變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)在風(fēng)掃煤磨上的應(yīng)用

導(dǎo)讀

對(duì)風(fēng)掃煤磨傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行分析，闡明了煤磨采用變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的必要性及其優(yōu)勢(shì)。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用證明，該方法能夠降低磨機(jī)能耗和生產(chǎn)成本，為干法球磨機(jī)的設(shè)計(jì)提供了借鑒，對(duì)今后變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)在干法磨機(jī)的廣泛應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

風(fēng)掃煤磨是物料粉磨的關(guān)鍵設(shè)備，傳動(dòng)裝置作為磨機(jī)的驅(qū)動(dòng)部件，其特性直接影響著磨機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和磨機(jī)能耗。風(fēng)掃煤磨傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)模式為傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)+減速器+慢速驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)存在機(jī)械傳動(dòng)鏈冗長(zhǎng)、效率低、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行維護(hù)工作量大等問(wèn)題。隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排提出了更高的要求，提高磨機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行效率已成為節(jié)能的關(guān)鍵。因此，通過(guò)提高電動(dòng)機(jī)本身運(yùn)行效率和運(yùn)行功率因數(shù)，減少無(wú)功消耗，降低路線損耗，從而降低磨機(jī)能耗，是磨機(jī)節(jié)能的一個(gè)方向。采用變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)來(lái)減少傳遞轉(zhuǎn)矩過(guò)程中的能耗損失是實(shí)現(xiàn)干法球磨機(jī)節(jié)能的重要手段。

1 風(fēng)掃煤磨傳動(dòng)系統(tǒng)與粉磨系統(tǒng)工作原理

風(fēng)掃煤磨作為低速重載、恒速的設(shè)備，啟動(dòng)需要克服傳動(dòng)系統(tǒng)的磨損損耗和研磨體偏移對(duì)傳動(dòng)軸產(chǎn)生的有效力矩。磨內(nèi)研磨體對(duì)物料的破碎沖擊力使磨機(jī)工作中伴有振動(dòng)和沖擊，而干法粉磨工作的連續(xù)性特點(diǎn)，要求磨機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)具備高可靠性和低故障率，作業(yè)率需高達(dá) 95% 以上。

1.1 傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理

傳統(tǒng)的風(fēng)掃煤磨主要由磨機(jī)本體、齒輪傳動(dòng)部、主減速器、慢驅(qū)裝置、異步電動(dòng)機(jī)組成，結(jié)構(gòu)如圖 1所示。風(fēng)掃煤磨運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)將動(dòng)力通過(guò)主減速器傳遞給齒輪傳動(dòng)部的小齒輪，通過(guò)大、小齒輪的嚙合，環(huán)裝在磨機(jī)回轉(zhuǎn)部的大齒圈帶動(dòng)磨機(jī)，實(shí)現(xiàn)磨機(jī)的旋轉(zhuǎn)；在磨機(jī)安裝或檢修時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)停止供電，慢驅(qū)裝置中的電動(dòng)機(jī)將動(dòng)力通過(guò)主減速器傳遞給齒輪傳動(dòng)部的大、小齒輪，通過(guò)環(huán)裝在磨機(jī)回轉(zhuǎn)部的大齒圈帶動(dòng)磨機(jī)，實(shí)現(xiàn)磨機(jī)的慢轉(zhuǎn)。

圖1 傳統(tǒng)風(fēng)掃煤磨的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.磨機(jī)本體 2.齒輪傳動(dòng)部 3.主減速器 4.慢驅(qū)裝置 5.異步電動(dòng)機(jī)

由于風(fēng)掃煤磨傳動(dòng)系統(tǒng)組成較為復(fù)雜，包含異步電動(dòng)機(jī)、兩級(jí)或三級(jí)減速器和慢速驅(qū)動(dòng)裝置，以及低速聯(lián)軸器、高速聯(lián)軸器、斜齒離合器等，傳動(dòng)總效率低，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出問(wèn)題，均會(huì)造成磨機(jī)無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2 粉磨系統(tǒng)工作原理

