永磁同步電機在水泥廠中的應(yīng)用

張江濤

1 引言

永磁同步電機作為一種新型節(jié)能電機，憑借其高效率、高功率因數(shù)、起動力矩大、溫升低、噪聲小等特性，以及節(jié)電、安全免維護、運轉(zhuǎn)率高等優(yōu)勢，在煤礦業(yè)、橡膠業(yè)、風力發(fā)電、水力發(fā)電、電動汽車、軌道交通、船舶電力、醫(yī)療機械、采油等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，但在水泥行業(yè)使用不多。永磁同步電機包括調(diào)速永磁同步電機、永磁無刷直流電機、異步啟動永磁同步電機。文中所述永磁同步電機僅指調(diào)速永磁同步電機，多用于工業(yè)中大功率設(shè)備的驅(qū)動系統(tǒng)。筆者通過對比永磁同步電機與異步電機，總結(jié)出其他行業(yè)應(yīng)用永磁同步電機設(shè)備的幾個使用工況，結(jié)合水泥行業(yè)目前使用情況，對水泥廠各類設(shè)備適用性進行了初步的分析。

2 永磁同步電機與異步電機的對比（表1）

永磁同步電機具有如下特點及優(yōu)點：

永磁同步電機與異步電機相比，如異步電機為高效電機，在滿載時電機效率平均差2%（異步電機為普通電機時相差～5%），優(yōu)勢不明顯；在半載時，電機效率平均差10%，有優(yōu)勢；在輕載時，異步電機效率至少會差15%～20%，而永磁同步電機的效率和功率因數(shù)受負載率的影響很小，具有寬的經(jīng)濟運行范圍，相對異步電機而言，輕載時節(jié)電效果明顯。永磁同步電機功率因數(shù)平均高達0.95～0.99，比常規(guī)高效電機的0.86～0.94高出5%～10%；空載電流低，以315kW電機為例，空載電流為2.5A，普通電機為10～20A（圖1、圖2）。

永磁同步電機與異步電機相比，起動扭矩大，可達到額定值的2.2倍，而普通異步電動機只能達到55%左右，因此選擇時比傳統(tǒng)異步電動機的功率要小。如傳統(tǒng)需要90kW，而永磁直驅(qū)只需75kW或60kW，傳動效率高，可達到92%以上（普通在83%左右）。傳統(tǒng)傳動在減速箱中間環(huán)節(jié)效率損失大，而永磁直驅(qū)無中間環(huán)節(jié)，效率損失主要在永磁體和變頻器損耗上，同時也減少了傳動維護的工作量和材料量。

表1 永磁同步電機與異步電機對比（異步電機為高效電機時）

圖1 效率對比特性曲線

圖2 功率因素對比特性曲線

永磁同步電機+變頻器成本是異步電機+減速機（國產(chǎn)）的1.5～2倍；從節(jié)電效果與回收增加的成本來看，小電機節(jié)電數(shù)值大但占比很小，性價比不高；大電機節(jié)電數(shù)值小但占比較大，可以使用，節(jié)電效果及回收期取決于其使用工況（負載情況、變化周期、運行時間）。永磁同步電機的成本主要高在稀土永磁材料價格高和定子采用環(huán)氧樹脂整體密封澆灌技術(shù)上（一般大型電機采用此技術(shù)）。

3 永磁同步電機適用的工況

根據(jù)永磁同步電機的特點及突出的優(yōu)勢，比較適合于低速大轉(zhuǎn)矩、過載能力強、免維護運轉(zhuǎn)率要求高、負荷變化大或負荷率相對較低的場合。具體如下：

（1）由于永磁同步電機每極的磁通值大，具有高過載能力及溫升低的特點，適合于設(shè)備安全性、可靠性要求較高的領(lǐng)域，如：煤礦、電動汽車、軌道交通、電梯空調(diào)、醫(yī)療器械、船舶牽引等行業(yè)。

（2）由于永磁同步電機直驅(qū)免維護的特點，適用于高空中設(shè)備維護檢修困難、成本高的地方，如：風力發(fā)電機及電力空冷島風機。采用后，齒輪箱取消，可靠性提高，無需加潤滑油，檢修維護成本大幅降低。

（3）大功率的膠帶機需要重載啟動、經(jīng)常輕載運行，采用傳統(tǒng)驅(qū)動故障率高、能耗高時，適合改造為變頻永磁同步電機或直接采用變頻永磁同步電機，以提高設(shè)備可靠性及節(jié)能降耗，例如煤礦長距離、功率大的膠帶機已大范圍采用。某煤礦企業(yè)，350m膠帶機，輸送能力1 200t/h，原配置傳動為軟啟+減速機+異步電機3×200kW，由于啟動電流大、過載能力差，升級改造為永磁直驅(qū)系統(tǒng)，配置功率單臺400kW，使用后電流降低38.8%，無功功率減小81.7%，節(jié)電率～30%。

