. Negli scenari applicativi dei paranchi minerari, il motore deve passare frequentemente da diverse condizioni operative come carico pesante a bassa velocità e carico leggero ad alta velocità. Il motore sincrono a magneti permanenti può rispondere rapidamente grazie alle sue eccellenti caratteristiche di coppia per garantire il funzionamento regolare del paranco.

(2). Progresso tecnologico rispetto ai sistemi di propulsione tradizionali

1. Analisi comparativa dell'efficienza

I tradizionali paranchi da miniera sono per lo più azionati da motori asincroni a rotore avvolto, che hanno un'efficienza relativamente bassa. Le perdite dei motori asincroni includono principalmente perdite di rame nello statore, perdite di rame nel rotore, perdite di ferro, perdite meccaniche e perdite parassite. Poiché non c'è corrente di eccitazione nel motore sincrono a magneti permanenti, la perdita di rame nel rotore è quasi zero e anche la perdita di ferro è ridotta grazie alle caratteristiche relativamente stabili del campo magnetico. Attraverso il confronto dei dati di test effettivi (come mostrato nella Figura 1), con diverse velocità di carico, l'efficienza del motore sincrono a magneti permanenti è significativamente superiore a quella del motore asincrono a rotore avvolto. Nell'intervallo di velocità di carico del 50% - 100%, l'efficienza del motore sincrono a magneti permanenti può essere circa il 10% - 20% superiore a quella del motore asincrono a rotore avvolto, il che può ridurre significativamente i costi di consumo energetico per il funzionamento a lungo termine dei paranchi da miniera.

Figura 1: Curva di confronto dell'efficienza del motore sincrono a magnete permanente e del motore asincrono a rotore avvolto

2. Miglioramento del fattore di potenza

Quando un motore asincrono a rotore avvolto è in funzione, il suo fattore di potenza è solitamente compreso tra 0,7 e 0,85 e sono necessari dispositivi aggiuntivi di compensazione della potenza reattiva per soddisfare i requisiti di rete. Il fattore di potenza di un motore sincrono a magneti permanenti può arrivare fino a 0,96 o superiore, prossimo a 1. Questo perché il campo magnetico generato dal magnete permanente riduce notevolmente la richiesta di potenza reattiva durante il funzionamento del motore. Un elevato fattore di potenza non solo riduce il carico di potenza reattiva della rete elettrica e ne migliora la qualità, ma riduce anche i costi dell'elettricità per le imprese minerarie e riduce i costi di investimento e manutenzione delle apparecchiature di compensazione reattiva.

(3). Impatto sulla sicurezza del funzionamento degli impianti di sollevamento minerari

1. Caratteristiche di avviamento e frenata

La coppia di spunto dei motori sincroni a magneti permanenti è fluida e controllabile con precisione. Al momento dell'avvio del paranco da miniera, si evitano problemi come le vibrazioni della fune metallica e la maggiore usura della puleggia causati dall'eccessivo impatto di coppia tipico dei motori tradizionali. La corrente di spunto è ridotta e non causa grandi fluttuazioni di tensione nella rete elettrica, garantendo il normale funzionamento delle altre apparecchiature elettriche nella miniera.

In termini di frenatura, i motori sincroni a magneti permanenti possono essere combinati con una tecnologia avanzata di controllo vettoriale per ottenere una regolazione precisa della coppia frenante. Ad esempio, durante la fase di decelerazione del paranco, controllando l'ampiezza e la fase della corrente statorica, il motore entra in modalità di frenatura a generazione di energia, convertendo l'energia cinetica del paranco in energia elettrica e restituendola alla rete elettrica, ottenendo così una frenata a risparmio energetico. Rispetto ai metodi di frenatura tradizionali, questo metodo riduce l'usura dei componenti meccanici del freno, prolunga la durata del sistema frenante, riduce il rischio di guasti dovuti al surriscaldamento e migliora la sicurezza e l'affidabilità della frenatura del paranco.

