隨著國家對能源環保管理的深入，節能降耗、綠色環保已成爲水泥企業的關注點，前期的改善電網質量、風機泵類變頻改造等節能手段都已發揮到了極致，單就目前的異步電動機來看，其效能提高一個百分點都很困難，所以水泥生産企業的設備節能空間已很有限。近幾年，隨著永磁材料的不斷發展，永磁電動機的生産及應用也隨之迅猛發展，因其良好的負載特性和節能降耗的優勢，使其應用領域從小型民用（如電梯、電動汽車等）慢慢滲透到大型工業生産中，從低壓小功率發展到了高壓大功率，永磁電動機在水泥行業的應用是大勢所趨。

水泥企業因工作環境惡劣、設備能耗高、故障率高、維護量大等特點，對設備運行可靠性的要求更爲苛刻。水泥生産線上皮帶機、提升機、選粉機、拉鏈機、輥壓機、球磨機是最具代表性的關鍵設備，皆爲沖擊性負載，啓動轉矩大，過載倍數高，故其電動機功率及減速機服務系數一般富余量都大，生産過程中的高噪音、低功率因數、高耗能、高故障率、高維護量，一直制約著水泥生産線的安全、環保及高效運行。具體缺點如下：

（1）旋转类机械的振动和噪音大部分是由于高速旋转造成的，皮带机、提升机、选粉机、球磨机等4极异步电动机（1?480 r/min）及减速机的高速输入旋转而引起的冲击、振动、摩擦、噪音（包括电磁噪声），对现场环境影响极大，同时也降低了减速机的使用寿命。

（2）異步電動機的啓動性能及過載能力差，故電動機選型都存在“大馬拉小車”現象，而異步電動機低負載運行時，效率和功率因數都比較低（如圖1、圖2所示），需外加無功補償裝置來改善電網的功率因數，增加了供電設備的容量及設備投入。

圖1　永磁同步電動機效率、功率因數與負載率關系曲線

 圖2　異步電動機效率、功率因數與負載率關系曲線

（3）“4極高速異步電動機+液力耦合器+減速機”的異步電動機驅動搭配，由于減速箱爲高速輸入，使其振動及磨損大，産熱量高（大功率設備必須外置稀油站強制注油降溫潤滑），潤滑油管及機體連接部位密封損壞頻繁，滲漏油現象很難從根本上解決，嚴重影響生産現場環境的整潔及潤滑油的日常消耗。

我公司结合水泥生产线使用设备的运行特性，研发生产出了皮带机、提升机、选粉机、拉链机、辊压机、边缘传动球磨机等专用永磁同步驱动系统，功率范围7.5~3?000 kW，转速范围5~600 r/min，电压380~10 kV。从目前应用效果看，运行状况良好、达到了设计目的和要求，以下介绍其在石灰石输送皮带机上的应用实践。

2.1　皮帶機異步電動機驅動系統

皮帶機異步電動機驅動系統參數見表1。

表1　皮帶機異步電動機驅動系統參數

2.2　改造方案論證

更换驱动系统的石灰石输送斜皮带位于48 m高的钢结构中转站上，其安装平台空间及承重都已确定，永磁电动机的改造方案只能在现有的条件下实施。如若选用永磁直驱，满足200 kW、30 r/min的驱动扭矩为（9?550×200）/30=63?667（N·m），估算直驱永磁电动机的设计重量约为2 t/10?000 N·m，则该电动机的设计重量可达6.366?7×2=12.7（t），此重量无法满足原钢结构的承重要求，给改造带来很大的难度。另外根据永磁电动机的转速公式n=60f/P，则P=60f/n=60×50/30=100，若把电动机的额定转速设计为30 r/min的话，就需要把其极数设计为100对（200极），就算有的厂家把永磁电动机的额定运行频率设计成十几赫兹，永磁电动机也需要设计为40极。而这种设计（40极、低频10 Hz运行）势必会使电动机的转子直径及重量很大，造成启动及运行惯量很大，启动性能差，由于转子自重等原因而降低了电动机运行效率，节能效果欠佳。

鉴于此，最终选用“20极（300 r/min）的永磁同步电动机+低速变低速的小速比一级减速器+无感矢量变频器”的配置，同样以30 r/min的输出替代原“异步电动机+液力耦合器+减速机”的异步驱动系统，来达到低速驱动、节能降耗、降噪、提高运行安全可靠性、降低故障率和维护量的目的。

