隨著國(guó)家對(duì)能源環(huán)保管理的深入，節(jié)能降耗、綠色環(huán)保已成為水泥企業(yè)的關(guān)注點(diǎn)，前期的改善電網(wǎng)質(zhì)量、風(fēng)機(jī)泵類變頻改造等節(jié)能手段都已發(fā)揮到了極致，單就目前的異步電動(dòng)機(jī)來(lái)看，其效能提高一個(gè)百分點(diǎn)都很困難，所以水泥生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)備節(jié)能空間已很有限。近幾年，隨著永磁材料的不斷發(fā)展，永磁電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)及應(yīng)用也隨之迅猛發(fā)展，因其良好的負(fù)載特性和節(jié)能降耗的優(yōu)勢(shì)，使其應(yīng)用領(lǐng)域從小型民用（如電梯、電動(dòng)汽車等）慢慢滲透到大型工業(yè)生產(chǎn)中，從低壓小功率發(fā)展到了高壓大功率，永磁電動(dòng)機(jī)在水泥行業(yè)的應(yīng)用是大勢(shì)所趨。

水泥企業(yè)因工作環(huán)境惡劣、設(shè)備能耗高、故障率高、維護(hù)量大等特點(diǎn)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行可靠性的要求更為苛刻。水泥生產(chǎn)線上皮帶機(jī)、提升機(jī)、選粉機(jī)、拉鏈機(jī)、輥壓機(jī)、球磨機(jī)是最具代表性的關(guān)鍵設(shè)備，皆為沖擊性負(fù)載，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載倍數(shù)高，故其電動(dòng)機(jī)功率及減速機(jī)服務(wù)系數(shù)一般富余量都大，生產(chǎn)過(guò)程中的高噪音、低功率因數(shù)、高耗能、高故障率、高維護(hù)量，一直制約著水泥生產(chǎn)線的安全、環(huán)保及高效運(yùn)行。具體缺點(diǎn)如下：

（1）旋轉(zhuǎn)類機(jī)械的振動(dòng)和噪音大部分是由于高速旋轉(zhuǎn)造成的，皮帶機(jī)、提升機(jī)、選粉機(jī)、球磨機(jī)等4極異步電動(dòng)機(jī)（1?480 r/min）及減速機(jī)的高速輸入旋轉(zhuǎn)而引起的沖擊、振動(dòng)、摩擦、噪音（包括電磁噪聲），對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響極大，同時(shí)也降低了減速機(jī)的使用壽命。

（2）異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能及過(guò)載能力差，故電動(dòng)機(jī)選型都存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，而異步電動(dòng)機(jī)低負(fù)載運(yùn)行時(shí)，效率和功率因數(shù)都比較低（如圖1、圖2所示），需外加無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，增加了供電設(shè)備的容量及設(shè)備投入。

圖1　永磁同步電動(dòng)機(jī)效率、功率因數(shù)與負(fù)載率關(guān)系曲線

 圖2　異步電動(dòng)機(jī)效率、功率因數(shù)與負(fù)載率關(guān)系曲線

（3）“4極高速異步電動(dòng)機(jī)+液力耦合器+減速機(jī)”的異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)搭配，由于減速箱為高速輸入，使其振動(dòng)及磨損大，產(chǎn)熱量高（大功率設(shè)備必須外置稀油站強(qiáng)制注油降溫潤(rùn)滑），潤(rùn)滑油管及機(jī)體連接部位密封損壞頻繁，滲漏油現(xiàn)象很難從根本上解決，嚴(yán)重影響生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的整潔及潤(rùn)滑油的日常消耗。

我公司結(jié)合水泥生產(chǎn)線使用設(shè)備的運(yùn)行特性，研發(fā)生產(chǎn)出了皮帶機(jī)、提升機(jī)、選粉機(jī)、拉鏈機(jī)、輥壓機(jī)、邊緣傳動(dòng)球磨機(jī)等專用永磁同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，功率范圍7.5~3?000 kW，轉(zhuǎn)速范圍5~600 r/min，電壓380~10 kV。從目前應(yīng)用效果看，運(yùn)行狀況良好、達(dá)到了設(shè)計(jì)目的和要求，以下介紹其在石灰石輸送皮帶機(jī)上的應(yīng)用實(shí)踐。

2.1　皮帶機(jī)異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

皮帶機(jī)異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　皮帶機(jī)異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)