2. Ridondanza e tolleranza agli errori

Alcuni motori sincroni a magneti permanenti utilizzano un design di avvolgimento multifase, come un motore sincrono a magneti permanenti a sei fasi. Quando un avvolgimento di fase di un motore si guasta, gli avvolgimenti di fase rimanenti possono ancora mantenere il funzionamento di base del motore, ma la potenza di uscita verrà ridotta di conseguenza. Questa progettazione di ridondanza di guasto consente all'argano della miniera di sollevare in sicurezza il contenitore di sollevamento fino alla testa del pozzo o al fondo del pozzo anche in caso di guasto parziale del motore, evitando che l'argano si libri al centro del pozzo a causa di un guasto del motore, garantendo così la sicurezza del personale e delle attrezzature. Prendendo come esempio un motore sincrono a magneti permanenti a sei fasi, supponendo che uno degli avvolgimenti di fase sia aperto, secondo la teoria della distribuzione della coppia del motore, gli avvolgimenti a cinque fasi rimanenti possono ancora fornire circa l'80% della coppia nominale (il valore specifico è correlato ai parametri del motore), che è sufficiente per mantenere il funzionamento lento dell'ascensore e garantire la sicurezza.

3. Analisi del caso reale

(1). Casi applicativi nelle miniere di metalli

Una grande miniera di metalli utilizza un motore sincrono a magneti permanenti per azionare il motore sincrono a magneti permanenti con una potenza nominale di P=3000 kW. Dopo aver utilizzato questo motore, rispetto al motore asincrono a avvolgimento originale, per lo stesso compito di sollevamento, il consumo energetico annuo si riduce di circa il 18%.

Grazie al monitoraggio e all'analisi dei dati di funzionamento del motore, l'efficienza dei motori sincroni a magneti permanenti rimane elevata in diverse condizioni operative, in particolare a carichi medi e alti, dove il vantaggio in termini di efficienza è più evidente.

(2). Casi di applicazione per le miniere di carbone

Una miniera di carbone ha installato un paranco da miniera che utilizza la tecnologia a magneti permanenti. Il suo motore sincrono a magneti permanenti ha una potenza di 800 kW ed è utilizzato principalmente per il sollevamento e il trasporto di personale e carbone. Data la capacità limitata della rete elettrica della miniera di carbone, l'elevato fattore di potenza del motore sincrono a magneti permanenti riduce efficacemente il carico sulla rete elettrica. Durante il funzionamento, non si sono verificate fluttuazioni significative della tensione di rete dovute all'avvio o al funzionamento del paranco, il che ha garantito il normale funzionamento delle altre apparecchiature elettriche nella miniera di carbone.

4. Tendenza di sviluppo futuro del motore a magnete permanente per l'argano da miniera

(1). Ricerca, sviluppo e applicazione di materiali magnetici permanenti ad alte prestazioni

Con il continuo progresso della scienza dei materiali, la ricerca e lo sviluppo di nuovi materiali magnetici permanenti ad alte prestazioni sono diventati una direzione importante per lo sviluppo della tecnologia magnetica permanente per i paranchi da miniera. Ad esempio, si prevede che la nuova generazione di materiali magnetici permanenti di terre rare raggiungerà risultati rivoluzionari nel prodotto di energia magnetica, nella forza coercitiva, nella stabilità della temperatura, ecc. Un prodotto di energia magnetica più elevato consentirà ai motori a magneti permanenti di erogare maggiore potenza con volume e peso ridotti, migliorando ulteriormente la densità di potenza dei paranchi da miniera; una migliore stabilità della temperatura consentirà ai motori a magneti permanenti di adattarsi ad ambienti minerari più difficili, come le miniere profonde ad alta temperatura; una forza coercitiva più forte migliorerà la capacità anti-smagnetizzazione del magnete permanente e migliorerà l'affidabilità e la durata del motore.

(2). Integrazione della tecnologia di controllo intelligente

In futuro, la tecnologia a magneti permanenti dei paranchi minerari sarà profondamente integrata con la tecnologia di controllo intelligente. Grazie all'intelligenza artificiale, ai big data, all'Internet delle cose e ad altre tecnologie avanzate, sarà possibile realizzare il funzionamento e la manutenzione intelligenti dei paranchi. Ad esempio, installando un gran numero di sensori sui componenti chiave dei motori e dei paranchi a magneti permanenti, è possibile raccogliere dati operativi in ​​tempo reale e analizzarli ed elaborarli utilizzando algoritmi di intelligenza artificiale per prevedere e diagnosticare tempestivamente i guasti delle apparecchiature, pianificare in anticipo i piani di manutenzione, ridurre il tasso di guasti e migliorare l'affidabilità operativa. Allo stesso tempo, il sistema di controllo intelligente può ottimizzare automaticamente i parametri operativi del motore, come velocità, coppia, ecc., in base alle effettive esigenze produttive della miniera e allo stato operativo del paranco, al fine di raggiungere l'obiettivo di risparmio energetico e miglioramento dell'efficienza, migliorando l'efficienza produttiva e i benefici economici della miniera.

