變頻永磁直驅電動機在風掃煤磨上的應用

閆玲娣

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

風 掃煤磨是物料粉磨的關鍵設備，傳動裝置作為磨機的驅動部件，其特性直接影響著磨機運行的穩(wěn)定性和磨機能耗。風掃煤磨傳統(tǒng)的驅動模式為傳統(tǒng)異步電動機+減速器+慢速驅動，導致系統(tǒng)存在機械傳動鏈冗長、效率低、機構復雜、運行維護工作量大等問題。隨著國家對節(jié)能減排提出了更高的要求，提高磨機傳動系統(tǒng)的運行效率已成為節(jié)能的關鍵。因此，通過提高電動機本身運行效率和運行功率因數，減少無功消耗，降低路線損耗，從而降低磨機能耗，是磨機節(jié)能的一個方向。采用變頻永磁直驅電動機來減少傳遞轉矩過程中的能耗損失是實現干法球磨機節(jié)能的重要手段。

1 風掃煤磨傳動系統(tǒng)與粉磨系統(tǒng)工作原理

風掃煤磨作為低速重載、恒速的設備，啟動需要克服傳動系統(tǒng)的磨損損耗和研磨體偏移對傳動軸產生的有效力矩。磨內研磨體對物料的破碎沖擊力使磨機工作中伴有振動和沖擊，而干法粉磨工作的連續(xù)性特點，要求磨機傳動系統(tǒng)具備高可靠性和低故障率，作業(yè)率需高達 95% 以上。

1.1 傳動系統(tǒng)工作原理

傳統(tǒng)的風掃煤磨主要由磨機本體、齒輪傳動部、主減速器、慢驅裝置、異步電動機組成，結構如圖 1所示。風掃煤磨運轉時，異步電動機將動力通過主減速器傳遞給齒輪傳動部的小齒輪，通過大、小齒輪的嚙合，環(huán)裝在磨機回轉部的大齒圈帶動磨機，實現磨機的旋轉；在磨機安裝或檢修時，異步電動機停止供電，慢驅裝置中的電動機將動力通過主減速器傳遞給齒輪傳動部的大、小齒輪，通過環(huán)裝在磨機回轉部的大齒圈帶動磨機，實現磨機的慢轉。

圖1 傳統(tǒng)風掃煤磨的傳動系統(tǒng)結構示意Fig.1 Sketch of traditional drive system of air-swept coal mill

由于風掃煤磨傳動系統(tǒng)組成較為復雜，包含異步電動機、兩級或三級減速器和慢速驅動裝置，以及低速聯軸器、高速聯軸器、斜齒離合器等，傳動總效率低，任何一個環(huán)節(jié)出問題，均會造成磨機無法正常運轉。

1.2 粉磨系統(tǒng)工作原理

風掃煤磨的粉磨系統(tǒng)結構如圖 2 所示。原料 (同時伴隨 280 ℃ 左右的熱風) 由喂料設備送入磨機的進料裝置中，通過進料溜槽和螺旋快速導入磨機回轉部的烘干倉內，內設揚料板，含有一定水分的物料在此處進行強烈熱交換而被烘干，再通過中間隔倉進入粉磨倉，與鋼球磨介一起在具有提升能力和研磨能力的襯板作用下，不斷地沖擊、粉碎或粉磨，最終研磨成煤粉，再由專用的引風機經出料裝置帶出磨機進入下一道工序。

圖2 風掃煤磨的粉磨系統(tǒng)結構示意Fig.2 Profile of grinding system of air-swept coal mill

2 異步電動機與永磁電動機的原理

2.1 異步電動機

異步電動機勵磁磁場由定子繞組提供，采用勵磁電流產生氣隙磁場的方式，使電動機轉子繞組形成感應電流，從而產生感應磁場，帶動轉子旋轉，轉子轉速與旋轉磁場轉速不一致[1]。由于勵磁磁場由定子繞組提供，需要采用短距分布繞組保障勵磁磁場的正弦度，如圖 3 所示，難以做成多極低速。因此，常采用感應電動機+機械降速方法實現低速運行。

圖3 異步電動機分布式繞組Fig.3 Distributed winding of asynchronous motor

異步電動機在機械裝備傳動系統(tǒng)中僅作為機電能量轉換的裝置，用于提供系統(tǒng)所需的動力，使系統(tǒng)存在機械傳動鏈冗長、效率低、機構復雜、運行維護工作量大等問題。為了滿足機械裝備最大負載的驅動需求，常選額定功率偏大的異步電動機，而異步電動機需要一部分功率來產生磁場，以維持電動機正常運轉，導致大部分電動機的負載率在 60%～80%，如圖4 所示，效率和功率因數低，耗電量高。