風(fēng)掃煤磨的粉磨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。原料 (同時(shí)伴隨 280 ℃ 左右的熱風(fēng)) 由喂料設(shè)備送入磨機(jī)的進(jìn)料裝置中，通過(guò)進(jìn)料溜槽和螺旋快速導(dǎo)入磨機(jī)回轉(zhuǎn)部的烘干倉(cāng)內(nèi)，內(nèi)設(shè)揚(yáng)料板，含有一定水分的物料在此處進(jìn)行強(qiáng)烈熱交換而被烘干，再通過(guò)中間隔倉(cāng)進(jìn)入粉磨倉(cāng)，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(fēng)機(jī)經(jīng)出料裝置帶出磨機(jī)進(jìn)入下一道工序。

圖2 風(fēng)掃煤磨的粉磨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1. 傳動(dòng)裝置 2.出料裝置 3.主軸承 4.齒輪傳動(dòng)部 5.回轉(zhuǎn)部 6.進(jìn)料端滑履軸承 7.進(jìn)料裝置

2 異步電動(dòng)機(jī)與永磁電動(dòng)機(jī)的原理

2.1 異步電動(dòng)機(jī)

異步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)由定子繞組提供，采用勵(lì)磁電流產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)的方式，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組形成感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速不一致。由于勵(lì)磁磁場(chǎng)由定子繞組提供，需要采用短距分布繞組保障勵(lì)磁磁場(chǎng)的正弦度，如圖 3 所示，難以做成多極低速。因此，常采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)+機(jī)械降速方法實(shí)現(xiàn)低速運(yùn)行。

圖3 異步電動(dòng)機(jī)分布式繞組

異步電動(dòng)機(jī)在機(jī)械裝備傳動(dòng)系統(tǒng)中僅作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的裝置，用于提供系統(tǒng)所需的動(dòng)力，使系統(tǒng)存在機(jī)械傳動(dòng)鏈冗長(zhǎng)、效率低、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行維護(hù)工作量大等問(wèn)題。為了滿足機(jī)械裝備最大負(fù)載的驅(qū)動(dòng)需求，常選額定功率偏大的異步電動(dòng)機(jī)，而異步電動(dòng)機(jī)需要一部分功率來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，以維持電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致大部分電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率在 60%～80%，如圖4 所示，效率和功率因數(shù)低，耗電量高。

圖4 異步電動(dòng)機(jī)效率、功率因數(shù)與負(fù)載率的關(guān)系曲線

2.2 永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)

永磁電動(dòng)機(jī)采用永磁體磁極代替電流勵(lì)磁的磁極，磁鋼設(shè)置在轉(zhuǎn)子中，不需要輸入電流就可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，在運(yùn)行過(guò)程中，借助永磁體產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)。永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)不需要無(wú)功勵(lì)磁電流，可以顯著提高效率和功率因數(shù)，減少定子電流和定子損耗，并在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沒(méi)有轉(zhuǎn)子電阻損耗，總損耗降低而減少了風(fēng)扇和相應(yīng)的風(fēng)摩損耗。相比異步電動(dòng)機(jī)，永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有勵(lì)磁繞線組，轉(zhuǎn)子銅耗較少，其功率因數(shù)比同規(guī)格的異步電動(dòng)機(jī)可提高 10%～15%，如圖 5、6 所示。

圖5 永磁同步電動(dòng)機(jī)效率、功率因數(shù)與負(fù)載率的關(guān)系曲線

圖6 永磁電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)對(duì)比

采用永磁電動(dòng)機(jī)替換異步電動(dòng)機(jī)雖然提升了電動(dòng)機(jī)的能效等級(jí)，但由于是等速替換，仍沒(méi)能解決大型機(jī)械裝備傳動(dòng)鏈冗長(zhǎng)的問(wèn)題。稀土永磁電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子提供，可以利用真分?jǐn)?shù)槽集中繞組實(shí)現(xiàn)永磁電動(dòng)機(jī)多極低速的設(shè)計(jì)目的，通過(guò)將電動(dòng)機(jī)與機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，取消動(dòng)力傳輸?shù)娜炕虿糠种虚g環(huán)節(jié)，做成永磁直驅(qū)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(qū)電動(dòng)機(jī)