(3). Integrazione del sistema e progettazione modulare

Al fine di migliorare la praticità e la manutenibilità dell'applicazione della tecnologia a magneti permanenti nei montacarichi minerari, l'integrazione di sistema e la progettazione modulare diventeranno la tendenza di sviluppo. I vari sottosistemi, come i motori a magneti permanenti, i sistemi frenanti e i sistemi di monitoraggio della sicurezza, sono altamente integrati per formare moduli funzionali standardizzati. Durante la costruzione di una miniera o la ristrutturazione di attrezzature, è sufficiente selezionare i moduli appropriati per l'assemblaggio e l'installazione in base alle esigenze effettive, il che riduce notevolmente il ciclo di installazione e messa in servizio delle attrezzature e i costi di progettazione e costruzione. Inoltre, la progettazione modulare semplifica la manutenzione e gli aggiornamenti delle attrezzature. In caso di guasto di un modulo, è possibile sostituirlo rapidamente, riducendo i tempi di fermo e migliorando la continuità produttiva della miniera.

5. Vantaggi tecnici del motore a magnete permanente Anhui Mingteng

Anhui Mingteng Permanent-Magnetic Machinery & Electrical Equipment Co., Ltd (Azienda di macchinari e apparecchiature elettriche a magneti permanenti Anhui Mingteng)https://www.mingtengmotor.com/）. è stata fondata nel 2007. Mingteng conta attualmente oltre 280 dipendenti, di cui oltre 50 tra tecnici e professionisti. È specializzata nella ricerca e sviluppo, produzione e vendita di motori sincroni a magneti permanenti ad altissima efficienza. I suoi prodotti coprono una gamma completa di motori ad alta tensione, bassa tensione, a frequenza costante, a frequenza variabile, convenzionali, antideflagranti, a trasmissione diretta, rulli elettrici, macchine multifunzione, ecc. Dopo 17 anni di accumulo tecnico, è in grado di sviluppare una gamma completa di motori a magneti permanenti. I suoi prodotti interessano vari settori come l'acciaio, il cemento e l'industria mineraria e possono soddisfare le esigenze di diverse condizioni di lavoro e attrezzature.

Ming Teng si avvale di una moderna teoria di progettazione dei motori, di un software di progettazione professionale e di un programma di progettazione di motori a magneti permanenti sviluppato internamente per simulare il campo elettromagnetico, il campo dei fluidi, il campo di temperatura, il campo di sollecitazione, ecc. del motore a magneti permanenti, ottimizzare la struttura del circuito magnetico, migliorare l'efficienza energetica del motore e risolvere le difficoltà nella sostituzione in loco dei cuscinetti dei grandi motori a magneti permanenti e il problema della smagnetizzazione dei magneti permanenti, garantendo fondamentalmente l'uso affidabile dei motori a magneti permanenti.

6. Conclusion

L'applicazione di motori a magneti permanenti nei paranchi da miniera ha dimostrato prestazioni eccellenti in termini di sicurezza e progresso tecnologico. Nel sistema di azionamento, l'elevata efficienza, l'elevato fattore di potenza e le buone caratteristiche di coppia dei motori sincroni a magneti permanenti forniscono una solida base per il funzionamento sicuro e stabile del paranco.

Attraverso l'analisi di casi concreti, si può osservare che i motori a magneti permanenti hanno ottenuto risultati notevoli nell'applicazione di paranchi minerari in diverse tipologie di miniere, sia in termini di riduzione del consumo energetico, sia di riduzione dei costi di manutenzione, sia di garanzia della sicurezza del personale e delle attrezzature. Guardando al futuro, con lo sviluppo di materiali a magneti permanenti ad alte prestazioni, l'integrazione di tecnologie di controllo intelligenti e il progresso dell'integrazione di sistema e della progettazione modulare, i motori a magneti permanenti per i paranchi minerari inaugureranno una prospettiva di sviluppo più ampia, dando un forte impulso alla produzione sicura e al funzionamento efficiente dell'industria mineraria. Nel valutare l'aggiornamento della tecnologia dei paranchi o l'acquisto di nuove attrezzature, i clienti del settore minerario dovrebbero comprendere appieno l'enorme potenziale dei motori a magneti permanenti e applicarli ragionevolmente in combinazione con le reali condizioni di lavoro, le esigenze di produzione e la forza economica delle proprie miniere per raggiungere uno sviluppo sostenibile delle imprese minerarie.

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