圖4 異步電動機效率、功率因數與負載率的關系曲線Fig.4 Relationship curve between efficiency,power factor with load ratio of asynchronous motor

2.2 永磁直驅電動機

永磁電動機采用永磁體磁極代替電流勵磁的磁極，磁鋼設置在轉子中，不需要輸入電流就可以產生磁場，在運行過程中，借助永磁體產生的旋轉磁場，使轉子與旋轉磁場同步旋轉。永磁直驅電動機不需要無功勵磁電流，可以顯著提高效率和功率因數，減少定子電流和定子損耗，并在穩(wěn)定運行時沒有轉子電阻損耗，總損耗降低而減少了風扇和相應的風摩損耗。相比異步電動機，永磁電動機轉子結構簡單，沒有勵磁繞線組，轉子銅耗較少，其功率因數比同規(guī)格的異步電動機可提高 10%～15%，如圖 5、6 所示。

圖5 永磁同步電動機效率、功率因數與負載率的關系曲線Fig.5 Relationship curve between efficiency,power factor with load ratio of permanent magnet synchronous motor

采用永磁電動機替換異步電動機雖然提升了電動機的能效等級，但由于是等速替換，仍沒能解決大型機械裝備傳動鏈冗長的問題。稀土永磁電動機勵磁磁場由轉子提供，可以利用真分數槽集中繞組實現永磁電動機多極低速的設計目的，通過將電動機與機械結構進行機電一體化設計，取消動力傳輸的全部或部分中間環(huán)節(jié)，做成永磁直驅方案，能直接滿足荷載的需求，從而省去減速器裝置。

3 變頻永磁直驅電動機

3.1 變頻調速工作原理

變頻調速是指按比例改變電動機頻率和電壓來達到磨機主電動機調速的目的，具有調速范圍寬、調速精度高、運行效率高等諸多優(yōu)點[2]。變頻器是對電動機實現變頻調速的主要裝置，由整流器、中間直流環(huán)節(jié)、功率逆變器和控制器構成，它將電網提供的恒壓、恒頻的交流電變換為新的電壓和頻率的交流電，并接入到電動機定子繞組中，實現對交流電動機的變頻無級調速[3]。

3.2 變頻永磁直驅電動機對慢驅的影響

風掃煤磨的慢速驅動裝置由制動電動機、慢驅減速器和離合器等組成，主要用于磨機的安裝和檢修。在安裝、更換磨機零部件和檢修磨機內部時，可驅動磨機筒體以 0.1～0.2 r/min 的低速運轉。采用變頻永磁直驅電動機的磨機可以在變頻器低頻下穩(wěn)定運行，滿足磨機安裝和維修需要。此外，還能實現磨機的點動控制，通過輸入磨機旋轉的弧度，精確定位磨機筒體的位置。變頻永磁直驅電動機完全能夠替代慢速驅動裝置，減少設備投資，減輕慢驅拖動下大小齒輪的機械沖擊。

3.3 制動系統(tǒng)

為避免安全隱患，需要在變頻永磁直驅電動機的驅動系統(tǒng)上增加制動系統(tǒng)，其主要作用是在磨機檢修或更換襯板時，對滿負荷磨機提供制動，保證人員安全；在磨機潤滑系統(tǒng)、變頻器、電動機等發(fā)生故障或生產線停電時，為高速運行的滿負荷磨機提供完全制動，以避免造成磨機滑履軸承或主軸承損壞[4]。

3.4 變頻永磁直驅電動機優(yōu)勢

傳統(tǒng)的異步電動機+變頻器，不能去除減速機及其輔助油站，后期維護工作沒有減少，驅動系統(tǒng)的效率傳遞損失問題也沒有解決；原異步電動機是非變頻電動機，長時間變頻運行容易導致定子線棒溫度升高，線棒絕緣加速老化。而永磁直驅電動機可以在額定頻率以下運行，具有恒轉矩、啟動轉矩大的特性，可更好地配套變頻器，適用球磨機工況。因此，如圖7 所示，以低速大轉矩永磁直驅電動機+變頻器模式取代異步電動機、主減速器、主減速器油站、輔傳減速器、減速器電動機、水阻柜/啟動柜、進項器等設備，可優(yōu)化結構，降低采購成本，減少設備故障點，提高傳動效率，降低電耗。同時，可以直接設計為粉塵防爆結構，防爆設計符合煤粉制備環(huán)境防爆電氣要求，結構簡單，穩(wěn)定性強。

