石灰石膠帶輸送機永磁電動機節能改造

李俊

我公司水泥熟料生產線回轉窯規格為φ4.8m×72m，設計產能4 800t/d，三檔支承，斜度3.5%，帶液壓擋輪；生料輥磨型號為ATOX 50，生產能力為450t/h，石灰石預均化堆取料機型號為YDQ1000/500/90；石灰石膠帶輸送機型號為DT11，規格為B1 200mm×185 380mm，輸送能力為1 000t/h，驅動電動機型號為Y355M2-4異步電動機，額定功率為220kW。此電動機已運行多年，發熱量大、效率低、能耗高，公司決定將其改造為大扭矩低速永磁同步電動機。

1 永磁電動機驅動系統特點

1.1 節能高效

大扭矩低速永磁電動機的功率因數和效率高，總體效率可達0.95 以上，最高可達0.99。在20%～120%負載率范圍內，大扭矩低速永磁電動機均可保持非常高的功率因數和效率，相較于異步電動機，可節能20%以上。

1.2 運行可靠性和安全性高，后期維護量少

大扭矩低速永磁電動機驅動系統是以低速驅動低速，該系統去除了老式傳動系統中容易失效的高速傳動鏈部分，包括傳動鏈中的重載高速高扭矩部分，從而大幅提高了整個驅動系統的可靠性，增大了服務系數，運行穩定性更高，現場工人維護工作量大幅減少。

1.3 結構緊湊，體積小，重量輕，易于安裝

大扭矩低速永磁電動機采用了特殊的結構和電磁設計，進一步優化了電動機的制造工藝，用低速驅動低速，從根本上改變了同步永磁電動機的電磁設計方式，極大地提高了材料的利用率。大扭矩低速永磁電動機驅動系統的體積和重量，比傳統異步電動機減速機驅動系統降低了30%～50%；大扭矩低速永磁電動機驅動系統的體積與重量比永磁直驅電動機可減少25%～50%，其中心高降低了2～3個機座號。大扭矩低速永磁電動機驅動系統重量更輕、體積更小、結構更加緊湊，轉矩密度也更高，可有效降低材料成本，提高產品性價比。

1.4 啟動轉矩大，過載能力強

大扭矩低速永磁電動機啟動時，電流隨負載的增大逐步增加，不存在大電流沖擊的情況。因此，在相同線路容量的條件下，采用大扭矩低速永磁電動機驅動系統直接驅動負載，可以非常容易實現帶載軟啟動和帶載緩停。

1.5 產品性價比高，綜合投資成本低

大扭矩低速永磁電動機驅動系統直接驅動負載，無需另外連接減速機及液力耦合器（摩擦耦合器、電磁耦合器）等傳動系統，結構非常簡單，系統安裝精度高，安裝費用低，大幅節省了人力物力，提高了生產效率。新建項目若采用大扭矩低速永磁電動機驅動系統，可大幅減少工程造價，節省成本，性價比非常高。

1.6 用料精良，工藝先進，磁鋼使用壽命較長

該永磁電動機選用了高矯頑力且高磁能積的稀土類永磁材料，漆包線用漆為高強度H級聚酯亞胺漆，冷軋硅鋼片磁導率高于傳統材料；采用了最新的加工工藝，結構非常緊湊、發熱量極低；轉子采用了新的組合式IPM 結構，具有調速范圍寬、漏磁較少、抗去磁能力強、磁鋼壽命長等優點。

1.7 采用高可靠性永磁電動機專用矢量控制變頻智能控制系統

（1）矢量控制變頻系統的核心元器件均采用進口原裝產品，無需使用編碼器即可實現永磁電動機的精準速度控制，控制精度可達0.05Hz，完全可滿足現場使用需求。

（2）該永磁電動機采用了專用的無感矢量控制變頻驅動，啟動電流低，對電網沒有沖擊，操作簡單，性能可靠，運行穩定。

（3）永磁電動機與變頻器配合輸出的波形好，奇數次高次諧波分量少，不需要使用屏蔽電纜，使用原有的電纜即可滿足運行要求，對電網及其他的模擬量信號不會產生干擾。

1.8 擁有完善的保護功能

擁有完善的綜合保護系統，可防止系統中重要元器件的損壞，所有的報警信號均受到高度關注。

不會造成立即停機的信號主要有：運行信號丟失或允許重新啟動；速度控制信號丟失；控制電壓信號過低；功率管觸發故障；電動機溫度高；IGBT溫度高。

可造成立即停機的故障信號主要有：供電電壓過低或過高；內/外部短路（IGBT將立即關斷）；接地故障；過流重故障；DC 環節欠壓或過壓；輸入輸出電源缺相故障；控制電壓信號故障；輸入逆相保護；微處理器故障；冷卻風機故障。

2 原石灰石膠帶輸送機輸送系統運行情況

2.1 原驅動系統配置

原石灰石膠帶輸送機驅動系統由三相異步電動機、液力耦合器、減速機三部分組成。三相異步電動機功率為220kW，配套減速機速比為40，液力耦合器型號為XJGL-L220。原驅動系統具體參數配置見表1。

