永磁同步電機在水泥廠中的應用

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1、永磁同步電機在水泥廠中的應用張江濤 【摘要】對永磁同步電機與傳統異步電機從電機結構、特性、使用情況、成本等 角度進行了對比分析;并結合永磁同步電機的設備使用工況特點及目前水泥廠設備 應用情況，對水泥廠各類設備適用性做了初步分析.【期刊名稱】水泥技術 【年(卷)，期】2018(000)003 【總頁數】4頁(P73-76) 【關鍵詞】永磁同步電機;高效節能;安全可靠免維護 【作者】張江濤【作者單位】天津水泥工業設計研究院有限公司，天津300400【正文語種】中文【中圖分類】TM3411引言永磁同步電機作為一種新型節能電機，憑借其高效率、高功率因數、起動力矩大、 溫升低、噪聲小等特性，以及節電、安

2、全免維護、運轉率高等優勢，在煤礦業、橡 膠業、風力發電、水力發電、電動汽車、軌道交通、船舶電力、醫療機械、采油等 行業有著廣泛的應用，但在水泥行業使用不多。永磁同步電機包括調速永磁同步電機、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速 永磁同步電機，多用于工業中大功率設備的驅動系統。筆者通過對比永磁同步電機 與異步電機，總結出其他行業應用永磁同步電機設備的幾個使用工況，結合水泥行 業目前使用情況，對水泥廠各類設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

3、平均差 2%（異步電機為普通電機時相差5% ），優勢不明顯；在半載時，電機效率平均 差10%，有優勢；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受負載率的影響很小，具有寬的經濟運行范圍，相對異步電機 而言，輕載時節電效果明顯。永磁同步電機功率因數平均高達0.950.99，比常 規高效電機的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，因此選擇時比傳統異步電動機的功率要

4、小。如傳統需 要90kW，而永磁直驅只需75kW或60kW，傳動效率高，可達到92%以上（普 通在83%左右）。傳統傳動在減速箱中間環節效率損失大，而永磁直驅無中間環 節，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）異步電機以磁場為 媒介進行機械能和電能相互轉換的電磁裝置在電機繞組內通以電流來產生磁場勵磁 繞組，轉子結構復雜85%95%（半載滿載）0.95 0.99起動力矩大，是額定 轉矩的220%，電機啟動電流小不受限制簡單靈活體積小，功率密度大0.86 0.94 （負載變化，也與電機級數相關，級數越多功率

5、因素越低）起動力矩小，通常 是額定轉矩的55%，需配置軟啟，電機啟動電流大受限復雜體積大高高據有關資 料，額定功率及轉速下體積小30%，質量小30% ；如按傳動系統體積，沒有了減 速箱更小一般可降低20K左右（永磁電機溫升控制在60K以內）據有關資料，額 定功率及轉速下噪聲比IEC限值低3 7dB相當相對高低低高永磁同步電機以磁 場為媒介進行機械能和電能相互轉換的電磁裝置通永磁體來產生磁場永磁體（稀土 -釹鐵硼），轉子結構簡單 93% 97%-0.97 0.92 0.95 0.95-0.83 高 9%（不同 負載下系統效率有較大差異）永磁電機+變頻器損耗降低，能效提高，實現節能- 需要更換潤滑

6、油在一些特殊行業應用較多水泥廠設備使用較少較低（減速機、齒輪 箱等故障率高）異步電機+減速器+機械軟啟各類設備廣泛使用轉子沒有鐵耗、銅 耗，定子銅耗減小，低負荷時效率、功率因數降低很少，溫升低，冷卻機械損耗小 煤礦業、橡膠業、風力發電、水力發電、電動汽車、軌道交通、電梯空調、船舶電 力、紡織業、醫療機械、采油業礦山及碼頭長輸送膠帶機、空壓機、磨機（輥磨、 球磨）皮帶機傳動改后節電10% 12% ；磨機傳動改后節電5%免維護小電機 1.0 1.2大電機1.2 1.5 1 -1 - 1 1各行業廣泛使用有較大節電效果免維護，節 省油成本高出20% 50%價格取決于采用國產或進口品牌差異（永磁相對異

7、步） 無磁場產生方法不同無勵磁繞組、無碳刷、無滑環（相對于繞線電機）高2% 10%（滿載半載），永磁電機效率受負載率影響小，異步電機受負載率影響大高 5% 10%，永磁電機功率因素受負載率影響小1.5 2.0高出50% 100% 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）的1.5 2倍；從節電效果 與回收增加的成本來看，小電機節電數值大但占比很小，性價比不高；大電機節電 數值小但占比較大，可以使用，節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 采用環氧樹脂整體密封澆灌