圖6 永磁電動機與異步電動機對比Fig.6 Comparison between permanent magnet motor and asynchronous motor

圖7 磨機采用變頻永磁直驅電動機結構示意Fig.7 Sketch of frequency conversion permanent magnet directive drive motor applied to mill

4 應用效果

某水泥生產線配置的φ3.80 m×7.75 m+3.5 m 風掃煤磨，其傳動系統(tǒng)配置了傳統(tǒng)異步電動機、主減速器、慢驅裝置、制動器、高速聯軸器、低速聯軸器、離合器等，采用水電阻啟動。其主電動機參數如表 1所列。采用鋼球作為研磨介質，填充率為 23.5%，裝載量為 86 t，產量為 37.4 t/h，運行電流為 125.6 A，電壓為 6 000 V，磨機電耗為 29.6 kW·h/t。

表1 異步電動機參數Tab.1 Parameters of asynchronous motor

另一水泥生產線配備φ3.80 m×7.75 m+3.5 m 風掃煤磨，轉速為 16.7 r/min，設計生產能力＞42 t/h，主要用于制備煤粉，入磨物料細度 ≤25 mm，95% 通過，入磨物料綜合含水率為 9%～14%。

該風掃煤磨配置了變頻永磁直驅電動機，采用低速大轉矩永磁直驅電動機+變頻器模式，傳動裝置結構簡單。該電動機采用粉塵防爆結構，磨機的小齒輪軸與變頻永磁直驅電動機軸頭通過膜片聯軸器實現聯接，同時增加制動系統(tǒng)，實現安全控制，如圖 8所示。

圖8 水泥生產線風掃煤磨Fig.8 Air-swept coal mill applied to a cement production line

該風掃煤磨采用鋼球作為研磨介質，填充率為23.5%，裝載量為 86 t，產量為 45.2 t/h，成品粒度為80 μm 篩余≤3%。配備的變頻永磁直驅電動機參數如表 2 所列。實際運行時，運行頻率為 44 Hz，運行電壓為 9 360 V，運行電流為 76.7 A，磨機電耗為 25.3 kW·h/t。

表2 變頻永磁直驅電動機參數Tab.2 Parameters of frequency conversion permanent magnet directive drive motor

上述兩條水泥生產線風掃煤磨的傳動系統(tǒng)對比如表 3 所列。相比傳統(tǒng)異步電動機，變頻永磁直驅電動機的功率因數和系統(tǒng)效率有了顯著提高，單機電耗也有一定程度的降低。同時，磨機傳動系統(tǒng)配置更簡單，取代了傳統(tǒng)的復雜結構，減小了傳動系統(tǒng)的體積、廠房的占地面積和設備質量，降低了原材料消耗和采購成本，減少了故障點和系統(tǒng)維護成本，提高了傳動的效率和可靠性。

表3 兩種驅動效率對比Tab.3 Comparison of two drive modes in efficiency

采用變頻永磁直驅電動機的風掃煤磨在現場使用情況良好，性能穩(wěn)定，已連續(xù)安全運行，各項技術指標均達到了設計要求。

5 結論

(1) 變頻永磁直驅電動機將永磁電動機與機械負載融為一體，改變了機械裝備的傳動模式，消除了各個傳動環(huán)節(jié)，大幅度簡化了機械裝備的傳動鏈；

(2) 變頻永磁直驅電動機使磨機傳動系統(tǒng)更簡單，降低了采購成本，減小了傳動系統(tǒng)的體積、廠房的占地面積和設備質量，減少了原材料的消耗，提高了傳動效率，節(jié)省了磨機單機電耗，并可直接做成粉塵防爆結構，穩(wěn)定性強；

(3) 變頻永磁直驅電動機可以滿足磨機安裝和維修需要，并實現磨機的點動控制，完全能夠替代慢速驅動裝置；

(4) 采用變頻永磁直驅電動機的磨機可省去減速器及其附屬油站等設備，大大減少了設備故障點和機務維護工作量；

(5) 需要在變頻永磁直驅電動機的驅動系統(tǒng)上增加制動系統(tǒng)，提高磨機的安全性和可靠性。

筆者介紹的變頻永磁直驅電動機在磨機上的應用，對于磨礦作業(yè)的節(jié)能降耗至關重要，具有減少磨礦成本，提高粉磨效率，降低磨機能耗等優(yōu)點。這一應用為磨機的設計提供了新的思路，可在煤磨的設計及應用方面積累數據和經驗，形成統(tǒng)一的標準，對今后變頻永磁直驅電動機在干法磨機的廣泛應用具有關鍵示范作用。