永磁同步電機在水泥廠中的應用

張江濤

1 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0.95～0.99，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）

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3×200kW，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、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（≥75kW）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，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。如國外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。

[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.■