（4）由于永磁電機無定子繞組、無磁力切割、低轉(zhuǎn)速時磁場強度高，適合于設(shè)備長期低速運行的工況，如：球磨機和輥磨，使用后可以實現(xiàn)滿載啟動，永磁電機的多級數(shù)轉(zhuǎn)速低、起動轉(zhuǎn)矩大、噪音低、體積小、節(jié)電、免維護等優(yōu)勢也得以發(fā)揮。例如，某集團一水泥分廠球磨機配置2 500kW中心傳動永磁直驅(qū)系統(tǒng)，至今已運行半年多，相比使用永磁直驅(qū)系統(tǒng)前，傳動電耗降低～5%，傳動故障率降低，運轉(zhuǎn)率提高。該集團另一分廠生料輥磨傳動2 600kW，減速機+電機更換為永磁直驅(qū)系統(tǒng)后，磨機轉(zhuǎn)速27r/min時，節(jié)電不明顯，轉(zhuǎn)速29r/min時，產(chǎn)量提高8%，電耗降低0.3kWh/t，每年減少潤滑油消耗約5萬元。

4 水泥廠各類設(shè)備使用永磁電機的經(jīng)濟適用性分析

4.1 膠帶機

礦山、碼頭或廠區(qū)大功率（≥75kW）長輸送膠帶機經(jīng)常需要帶載啟動，且經(jīng)常在中低負荷運行時，建議采用永磁電機。使用后可以實現(xiàn)帶料啟動，節(jié)電也會較為顯著。

4.2 破碎機

石灰石破碎機經(jīng)常設(shè)置在礦山，運行工況惡劣，需要重載啟動時要求啟動轉(zhuǎn)矩大，可以有條件地采用永磁電機，以保證設(shè)備長期穩(wěn)定運行，同時減少維護工作量。其他能力較小、設(shè)置在廠區(qū)的破碎機，使用永磁直驅(qū)性價比不高。

4.3 提升機

入窯斗式提升機是窯喂料的關(guān)鍵設(shè)備，可靠性要求高，傳動在高空檢修難度大，建議采用永磁電機。其他斗式提升機可以根據(jù)運行故障率有選擇地使用，如輥壓機系統(tǒng)斗式提升機等。

4.4 球磨機

球磨機傳動若采用永磁電機，會帶來廠房及設(shè)備基礎(chǔ)減小、土建工程量減小、電纜減少、維護成本減小、噪聲小、降噪設(shè)施成本降低等影響，但這些成本的節(jié)省是否可以部分抵消電機設(shè)備增加的成本，需要綜合評估；此外，需要調(diào)研節(jié)電效果，核算電機增加成本的回收期，在以上基礎(chǔ)上考慮采用。如國外項目中業(yè)主要求采用進口減速機，設(shè)備成本與永磁電機+變頻器差不多時，應(yīng)建議業(yè)主采用。

4.5 輥磨

已有幾臺輥磨傳動采用永磁電機，有一定節(jié)電效果，驅(qū)動可靠性增加，可以有選擇地采用。磨機運行穩(wěn)定后基本不用調(diào)速，采用變頻主要是啟動考慮，而變頻器自身也耗能3%～5%。建議永磁電機廠可與主機設(shè)備供貨商一起開發(fā)半直驅(qū)啟動系統(tǒng)，即采用一級齒輪加永磁電機，取消變頻器，降低設(shè)備成本，可靠性提高又可節(jié)能。

4.6 輥壓機

輥壓機傳動采用永磁電機國內(nèi)尚無使用先例，其驅(qū)動也是低速大轉(zhuǎn)矩，根據(jù)球磨機中心傳動使用情況來看，應(yīng)該也可以用，但輥壓機設(shè)備機械結(jié)構(gòu)需要重新設(shè)計，需要進行成本及收益分析。

4.7 大風機

工藝大風機本身就是直驅(qū)，而且大部分都配置變頻器，采用永磁電機節(jié)電效果有限，不建議采用。

4.8 其他小電機

如采用永磁電機，會有節(jié)電效果但電耗占比太小，或設(shè)備本身使用頻率不高，如檢修設(shè)備電機等，使用后性價比不高，不推薦采用。

4.9 空壓機

水泥廠空壓機電耗占比較小，不到全廠電耗的3%，大規(guī)格空壓機本身也是直驅(qū)，不少廠也采用變頻，改造為永磁直驅(qū)性價比不高。

4.1 0 水泵

水泵驅(qū)動系統(tǒng)國內(nèi)部分鋼廠節(jié)能改造用過，據(jù)有關(guān)資料所述可節(jié)電25%；水泥廠水泵電耗占比較小，不到全廠電耗的1%，不少廠也采用變頻，改造為永磁直驅(qū)性價比不高。

4.1 1 變頻器

永磁電機一般都需要搭配變頻器使用，變頻器控制系統(tǒng)需適應(yīng)變頻電機的運行，兩者應(yīng)協(xié)調(diào)一致，不然會影響使用效果。變頻器的質(zhì)量會影響驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性，選用時需重點加以關(guān)注。使用變頻器時要考慮其自身占用電力室的空間，還要增加通風散熱，若大范圍使用更要綜合考慮。

此外，在水泥廠大功率傳動上使用永磁同步電機除了本身設(shè)備的節(jié)電，也可以降低噪聲源的噪聲，還可以改善線路和電網(wǎng)的損耗。

5 結(jié)語

設(shè)備高效節(jié)能、安全、免維護是工業(yè)企業(yè)進行設(shè)備升級改造追求的目標之一。隨著永磁電機標準的推出、永磁材料的革新、成本的下降和電機設(shè)計制造技術(shù)的提升，其應(yīng)用將會更廣泛。

[1]鄒麗.稀土永磁電機在起重機行業(yè)的應(yīng)用研究[J].起重運輸機械，2014，（8）.

[2]王秀和，等.永磁電機[M].北京：中國電力出版社，2007.■