1. Introducción

Como equipo central clave del sistema de transporte de la mina, el elevador de mina es responsable de elevar y bajar personal, minerales, materiales, etc. La seguridad, confiabilidad y eficiencia de su operación están directamente relacionadas con la eficiencia de producción de la mina y la seguridad de la vida y la propiedad del personal. Con el desarrollo continuo de la ciencia y la tecnología modernas, la aplicación de la tecnología de imanes permanentes en el campo de los elevadores de minas se ha convertido gradualmente en un foco de investigación.

Los motores de imanes permanentes ofrecen numerosas ventajas, como alta densidad de potencia, alta eficiencia y bajo nivel de ruido. Se espera que su aplicación en polipastos mineros mejore significativamente el rendimiento de los equipos, además de generar nuevas oportunidades y desafíos en términos de seguridad.

2. Aplicación de la tecnología de imanes permanentes en el sistema de accionamiento de polipastos de minas

(1) Principio de funcionamiento del motor síncrono de imán permanente

Los motores síncronos de imanes permanentes funcionan según la ley de inducción electromagnética. Su principio fundamental es que al circular corriente alterna trifásica por el devanado del estator, se genera un campo magnético giratorio que interactúa con el campo magnético del imán permanente del rotor, generando así un par electromagnético que impulsa el motor a girar. Los imanes permanentes del rotor proporcionan un campo magnético estable sin necesidad de corriente de excitación adicional, lo que simplifica la estructura del motor y mejora la eficiencia de conversión de energía. En aplicaciones de elevación minera, el motor debe alternar frecuentemente entre diferentes condiciones de funcionamiento, como carga pesada a baja velocidad y carga ligera a alta velocidad. El motor síncrono de imanes permanentes responde rápidamente gracias a sus excelentes características de par, lo que garantiza el funcionamiento fluido del polipasto.

(2) Avance tecnológico en comparación con los sistemas de accionamiento tradicionales.

1. Análisis comparativo de eficiencia

Los polipastos mineros tradicionales son accionados principalmente por motores asíncronos de rotor bobinado, que tienen una eficiencia relativamente baja. Las pérdidas de los motores asíncronos incluyen principalmente pérdida de cobre del estator, pérdida de cobre del rotor, pérdida de hierro, pérdida mecánica y pérdida parásita. Dado que no hay corriente de excitación en el motor síncrono de imán permanente, su pérdida de cobre del rotor es casi cero y la pérdida de hierro también se reduce debido a las características relativamente estables del campo magnético. A través de la comparación de los datos de prueba reales (como se muestra en la Figura 1), bajo diferentes tasas de carga, la eficiencia del motor síncrono de imán permanente es significativamente mayor que la del motor asíncrono de rotor bobinado. En el rango de tasa de carga del 50% - 100%, la eficiencia del motor síncrono de imán permanente puede ser aproximadamente un 10% - 20% mayor que la del motor asíncrono de rotor bobinado, lo que puede reducir significativamente los costos de consumo de energía para el funcionamiento a largo plazo de los polipastos mineros.

Figura 1: Curva de comparación de eficiencia del motor síncrono de imán permanente y del motor asíncrono de rotor bobinado

2. Mejora del factor de potencia

Cuando un motor asíncrono de rotor bobinado está en funcionamiento, su factor de potencia suele estar entre 0,7 y 0,85, por lo que se requieren dispositivos adicionales de compensación de potencia reactiva para cumplir con los requisitos de la red. El factor de potencia de un motor síncrono de imanes permanentes puede ser de hasta 0,96 o superior, cercano a 1. Esto se debe a que el campo magnético generado por el imán permanente reduce considerablemente la demanda de potencia reactiva durante el funcionamiento del motor. Un factor de potencia elevado no solo reduce la carga de potencia reactiva de la red eléctrica y mejora la calidad de la misma, sino que también reduce el coste eléctrico de las empresas mineras y los costes de inversión y mantenimiento de los equipos de compensación reactiva.

(3) Impacto en la operación segura de los montacargas mineros

1. Características de arranque y frenado

El par de arranque de los motores síncronos de imanes permanentes es suave y se controla con precisión. Al arrancar el polipasto de mina, se evitan problemas como la vibración del cable y el mayor desgaste de la polea causados ​​por un par excesivo al arrancar los motores tradicionales. Su corriente de arranque es baja y no causa grandes fluctuaciones de voltaje en la red eléctrica, lo que garantiza el funcionamiento normal de otros equipos eléctricos de la mina.