8、技術上（一般大型電機采用此技術）。3永磁同步電機適用的工況根據永磁同步電機的特點及突出的優勢，比較適合于低速大轉矩、過載能力強、免 維護運轉率要求高、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 于設備安全性、可靠性要求較高的領域，如：煤礦、電動汽車、軌道交通、電梯空 調、醫療器械、船舶牽引等行業。（2）由于永磁同步電機直驅免維護的特點，適用于高空中設備維護檢修困難、成 本高的地方，如：風力發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、經常輕

9、載運行，采用傳統驅動故障率高、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，以提高設備 可靠性及節能降耗，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， 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 3x200kW，由于啟動電流大、過載能力差，升級改造為永磁直驅系統，配置功率 單臺400kW，使用后電流降低38.8%，無功功率減小81.7%，節電率30%。（4）由于永磁電機無定子繞組、無磁力切割、低轉速時磁場強度高，適合于設備 長期低速運行的工況，如：球磨機和輥磨，使用后可以實現滿載啟動，永磁電機的 多級數轉速低、起動轉矩大、噪音低

10、、體積小、節電、免維護等優勢也得以發揮。 例如，某集團一水泥分廠球磨機配置2 500kW中心傳動永磁直驅系統，至今已運 行半年多，相比使用永磁直驅系統前，傳動電耗降低5%，傳動故障率降低，運 轉率提高。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 驅系統后，磨機轉速27r/min時，節電不明顯，轉速29r/min時，產量提高8% , 電耗降低0.3kWh/t，每年減少潤滑油消耗約5萬元。4水泥廠各類設備使用永磁電機的經濟適用性分析4.1膠帶機礦山、碼頭或廠區大功率（275kW）長輸送膠帶機經常需要帶載啟動，且經常在中低負荷運行時，建議采用永磁電機。使用后可以實現帶料啟動，

11、節電也會較為顯 著。4.2破碎機石灰石破碎機經常設置在礦山，運行工況惡劣，需要重載啟動時要求啟動轉矩大， 可以有條件地采用永磁電機，以保證設備長期穩定運行，同時減少維護工作量。其 他能力較小、設置在廠區的破碎機，使用永磁直驅性價比不高。4.3提升機入窯斗式提升機是窯喂料的關鍵設備，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運行故障率有選擇地使用，如輥壓機系 統斗式提升機等。4.4球磨機球磨機傳動若采用永磁電機，會帶來廠房及設備基礎減小、土建工程量減小、電纜 減少、維護成本減小、噪聲小、降噪設施成本降低等影響，但這些成本的節省是否 可以部分抵消電機設備增加的成

12、本，需要綜合評估；此外，需要調研節電效果，核 算電機增加成本的回收期，在以上基礎上考慮采用。如國夕卜項目中業主要求采用進 口減速機，設備成本與永磁電機+變頻器差不多時，應建議業主采用。4.5輥磨已有幾臺輥磨傳動采用永磁電機，有一定節電效果，驅動可靠性增加，可以有選擇 地采用。磨機運行穩定后基本不用調速，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備供貨商一起開發半直驅啟動系統， 即采用一級齒輪加永磁電機，取消變頻器，降低設備成本，可靠性提高又可節能。4.6輥壓機輥壓機傳動采用永磁電機國內尚無使用先例，其驅動也是低速大轉矩，根據球磨機 中心傳動使用情況來看，應該

13、也可以用，但輥壓機設備機械結構需要重新設計，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，而且大部分都配置變頻器，采用永磁電機節電效果有限， 不建議采用。4.8其他小電機如采用永磁電機，會有節電效果但電耗占比太小，或設備本身使用頻率不高，如檢 修設備電機等，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%，大規格空壓機本身也是直驅， 不少廠也采用變頻，改造為永磁直驅性價比不高。4.1 0水泵水泵驅動系統國內部分鋼廠節能改造用過，據有關資料所述可節電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，改造為永磁直驅性 價

14、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，變頻器控制系統需適應變頻電機的運行，兩 者應協調一致，不然會影響使用效果。變頻器的質量會影響驅動系統的可靠性，選 用時需重點加以關注。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備的節電，也可以降低 噪聲源的噪聲，還可以改善線路和電網的損耗。5結語設備高效節能、安全、免維護是工業企業進行設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計制造技術的提升， 其應用將會更廣泛。參考文獻：1 鄒麗.稀土永磁電機在起重機行業的應用研究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.