2.2　改造方案論證

更換驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的石灰石輸送斜皮帶位于48 m高的鋼結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)站上，其安裝平臺(tái)空間及承重都已確定，永磁電動(dòng)機(jī)的改造方案只能在現(xiàn)有的條件下實(shí)施。如若選用永磁直驅(qū)，滿足200 kW、30 r/min的驅(qū)動(dòng)扭矩為（9?550×200）/30=63?667（N·m），估算直驅(qū)永磁電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)重量約為2 t/10?000 N·m，則該電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)重量可達(dá)6.366?7×2=12.7（t），此重量無(wú)法滿足原鋼結(jié)構(gòu)的承重要求，給改造帶來(lái)很大的難度。另外根據(jù)永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式n=60f/P，則P=60f/n=60×50/30=100，若把電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為30 r/min的話，就需要把其極數(shù)設(shè)計(jì)為100對(duì)（200極），就算有的廠家把永磁電動(dòng)機(jī)的額定運(yùn)行頻率設(shè)計(jì)成十幾赫茲，永磁電動(dòng)機(jī)也需要設(shè)計(jì)為40極。而這種設(shè)計(jì)（40極、低頻10 Hz運(yùn)行）勢(shì)必會(huì)使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑及重量很大，造成啟動(dòng)及運(yùn)行慣量很大，啟動(dòng)性能差，由于轉(zhuǎn)子自重等原因而降低了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率，節(jié)能效果欠佳。

鑒于此，最終選用“20極（300 r/min）的永磁同步電動(dòng)機(jī)+低速變低速的小速比一級(jí)減速器+無(wú)感矢量變頻器”的配置，同樣以30 r/min的輸出替代原“異步電動(dòng)機(jī)+液力耦合器+減速機(jī)”的異步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，來(lái)達(dá)到低速驅(qū)動(dòng)、節(jié)能降耗、降噪、提高運(yùn)行安全可靠性、降低故障率和維護(hù)量的目的。

永磁電動(dòng)機(jī)采用特殊的電磁與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化機(jī)械制造工藝，選用國(guó)內(nèi)損耗最低的優(yōu)質(zhì)矽鋼片，提高材料利用率。其定子槽滿率更高，功率密度更高，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積更小、重量更輕、結(jié)構(gòu)緊湊，有效減少材料成本，提高了產(chǎn)品的性價(jià)比。

電動(dòng)機(jī)及一級(jí)減速器均選用FAG或SKF進(jìn)口全密封免維護(hù)軸承，在運(yùn)行轉(zhuǎn)速為300 r/min的情況下，其轉(zhuǎn)子風(fēng)摩耗、軸承發(fā)熱量及磨損也大大降低，基本可以免維護(hù)。

“20極永磁電動(dòng)機(jī)+一級(jí)減速器”的結(jié)構(gòu)與大極數(shù)永磁電動(dòng)機(jī)相比，轉(zhuǎn)子體積小、質(zhì)量輕，啟動(dòng)慣量小，再加上一級(jí)減速器的轉(zhuǎn)矩放大作用，使其具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的特點(diǎn)，較易實(shí)現(xiàn)重載啟動(dòng)。改造后皮帶機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　皮帶機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)

2.3　改造特點(diǎn)

（1）電動(dòng)機(jī)由1?486 r/min異步電動(dòng)機(jī)改為300 r/min永磁同步電動(dòng)機(jī)，減速機(jī)由三級(jí)減速改為一級(jí)，速比i由50∶1改為10∶1的小速比，去掉了高速級(jí)，輸入軸轉(zhuǎn)速降至300 r/min，減速機(jī)軸承及齒輪磨損、運(yùn)行發(fā)熱量大幅度降低，效率提高，且永磁電動(dòng)機(jī)和一級(jí)減速器都完成模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)柔性連接耦合到一起，質(zhì)量輕，過(guò)載能力大大提高（可在1.5倍額定轉(zhuǎn)矩下長(zhǎng)期運(yùn)行，2.0倍額定轉(zhuǎn)矩下可運(yùn)行5 min）。