En cuanto al frenado, los motores síncronos de imanes permanentes pueden combinarse con tecnología avanzada de control vectorial para lograr una regulación precisa del par de frenado. Por ejemplo, durante la fase de desaceleración del polipasto, al controlar la magnitud y la fase de la corriente del estator, el motor entra en estado de frenado de generación de energía, convirtiendo la energía cinética del polipasto en energía eléctrica y devolviéndola a la red eléctrica, logrando así un frenado de bajo consumo. En comparación con los métodos de frenado tradicionales, este método reduce el desgaste de los componentes mecánicos, prolonga la vida útil del sistema de frenado, reduce el riesgo de fallos por sobrecalentamiento y mejora la seguridad y la fiabilidad del frenado del polipasto.

2. Redundancia de fallos y tolerancia a fallos

Algunos motores síncronos de imán permanente utilizan un diseño de bobinado multifásico, como un motor síncrono de imán permanente de seis fases. Cuando falla un bobinado de fase de un motor, los bobinados de fase restantes aún pueden mantener el funcionamiento básico del motor, pero la potencia de salida se reducirá en consecuencia. Este diseño de redundancia de fallas permite que el polipasto de mina levante de forma segura el contenedor de elevación hasta la boca del pozo o el fondo del pozo incluso en el caso de una falla parcial del motor, evitando que el polipasto flote en medio del pozo debido a una falla del motor, lo que garantiza la seguridad del personal y el equipo. Tomando como ejemplo un motor síncrono de imán permanente de seis fases, asumiendo que uno de los devanados de fase está abierto, de acuerdo con la teoría de distribución de par del motor, los devanados de cinco fases restantes aún pueden proporcionar aproximadamente el 80% del par nominal (el valor específico está relacionado con los parámetros del motor), lo que es suficiente para mantener el funcionamiento lento del elevador y garantizar la seguridad.

3. Análisis de casos reales

(1) Casos de aplicación en minas de metales

Una gran mina de metal utiliza un motor síncrono de imanes permanentes con una potencia nominal de P=3000 kW. Tras utilizar este motor, en comparación con el motor asíncrono bobinado original, para la misma tarea de elevación, el consumo energético anual se reduce aproximadamente un 18 %.

A través del monitoreo y análisis de los datos de funcionamiento del motor, la eficiencia de los motores síncronos de imanes permanentes se mantiene en un alto nivel bajo diferentes condiciones de funcionamiento, especialmente en tasas de carga medias y altas, donde la ventaja de eficiencia es más obvia.

(2) Casos de aplicación en minas de carbón

Una mina de carbón instaló un elevador con tecnología de imanes permanentes. Su motor síncrono de imanes permanentes tiene una potencia de 800 kW y se utiliza principalmente para la elevación y el transporte de personal y carbón. Debido a la capacidad limitada de la red eléctrica de la mina, el alto factor de potencia del motor síncrono de imanes permanentes reduce eficazmente la carga sobre la red. Durante la operación, no se registraron fluctuaciones significativas en la tensión de la red debido al arranque o la operación del elevador, lo que garantizó el funcionamiento normal de otros equipos eléctricos de la mina.

4. Tendencia de desarrollo futuro del motor de imán permanente para polipastos de minas

(1) Investigación, desarrollo y aplicación de materiales magnéticos permanentes de alto rendimiento.

Con el avance continuo de la ciencia de los materiales, la investigación y el desarrollo de nuevos materiales magnéticos permanentes de alto rendimiento se ha convertido en una dirección importante para el desarrollo de la tecnología magnética permanente para polipastos de minas. Por ejemplo, se espera que la nueva generación de materiales de imanes permanentes de tierras raras logre avances en el producto de energía magnética, fuerza coercitiva, estabilidad de temperatura, etc. El producto de energía magnética más alta permitirá que los motores de imanes permanentes produzcan mayor potencia con menor volumen y peso, mejorando aún más la densidad de potencia de los polipastos de minas; una mejor estabilidad de temperatura permitirá que los motores de imanes permanentes se adapten a entornos mineros más hostiles, como minas profundas de alta temperatura; una fuerza coercitiva más fuerte mejorará la capacidad antidesmagnetización del imán permanente y mejorará la confiabilidad y la vida útil del motor.

