6 kV 高壓永磁同步電機在窯尾排風機中的應用

李寧

（徐州中聯水泥有限公司，江蘇 徐州 221011）

0 引言

根據能源發展 “十三五” 規劃關于加強能效管理、提高用能設備能效水平、符合高能耗行業產品能耗標準等要求，徐州中聯公司對現有兩條10 000 t/d熟料生產線大型風機高壓電機進行全面變頻器節能改造。 2#熟料生產線窯尾排風機電機為6 kV 異步三相電機， 該電機自變頻改造后轉速降至正常工作頻段時振動大、溫升大，結合實際生產運行情況，決定將6 kV 異步電動機改為永磁同步電機，解決了振動、噪音等問題，有效降低了電耗。

1 異步電機變頻器改造后存在的問題

2014 年徐州中聯公司按計劃完成了2# 熟料生產線窯尾排風機高壓變頻器改造。 改造后，當電機轉速 350～580 r/min 時， 振動 5～6 mm/s， 噪音異常，溫升較大，電機無法正常運行，需將轉速提升至580 r/min 以上、風門控制在64%以內，電機才能正常運行，雖增加變頻器，但未實現變頻效果。 徐州中聯公司決定通過與另外一列風機變頻器進行對調試驗，找出三相異步電機+高壓變頻器這一組合問題所在。經過對調實驗及結果分析，最終確定為電機自身原因。 其振動大和溫升高的原因主要有兩點：

（1）6 kV 異步三相電動機加裝變頻器改造后，正常運行中非正弦電壓不正常的轉差切割轉子的導條產生較大的感應電流，加速了與其它附加損耗的疊加，導致排風機電機溫度快速升高，效率降低。

（2）即使本次改造使用進口變頻器裝置控制，但電源中高次諧波依然存在， 與電動機內部電磁固有的部分諧波互相沖撞，加劇噪音。排風機電機實施變頻器改造后在頻率寬、轉速變化大的條件下運行時，內部電磁諧波的頻率很難避開電機本身各構件固有振動頻率，從而導致電機振動大、噪音大。

2 永磁電機

2.1 永磁同步電機

永磁同步電機轉子由永磁體建立勵磁磁場、無勵磁電流，電機內部包含：轉子鐵芯、轉軸、永磁體、隔磁材料、軸承等，功率密度高，電機總體效率高。

2.2 永磁電機的優點

永磁電機優點如下：

三大：大功率密度、大轉矩扭矩輸出、大過載能力。

三低：低轉速、低能耗、低維護。

三高：系統整體能效高、系統安全可靠性高、系統性價比高。

永磁電機與異步三相電機效率、功率因數、負載率對比曲線如圖1 所示。

圖1 永磁電機和異步電機關系曲線

3 6 kV 高壓永磁電機在風機應用上需注意的問題

3.1 伺服變頻器及控制問題

目前的高壓變頻器，通用的ABB、西門子產品的變頻器往往存在與永磁電機不匹配的情況，需配置相適應的變頻器驅動，才能實現負載需要和輸出功率的自適應。 依靠變頻器遠程控制信號的上傳與控制，可實現系統的遠程智能控制，正常運行中才能對永磁電機進行及時檢測和保護。 另外，永磁電機轉子在啟動瞬間需要識別相位角， 變頻器發出信號把轉子拉入同步。 永磁電機不能直接啟動，直接啟動時3～7 倍的大電流沖擊會造成磁鋼不可逆退磁，降低電機的使用壽命，對系統電網影響較大。

永磁電機安裝運行后不需外界能量即可維持其磁場，自身帶有非線性、變化性的系統。風機負載存在不確定性，加上生產運行中不同程度的其它諧波干擾，靠外部方法來調節控制磁場非常困難。

3.2 電機退磁問題

高壓永磁電機如果前期設計或后期使用不當時，采用的稀有金屬材料在電機溫度過高、過低或強烈機械振動時， 可能造成不可逆退磁或失磁，導致電機電流波動大、內部溫升大，使電機整體性能下降，甚至無法使用，風險較大。退磁問題有單一原因造成的，也有幾種原因共同形成的結果，目前所使用的永磁材料可保證內部轉子在150 ℃以下不出現退磁問題。