（2）改造后的永磁同步電動(dòng)機(jī)中心高為450 mm，與原減速機(jī)中心高相同，電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)基本不做改動(dòng)，拆掉原直交軸減速機(jī)、液力耦合器、電磁抱閘、異步電動(dòng)機(jī)，原基礎(chǔ)平臺(tái)稍作改動(dòng)，原聯(lián)軸器繼續(xù)使用，永磁電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器跟皮帶機(jī)的傳動(dòng)滾筒直聯(lián)布置安裝，整體對(duì)現(xiàn)場(chǎng)改動(dòng)不大，2 d即可完成改造。

（3）永磁電動(dòng)機(jī)定子繞組預(yù)埋三相雙支三線制PT100測(cè)溫裝置（共6支，3用3備），前后軸承預(yù)埋雙支三線制PT100測(cè)溫裝置（共2支，1用1備），可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中繞組及軸承溫度的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和上傳，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

（4）電氣控制拆掉原軟啟動(dòng)器，更換為永磁電動(dòng)機(jī)專用無(wú)感矢量變頻器，用原驅(qū)動(dòng)軟啟動(dòng)器的信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)變頻器即可，電氣控制回路極為簡(jiǎn)單。智能控制實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的緩啟緩?fù)?，減小電流沖擊，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的精確控制和保護(hù)，也可通過(guò)其通信接口外接物聯(lián)網(wǎng)模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)該皮帶機(jī)永磁同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高企業(yè)的智能化管理水平。

改造前后現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置情況對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖3　皮帶機(jī)現(xiàn)場(chǎng)照片

1）運(yùn)行參數(shù)

改造后，在相同喂料量的條件下，經(jīng)過(guò)原計(jì)量?jī)x表檢測(cè)，皮帶機(jī)運(yùn)行電流由210~260 A降到165~210 A，現(xiàn)場(chǎng)噪音低于80 dB（A），表3為改造前后相同喂料量下，一個(gè)臺(tái)班的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流對(duì)比。

表3　改造前后電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流對(duì)比 A

2）節(jié)電分析

改造前電動(dòng)機(jī)功率200 kW，電壓380 V，功率因數(shù)0.905，平均運(yùn)行電流256 A；改造后電動(dòng)機(jī)功率200 kW，電壓380 V，功率因數(shù)0.980，平均運(yùn)行電流183 A（以上電流皆為變頻器前的輸入電流）。根據(jù)電動(dòng)機(jī)有用功公式P=UIcosφ，改造后皮帶機(jī)的節(jié)電率為22.4%，節(jié)電效果明顯，而且同步電動(dòng)機(jī)對(duì)電網(wǎng)功率因數(shù)的提高也會(huì)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。

另一方面，永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還有其他優(yōu)勢(shì)，如其安全可靠的性能，可以保障皮帶機(jī)安全無(wú)故障運(yùn)行，低振動(dòng)、低噪聲、低污染可以切實(shí)改善現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境。

3）運(yùn)行維護(hù)方面

改造后沒(méi)有減速機(jī)和液力耦合器，縮短了傳動(dòng)鏈，降低了故障率，使設(shè)備的日常巡檢維護(hù)量大大降低，減少了潤(rùn)滑油的消耗及維修成本。

2、4、6極高速電動(dòng)機(jī)是異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)及控制簡(jiǎn)單，效率及功率因數(shù)高，但是當(dāng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速在幾百轉(zhuǎn)，甚至幾十轉(zhuǎn)到十幾轉(zhuǎn)時(shí)，再靠增加異步電動(dòng)機(jī)的極數(shù)來(lái)降低轉(zhuǎn)速（功率因數(shù)很低）或加減速機(jī)進(jìn)行減速（效率低、維護(hù)量大），就很不經(jīng)濟(jì)高效。此時(shí)可以選擇低速大扭矩永磁電動(dòng)機(jī)，其體積和質(zhì)量?jī)H為異步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的1/2~1/3，可減少新建項(xiàng)目的基建投資，其運(yùn)行效率（97%）和功率因數(shù)（99%）都很高，變頻智能控制緩啟緩?fù)?，額定電流小于同功率的異步電動(dòng)機(jī)，所以供電設(shè)備及電纜可降低一個(gè)規(guī)格進(jìn)行選型，無(wú)須進(jìn)行電容補(bǔ)償。低速大扭矩永磁同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在水泥生產(chǎn)線上的應(yīng)用，對(duì)行業(yè)設(shè)備升級(jí)換代以及企業(yè)效益的提高起到了良好的推動(dòng)作用。