技术 | 永磁同步直驱电机在生料立磨选粉机上的应用实践

引言

党的十九大提出大力推进绿色发展、循环发展，形成节约资源和保护环境的空间格局、产业结构、生产方式。

《国务院关于印发工业转型升级规划(2011-2015年)的通知》要求加快推进工业节能降耗，加快资源循环利用，促进工业向节约、清洁、低碳、高效生产方式转变，推动工业转型升级。

电机是工业领域的主要耗电终端产品，由于系统匹配不合理、调节方式落后等因素，我国电机系统的运行效率比国外先进水平低10余个百分点。我国电机消耗工业用电总量的75%,据估算全国电机系统年节电潜力1300~2300 亿kWh,相当于2~3个三峡电站的发电量。工信部自2012年以来，就组织行业协会、有关专家等对电机及电机系统的能效提升进行多次研究，完成电机能效提升计划的制定并确定了主要目标。工信部提出的实施电机能效提升计划中，确定了切实可行的方案：淘汰低效电机、推广高效电机、实施电机系统节能技术升级等。

永磁同步电机的外特性效率曲线相比异步电机，在轻载时效率值要高很多，这是永磁同步电机在节能方面，相比异步电机最大的一个优势。永磁同步电机在轻载区，仍能保持较高的效率，其效率要高于异步电机20%以上。

永磁直驱电机系统是驱动单元的变革与创新，它融合了变频矢量控制技术、低速直驱大转矩永磁电机技术、智能控制技术等，革命性的去掉传统减速机机械装置，用永磁直驱电机直接与选粉机负载轴相连，直接驱动负载，永磁直驱电机系统是驱动单元的变革与创新，它融合了变频矢量控制技术，低速直驱使传动系统结构更简化，效率更高，噪音降小，安装更便捷，而且无需人工再进行日常维护检修，从而节约大量的人力物力成本，减轻生产过程中的环境污染，有效减少碳排放。

永磁直驱系统主要有两部分组成：永磁直驱电机和专用变频器，如图1所示。

其主要优势有以下几个方面：

(1)高效节能。由于去掉了传统的减速机等过渡传动环节，减少功率传递损失。采用的永磁直驱电机效率达到国际IE4(高于国家一级能耗标准);直驱电机采用专用变频器控制启动及运行，启动电流不超过额定电流的2倍，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求；直驱电机功率因数可达0.98,电网无功损耗较少。

(2)启动转矩大，过载能力强。永磁同步电动机匹配智能同步变频器能恒定输出额定负载转矩2.2倍的启动转矩；解决重载启动难的问题，避免电动机“大马拉小车’现象。

(3)优秀的调速性能。实现由量定速，减小设备磨损以及冲击负荷。

(4)卓越的功率平衡功能。根据需要分配多机间载荷，避免单机过载造成的设备损坏等问题。

(5)丰富的通讯功能。支持CAN、RS485、PROFIBUS -DP等多种通信接口的接入，可保存最近三个月的运行数据。可与上位机通讯，实现在线监测监控。

(6)环境友好。占地小、防腐好、噪音低、免维护。

鉴于以上分析，我公司决定采用DYT永磁直驱电机用于驱动选粉机，并组织相关尺寸测量，同时联系厂家定制一台电机。

我公司选粉机原传动结构组成，见表1。

我公司选粉机采用“变频电机+减速机”形式，实物图如图2所示，工况有调速需求，异步电机的调节范围一般在0~1500r/min左右。自使用以来，选粉机受垂直传动影响，有以下常见故障点：

(1)立式安装的减速机配备强制润滑系统，如果油品差或者泵压不够，会导致上端轴承和齿轮润滑不充分，另外，强制润滑系统经常出现管道阻塞问题，所以要每年更换两到三次润滑油，维护量大，成本高，减速机漏油严重。

(2)传动系统效率在75%左右，效率偏低，能量损耗大。

(3)减速机高速端转速高，震动大，导致密封容易损坏。

3.1 零部件制作安装

选粉机轴与电机轴采用尼龙柱销联轴器连接，永磁同步直驱电机直接利用原传动结构基础，根据基础结构尺寸制作连接法兰盘，电机和基础通过连接法兰固定。

3.2 永磁同步直驱电机系统选型

3.3 永磁同步电机性能参数(表2)

3.4 电气控制系统

调速方式：全数字开环同步矢量控制。

控制方式：采用同步矢量控制方式，启动转矩不小于150%额定转矩。

电源：输入电源电压AC380V,频率50Hz;电压允许波动范围-20%~+20%;频率允许波动范围±2.5%。

输出频率连续可调：伺服控制器的频率调节精度0.1Hz,稳定精度0.1%,控制器有一定的弱磁扩速功能。

功率因数：cosφ>0.95。

低频运转时，具有恒转矩调速功能，能保证150%的额定转矩输出。

保护：伺服控制器设有过压、欠压、过流、过载，功率元件过热和电机绕组过热、缺相等保护，设有故障记忆功能。

通过以上改造，永磁同步直驱电动机可实现直接驱动负载设备。改造后实物见图3。

4.1 使用成本对比(表3)

使用永磁直驱电机系统能效提高约14%。

选粉机电流由之前的50A降至33A,现场振动大幅减小。以年运行T=6000h,电费0.6元/kWh计算，每年可节约成本：

W=√3×U×I×T×A=1.732×0.38×17×6000×0.6元=4万元

4.2 维保费用对比(表4)

使用永磁直驱电机系统年维护费用减少约1.8万元。

从以上统计结果可以看出，使用永磁直驱电机不但能够实现能效提升，节省部分电费，还可从根本上解决减速机的维护问题，降低维护成本。

从永磁电机的结构分析，电机内易损件为前后轴承，轴承的寿命和载荷、转速等因素有关。永磁电机所用轴承全部采用全球优质品牌SKF轴承，选型按照最恶劣工况，充分考虑轴向力和径向力对电机轴承造成的影响。另外永磁电机的输出转速较低，轴承的磨损程度远远小于高速工况条件，在仿真模拟轴承寿命时，最长可达10万h，所以平时对电机的维护十分便捷，每3000h对前后轴承加注#3锂基脂即可。

作者：丁立

所属：中国葛洲坝集团水泥有限公司

来源：《中国水泥》

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