技术 | 永磁同步电动机在水泥工业节电中的应用

水泥行业是国家六大耗电行业之一，近几年来采用变频调速和高效节能电机已成为提高电机运行效率的重要途径。以某厂5000t/ｄ新型干法水泥熟料生产线为例，熟料生产用电设备分为主要用电设备与辅助用电设备，其主要用电设备有矿山开采、 生料制备、熟料烧成、水泥制成、水泥散装／包装发运等主要生产工序，辅助用电设备有余热发电、协同处置、脱硝工程、机电维修等辅助系统，约有电动机1200台，总装机功率近6.0万ｋＷ。

大部分设备是二十四小时连续工作，工作负荷相对稳定，运转率较高。永磁同步电动机主要应用于水泥企业中的风机与泵、球磨机、输送设备、选粉机、辊压机等。本文主要介绍永磁同步电动机应用于水泥企业煤磨系统和胶带输送系统技术改造后的节电效果。

１ 永磁同步电动机的特点

永磁同步电动机具有结构简单、体积小、损耗低、效率高等特点，与直流电机相比，其无直流电机换向器和电刷长期连续工作处于空载或轻载状态， 对换向器和碳刷易造成伤害等缺点，与异步电动机相比，不需要无功励磁电流，效率高，力矩惯量比大， 定子电流和定子电阻损耗较小，转子参数可测、可控制性能好；与普通同步电动机相比，因无励磁装置， 结构简化，效率得到了提高。永磁同步电动机可替代三相异步电机，其节能效果显著，在目前水泥工业已被优先选用。

永磁同步电机的定子结构和异步电动机的定子基本相同，转子由永磁体、导磁轭和转轴组成。其中永磁体贴在导磁轭上，导磁轭为圆筒形，套在转轴上。永磁同步电机结构如图1所示。

２ 永磁同步电机在煤磨系统中的应用

2.1 煤磨系统主电机改造情况

某水泥企业煤磨系统原采用异步电机 - 减速机 - 小齿轮 - 大齿轮模式来驱动回转部，由于异步电机和减速机的效率比较低，并且存在着故障、漏油频发等一系列维修问题，严重影响了生产成本与效益。 于2016年9月对两台煤磨系统用主电机进行改造， 采用永磁同步电机直接驱动球磨机小齿轮来运转。

原500ｋＷ异步电机驱动系统按最大负荷原则选取，在实际运行中负载率较低，由于永磁电机可实现低速大转矩的驱动，使电机的最大转矩提高。同时，永磁电机在低负载率时具有高效率和高功率因数特点，符合球磨机的运作需求。永磁直接驱动系统与常规异步电机驱动系统的主要运行参数比较见表 １，主要性能评价参数比较见表 ２。

由表2可知，异步电机的效率和功率因数随负载率的降低而降低，而永磁电机的效率和功率因数几乎不变。

2.2永磁直接驱动煤磨系统节能分析

经对煤磨系统运行时进行测量，异步电机运行电流为30～31Ａ，电机功率为408～422ｋＷ，计算时按照平均运行功率为420ｋＷ，每天运行时间为24ｈ，年运行天数为330ｄ，电费按0.5元／（ｋＷ·ｈ）进行计算，其中未计算因功率因数提高节省的无功补偿费用，则煤磨系统主电机改造的节能潜力分析见表 ３。

煤磨系统主电机改造前平均耗电情况见表4， 煤磨系统主电机改造后一个月电耗统计数据见表5。结合表4、表5 可知，改造后单位煤粉的粉磨电耗从26.54ｋＷ·ｈ/ｔ 降至22.82ｋＷ·ｈ/ｔ，节电率达14％ 。如按磨机台时产量17.75ｔ计算，较改造节约66.0３ｋＷ·ｈ/ｔ，若按2015年煤粉制备总量10.70万ｔ计算，年节电量约为39.8万ｋＷ·ｈ，折合电费约为19.9万元。

2.3粉磨系统主电机改造经济效益分析

本改造项目初期投资约60万元，年综合节电率为15.03％ ，年节约费用为22.2万元，三年可回收成本。具体如下：

（１）年节电量约为39.8万ｋＷ·ｈ，折合电费约为19.9万元。

（２）减速机稀油站油泵功率2.2ｋＷ，年节电量约为1.1 万ｋＷ·ｈ，折合电费为0.5万元。

（３）永磁直接驱动电机机械结构简单，没有减速机、减速机稀油站、慢转电机等设备，节约减速机及减速机油站备件、油品消耗费用0.8万元/年。

（４）减少设备维护的劳动投入，同时降低工作人员的劳动强度。

（５）永磁直接驱动电机功率因数为0.95，远高于原异步电机的0.83。经计算，直接驱动电机变频器输入侧功率因数为0.99，供电变压器二次低压侧功率因数不需要电容补偿既可满足要求，又可节约成本，节省采购电容一次性支出费用3万元，平均每年可节省1万元。

３ 永磁电机在胶带输送系统中的应用

传统的带式输送机驱动系统均采用异步电动机，经液力偶合器、减速器将动力传给滚筒带动皮带运动，此种传统的传动方式存在明显的缺点：驱动系统耗能高，启动不平稳，负荷较重时启动困难等，这直接影响着系统的整体效率。采用无齿轮永磁同步电机变频驱动方式，整个驱动系统具有高效节能、噪声低、维护少、输出转矩大，启动平稳，结构紧凑，体积小，质量轻等优点。

某企业水泥调配库底输送皮带机用电机于2016年 11月16日由三相异步电动机更换为永磁同步电机，即将Ｙ225S - ４三相异步电动机更换为TYE４系列超高效永磁同步电机，其电动机技术参数比较见表６，电机更换前后电机运行数据比较见表７。

由表7可知，电流明显降低，由异步电动机更换为永磁电机后平均节电量为6～7ｋＷ·ｈ/ｈ，年运行时间约为5000ｈ，按照电价0.5元/（ｋＷ·ｈ）计算， 每年可节约电费约1.75万元。

４ 结语

综上所述，永磁电动机应用于水泥工业中时，其节电效果较好，可以推广。永磁同步电动机具有较好的低转速满载、长时间运行的优势，在水泥企业低于1000ｋＷ低效电动机进行改造替换的技术条件已经成熟。变频器技术与永磁同步电动机技术的结合，可以实现异步或同步调速。水泥企业大型破碎机、辊压机、立磨、风机等低效电动机的改造技术有待提高，尤其是2000ｋＷ以上永磁直接驱动大转矩煤磨系统电机设计制造技术已进行有效评估，值得期待。

来源：《长治钢铁（集团）瑞昌水泥有限公司、首钢长治钢铁有限公司、 山西省建筑材料工业设计研究院》

作者：张晓峰、王永玲、牛建清

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