3.3 價格高問題

永磁電機中的稀土永磁目前價格昂貴， 成本比異步電機高出3～4 倍，高壓永磁電機改造要根據企業情況進行選擇，需綜合考慮其高性能和運行中的節能費用，根據生產工藝的實際情況進行統籌規劃。

4 更換前后兩種電機參數對比

永磁同步電動機與異步三相電動機參數對比如表1 所示。

表1 永磁同步電動機與異步電動機參數對比

永磁電動機交貨后， 對電機絕緣測試不低于500 MΩ，對電機、冷卻風機接線，緊固地腳螺栓，單機運行轉動自如、平穩、無異常聲音。空載電壓6 200 V，電流4 A，功率12.1 kW，振動0.3 mm/s，帶載完成后運行24 h 驗收合格。

5 DCS 上位機風機程序及變頻器主程序修改

5.1 窯尾排風機永磁電機（2618BF）冷卻風機程序

永磁電機自帶冷卻風機， 在DCS 系統增加冷卻風機控制程序，程序如下所示：

5.2 窯尾排風機（2618B）變頻器控制主程序

在主程序啟動連鎖中增加冷卻風機的運行信號A_2618BF, 保證在窯尾排風機啟動時必須先開電機冷卻風機，防止溫度過高，導致電機跳停或損傷。 變頻器控制主程序如下所示：

6 更換后運行需注意事項

（1）永磁電機改造后兩端軸承采用3#極壓鋰基脂，每運行3 個月需注入油脂1 次，每次注入量為0.1 kg。

（2）該永磁電機為空冷，利用電機上部三臺冷卻風機進行冷卻，單獨控制，定期巡檢，若有異常需及時查找原因并更換處理，防止電機發熱、振動導致電機退磁。

（3）檢修時，檢查冷卻風機接線、變頻器、電機接線是否緊固，風葉有無磨損、變形，清理內部積灰、絕緣測試等。

7 永磁電機更換后的能效分析

解決了生產過程中電機的振動、 噪音等問題，噪音比更換前下降了30 dB 左右，滿足生產運行的需求。節能效果明顯，正常啟動轉矩大，在異常停機的情況下，能滿負載直接啟動，具有很強的帶載同步能力。 穩定性好，在突加突減大負載時不會出現功率角振蕩。 通過分析半個月的運行記錄，變頻器0～50 Hz 全轉速范圍內電機功率因數保持在0.96左右，功率因數較高,無轉速差。 前后高壓柜綜合保護器連續15 d 運行電流及閥門開度對比如表2 所示。

表2 前后高壓柜綜合保護器連續15 d 運行電流及閥門開度對比

永磁電機改造后自帶三臺380 V 電機進行冷卻，運行中三臺冷卻風機電機總電流約為10.3 A，從表2 電流來看， 更換電機前后運行電流相差61.77-37.27=24.5 A，永磁電機功率因數0.96，電壓6 kV，改造前后功率約差 P=1.732UIcosΦ=1.732×6×24.5×0.96=244.42 kW，電機冷卻風機功率因數0.88，電壓0.380 kV, 電流10.3 A， 三臺冷卻風機功率約為P=1.732UIcosΦ=1.732×10.3×0.380×0.88=5.97 kW，每小時最終節約用電約244.42-5.97=238.45 kW·h，風機正常一天運行24 h，日常電費按0.6 元每度計算， 每天節約資金約 238.45×24×0.6=3 433.68 元。窯尾風機正常運行按每年300 d 運算，年節約資金約3 433.68×300=1 030 104 元。單臺永磁電機總投資約54 萬元，改造后6 個月左右收回投資成本。

8 結語

電動機作為水泥行業最大的耗能設備，實施新產品節能技術的應用勢在必行。本次永磁電機在窯尾排風機中的應用， 既滿足水泥工藝生產要求，也實現了公司節能目標，改造后噸熟料綜合電耗降低約0.62 kW·h，在降低能源消耗、保護環境的同時也降低了生產成本，具有推廣價值。