永磁電動機采用特殊的電磁與結構設計，優化機械制造工藝，選用國內損耗最低的優質矽鋼片，提高材料利用率。其定子槽滿率更高，功率密度更高，驅動系統體積更小、重量更輕、結構緊湊，有效減少材料成本，提高了産品的性價比。

电动机及一级减速器均选用FAG或SKF进口全密封免维护轴承，在运行转速为300 r/min的情况下，其转子风摩耗、轴承发热量及磨损也大大降低，基本可以免维护。

“20極永磁電動機+一級減速器”的結構與大極數永磁電動機相比，轉子體積小、質量輕，啓動慣量小，再加上一級減速器的轉矩放大作用，使其具有啓動轉矩大的特點，較易實現重載啓動。改造後皮帶機永磁同步電動機驅動系統參數見表2。

表2　皮帶機永磁同步電動機驅動系統參數

2.3　改造特點

（1）电动机由1?486 r/min异步电动机改为300 r/min永磁同步电动机，减速机由三级减速改为一级，速比i由50∶1改为10∶1的小速比，去掉了高速级，输入轴转速降至300 r/min，减速机轴承及齿轮磨损、运行发热量大幅度降低，效率提高，且永磁电动机和一级减速器都完成模块化设计，通过柔性连接耦合到一起，质量轻，过载能力大大提高（可在1.5倍额定转矩下长期运行，2.0倍额定转矩下可运行5 min）。

（2）改造后的永磁同步电动机中心高为450 mm，与原减速机中心高相同，电动机基础基本不做改动，拆掉原直交轴减速机、液力耦合器、电磁抱闸、异步电动机，原基础平台稍作改动，原联轴器继续使用，永磁电动机通过联轴器跟皮带机的传动滚筒直联布置安装，整体对现场改动不大，2 d即可完成改造。

（3）永磁電動機定子繞組預埋三相雙支三線制PT100測溫裝置（共6支，3用3備），前後軸承預埋雙支三線制PT100測溫裝置（共2支，1用1備），可實現運行過程中繞組及軸承溫度的精准監測和上傳，便于實現對設備的遠程監控。

（4）電氣控制拆掉原軟啓動器，更換爲永磁電動機專用無感矢量變頻器，用原驅動軟啓動器的信號直接驅動變頻器即可，電氣控制回路極爲簡單。智能控制實現了電動機的緩啓緩停，減小電流沖擊，實現對永磁同步電動機的精確控制和保護，也可通過其通信接口外接物聯網模塊，來實現該皮帶機永磁同步驅動系統的遠程監控，提高企業的智能化管理水平。

改造前後現場設備布置情況對比見圖3。

圖3　皮帶機現場照片

1）運行參數

改造后，在相同喂料量的条件下，经过原计量仪表检测，皮带机运行电流由210~260 A降到165~210 A，现场噪音低于80 dB（A），表3为改造前后相同喂料量下，一个台班的电动机运行电流对比。

表3　改造前后电动机运行电流对比 A

2）節電分析

改造前电动机功率200 kW，电压380 V，功率因数0.905，平均运行电流256 A；改造后电动机功率200 kW，电压380 V，功率因数0.980，平均运行电流183 A（以上电流皆为变频器前的输入电流）。根据电动机有用功公式P=UIcosφ，改造后皮带机的节电率为22.4%，节电效果明显，而且同步电动机对电网功率因数的提高也会带来一定的经济效益。

另一方面，永磁驅動系統還有其他優勢，如其安全可靠的性能，可以保障皮帶機安全無故障運行，低振動、低噪聲、低汙染可以切實改善現場工作環境。

3）運行維護方面

改造後沒有減速機和液力耦合器，縮短了傳動鏈，降低了故障率，使設備的日常巡檢維護量大大降低，減少了潤滑油的消耗及維修成本。

2、4、6極高速電動機是異步電動機的優勢，結構及控制簡單，效率及功率因數高，但是當運行轉速在幾百轉，甚至幾十轉到十幾轉時，再靠增加異步電動機的極數來降低轉速（功率因數很低）或加減速機進行減速（效率低、維護量大），就很不經濟高效。此時可以選擇低速大扭矩永磁電動機，其體積和質量僅爲異步驅動系統的1/2~1/3，可減少新建項目的基建投資，其運行效率（97%）和功率因數（99%）都很高，變頻智能控制緩啓緩停，額定電流小于同功率的異步電動機，所以供電設備及電纜可降低一個規格進行選型，無須進行電容補償。低速大扭矩永磁同步驅動系統在水泥生産線上的應用，對行業設備升級換代以及企業效益的提高起到了良好的推動作用。