(2) Integración de tecnología de control inteligente

En el futuro, la tecnología de imanes permanentes de los polipastos mineros se integrará a fondo con la tecnología de control inteligente. Gracias a la inteligencia artificial, el big data, el internet de las cosas y otras tecnologías avanzadas, se logrará la operación y el mantenimiento inteligentes de los polipastos. Por ejemplo, mediante la instalación de una gran cantidad de sensores en los componentes clave de los motores y polipastos de imanes permanentes, se pueden recopilar datos de operación en tiempo real, que se pueden analizar y procesar mediante algoritmos de inteligencia artificial para predecir y diagnosticar fallas en los equipos con anticipación, planificar el mantenimiento con antelación, reducir la tasa de fallas y mejorar la confiabilidad operativa. Al mismo tiempo, el sistema de control inteligente puede optimizar automáticamente los parámetros de operación del motor, como la velocidad, el par, etc., según las necesidades reales de producción de la mina y el estado operativo del polipasto, para lograr el objetivo de ahorro energético y mejora de la eficiencia, así como para optimizar la producción y los beneficios económicos de la mina.

(3) Integración de sistemas y diseño modular

Para mejorar la comodidad y el mantenimiento de la aplicación de la tecnología de imanes permanentes en los polipastos mineros, la integración de sistemas y el diseño modular se convertirán en la tendencia de desarrollo. Los diversos subsistemas, como los motores de imanes permanentes, los sistemas de frenos y los sistemas de monitorización de seguridad, están altamente integrados para formar módulos funcionales estandarizados. Al construir una mina o renovar equipos, solo es necesario seleccionar los módulos adecuados para su montaje e instalación según las necesidades reales, lo que acorta considerablemente el ciclo de instalación y puesta en marcha del equipo y reduce los costes de construcción. Además, el diseño modular facilita el mantenimiento y las actualizaciones de los equipos. Si un módulo falla, se puede sustituir rápidamente, lo que reduce el tiempo de inactividad y mejora la continuidad de la producción de la mina.

5. Ventajas técnicas del motor de imán permanente Anhui Mingteng

Anhui Mingteng Maquinaria de imán permanente y equipo eléctrico Co., Ltd. (https://www.mingtengmotor.com/Mingteng se fundó en 2007. Actualmente, cuenta con más de 280 empleados, incluyendo más de 50 profesionales y técnicos. Se especializa en la investigación, el desarrollo, la producción y la venta de motores síncronos de imanes permanentes de ultraalta eficiencia. Sus productos abarcan una gama completa de máquinas de alta tensión, baja tensión, frecuencia constante, frecuencia variable, convencionales, a prueba de explosiones, de accionamiento directo, de rodillos eléctricos y todo en uno, entre otras. Tras 17 años de desarrollo tecnológico, ha desarrollado una gama completa de motores de imanes permanentes. Sus productos se utilizan en diversas industrias, como la siderúrgica, la cementera y la minera, y satisfacen las necesidades de diversas condiciones de trabajo y equipos.

Ming Teng utiliza una teoría de diseño de motores moderna, un software de diseño profesional y un programa de diseño de motores de imán permanente desarrollado por él mismo para simular el campo electromagnético, el campo de fluido, el campo de temperatura, el campo de tensión, etc. del motor de imán permanente, optimizar la estructura del circuito magnético, mejorar la eficiencia energética del motor y resolver las dificultades en el reemplazo de cojinetes en el sitio de grandes motores de imanes permanentes y el problema de la desmagnetización de imanes permanentes, asegurando fundamentalmente el uso confiable de motores de imanes permanentes.

6. Conclusión

La aplicación de motores de imanes permanentes en polipastos mineros ha demostrado un excelente rendimiento en términos de seguridad y avance tecnológico. En el sistema de accionamiento, la alta eficiencia, el alto factor de potencia y las buenas características de par de los motores síncronos de imanes permanentes proporcionan una base sólida para el funcionamiento seguro y estable del polipasto.

A través del análisis de casos reales, se puede observar que los motores de imanes permanentes han logrado resultados notables en la aplicación de polipastos mineros en diferentes tipos de minas, ya sea en la reducción del consumo de energía, la reducción de costos de mantenimiento o la garantía de la seguridad del personal y los equipos. De cara al futuro, con el desarrollo de materiales de imanes permanentes de alto rendimiento, la integración de tecnología de control inteligente y el avance de la integración de sistemas y el diseño modular, los motores de imanes permanentes para polipastos mineros abrirán un nuevo camino hacia un desarrollo más amplio, impulsando con fuerza la producción segura y la operación eficiente de la industria minera. Al considerar la modernización de la tecnología de polipastos o la adquisición de nuevos equipos, los clientes mineros deben comprender plenamente el enorme potencial de los motores de imanes permanentes y aplicarlos de forma razonable, en combinación con las condiciones de trabajo reales, las necesidades de producción y la solidez económica de sus minas, para lograr un desarrollo sostenible de las empresas mineras.

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