表1 原驅動系統參數配置

2.2 運行情況

（1）原有的“三相異步電動機+液力耦合器+減速機”傳動系統，傳動鏈長，效率低，功率因數低，電耗及機械損耗較高。

（2）減速機采用220kW/4極三相異步電動機直接啟動，減速機輸入轉速為1 489r/min，高速端齒輪在啟動瞬間容易打齒進而造成齒輪損壞。原驅動系統設備故障率高，維護量大，維護周期短，嚴重制約了原材料輸送系統的正常運行。

（3）密封材料損耗較快，潤滑及保養次數多。由于減速機的輸入端是高速輸入（1 489r/min），機械摩擦嚴重，油封等密封材料摩擦損耗較快，增大了設備運行的安全風險和崗位人員維護保養的工作量，不利于現場環境治理。

（4）液力耦合器故障率較高。液力耦合器無法承受過大的負荷，且運行時溫度升高，負載稍大就容易出現鉛塞熔化噴油現象，需停機檢修，大大降低了設備運轉率。

（5）振動和噪聲較大。膠帶輸送機裝在高于地面28m 處，其在運轉時會產生較大的振動和噪聲，對設備整體運行的安全性、可靠性和現場生產環境有不良影響。

3 膠帶輸送機驅動電動機改造過程

3.1 驅動系統選型

在正常工況下，根據工藝要求，選擇額定功率為185kW、型號為RMY450-185kW 的大扭矩低速永磁同步電動機，永磁同步電動機具體參數配置見表2。

表2 永磁同步電動機參數配置

3.2 驅動系統配置

相較于原驅動系統，改造后的驅動系統去除了液力耦合器和減速機，永磁電動機通過聯軸器與膠帶輸送機皮帶頭輪連接。永磁同步電動機驅動系統配置見表3。

表3 永磁同步電動機驅動系統配置

3.3 改造過程

（1）將原異步電動機及減速機拆除，根據永磁同步電動機安裝尺寸重新澆筑混凝土基礎并制作新的底座。永磁同步電動機外形尺寸見圖1。

圖1 永磁同步電動機外形尺寸

（2）將永磁同步電動機安裝在澆筑好的混凝土基礎上，將聯軸器與膠帶輸送機頭輪相連。安裝時注意找正，電動機、聯軸器、膠帶輸送機頭輪同心度應符合技術要求，永磁電動機驅動系統設備組成見圖2。

圖2 永磁同步電動機驅動系統設備組成

（3）將原控制柜的軟啟動器更換為ACS880 變頻器，永磁電動機動力電纜仍采用原異步電動機動力電纜。由于永磁電動機一般為低速運轉，自帶變頻冷卻風機，需重新敷設一條電纜為變頻冷卻風機供電，以保障永磁電動機運行時的正常風冷。

（4）建立ACS880 變頻器與原料輸送區域DCS間的通訊，在變頻器控制柜與原料輸送區域PLC控制柜之間敷設控制電纜及信號電纜，保證變頻器與原料輸送區域PLC之間的信號傳輸。

（5）根據永磁同步電動機銘牌參數設置變頻器相關參數并試車。試車分為空載試車和帶載試車，保證輸送系統單機及聯鎖運行均正常后進行交付及驗收。

4 改造效果

（1）改造前后膠帶輸送機物料輸送量不變，均為700t/h左右。改造后，膠帶輸送機在連續運行的正常工況下，年運行時間按6 000h，電價按均價0.7元/kW·h 計算，年節約電費可達13.5 萬元，節電率達30.1%，兩年左右即可完全收回投資。改造前后膠帶輸送機運行電耗對比情況見表4。

表4 改造前后膠帶輸送機運行電耗對比情況*

（2）永磁同步電動機運行穩定、效率高、噪聲低，極大改善了現場員工的工作環境。

（3）改造后，設備運行安全可靠，故障率低，維護量少，密封性能好，潤滑和保養次數減少，有效減輕了工人的勞動強度。

（4）考慮后續改造提產的需要，設備運行轉速由37.2r/min提高至42r/min。系統有完善的保護功能，在帶負載事故停車后，具有滿載啟動能力，避免了因帶料負荷大而無法啟動的情況發生，無需再人工清理輸送機膠帶上的積料。

（5）去掉了液力耦合器等傳動機構，傳動鏈變短，維護檢修方便，完全可滿足設備檢修時低速慢轉的需要。

（6）電動機自身功率因數提升至0.98，原有的低壓電容補償系統可部分退出，節約了電氣設備的運行成本和維護工作量。

（7）充分利用了原有空間布局，改造后設備總重量不大于原有設備總重量，有效確保了設備平臺基礎承重量在安全范圍內。

（8）永磁電動機和變頻器自身的高次諧波分量少，輸出波形好，諧波控制能力強，在生產運行中不會對其他設備開關量控制信號及模擬量信號造成干擾。

5 結語

大扭矩低速永磁電動機驅動系統具有高效節能、啟動轉矩大、安全可靠、運行穩定等優點，適用于大型膠帶輸送機系統，較傳統的“電動機+液力耦合器+減速機”傳動系統優勢明顯。此外，該永磁電動機還具有體積小、重量輕、溫升低、無功小、噪聲小、效率高等優點，不僅可以改善現場員工的工作環境，而且可減少維護頻次，降低巡檢工勞動強度。本次石灰石膠帶輸送機永磁電動機節能改造效果顯著，我公司還將逐步改造原料輸送區域內的傳統傳動系統，將其改造為永磁電動機傳動系統，以進一步節能降耗，提高效率，改善環境。