3.1 變頻調(diào)速工作原理

變頻調(diào)速是指按比例改變電動(dòng)機(jī)頻率和電壓來(lái)達(dá)到磨機(jī)主電動(dòng)機(jī)調(diào)速的目的，具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、運(yùn)行效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。變頻器是對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)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(gòu)成，它將電網(wǎng)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(dòng)機(jī)定子繞組中，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的變頻無(wú)級(jí)調(diào)速。

3.2 變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)對(duì)慢驅(qū)的影響

風(fēng)掃煤磨的慢速驅(qū)動(dòng)裝置由制動(dòng)電動(dòng)機(jī)、慢驅(qū)減速器和離合器等組成，主要用于磨機(jī)的安裝和檢修。在安裝、更換磨機(jī)零部件和檢修磨機(jī)內(nèi)部時(shí)，可驅(qū)動(dòng)磨機(jī)筒體以 0.1～0.2 r/min 的低速運(yùn)轉(zhuǎn)。采用變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的磨機(jī)可以在變頻器低頻下穩(wěn)定運(yùn)行，滿足磨機(jī)安裝和維修需要。此外，還能實(shí)現(xiàn)磨機(jī)的點(diǎn)動(dòng)控制，通過(guò)輸入磨機(jī)旋轉(zhuǎn)的弧度，精確定位磨機(jī)筒體的位置。變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)完全能夠替代慢速驅(qū)動(dòng)裝置，減少設(shè)備投資，減輕慢驅(qū)拖動(dòng)下大小齒輪的機(jī)械沖擊。

3.3 制動(dòng)系統(tǒng)

為避免安全隱患，需要在變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上增加制動(dòng)系統(tǒng)，其主要作用是在磨機(jī)檢修或更換襯板時(shí)，對(duì)滿負(fù)荷磨機(jī)提供制動(dòng)，保證人員安全；在磨機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)、變頻器、電動(dòng)機(jī)等發(fā)生故障或生產(chǎn)線停電時(shí)，為高速運(yùn)行的滿負(fù)荷磨機(jī)提供完全制動(dòng)，以避免造成磨機(jī)滑履軸承或主軸承損壞。

3.4 變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)+變頻器，不能去除減速機(jī)及其輔助油站，后期維護(hù)工作沒(méi)有減少，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率傳遞損失問(wèn)題也沒(méi)有解決；原異步電動(dòng)機(jī)是非變頻電動(dòng)機(jī)，長(zhǎng)時(shí)間變頻運(yùn)行容易導(dǎo)致定子線棒溫度升高，線棒絕緣加速老化。而永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)可以在額定頻率以下運(yùn)行，具有恒轉(zhuǎn)矩、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的特性，可更好地配套變頻器，適用球磨機(jī)工況。因此，如圖7 所示，以低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)+變頻器模式取代異步電動(dòng)機(jī)、主減速器、主減速器油站、輔傳減速器、減速器電動(dòng)機(jī)、水阻柜/啟動(dòng)柜、進(jìn)項(xiàng)器等設(shè)備，可優(yōu)化結(jié)構(gòu)，降低采購(gòu)成本，減少設(shè)備故障點(diǎn)，提高傳動(dòng)效率，降低電耗。同時(shí)，可以直接設(shè)計(jì)為粉塵防爆結(jié)構(gòu)，防爆設(shè)計(jì)符合煤粉制備環(huán)境防爆電氣要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性強(qiáng)。

圖7 磨機(jī)采用變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意

1.磨機(jī)本體 2.齒輪傳動(dòng)部 3.變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)

4 應(yīng)用效果

某水泥生產(chǎn)線配置的φ3.80 m×7.75 m+3.5 m 風(fēng)掃煤磨，其傳動(dòng)系統(tǒng)配置了傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)、主減速器、慢驅(qū)裝置、制動(dòng)器、高速聯(lián)軸器、低速聯(lián)軸器、離合器等，采用水電阻啟動(dòng)。其主電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表 1所列。采用鋼球作為研磨介質(zhì)，填充率為 23.5%，裝載量為 86 t，產(chǎn)量為 37.4 t/h，運(yùn)行電流為 125.6 A，電壓為 6 000 V，磨機(jī)電耗為 29.6 kW·h/t。

表1 異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)

另一水泥生產(chǎn)線配備φ3.80 m×7.75 m+3.5 m 風(fēng)掃煤磨，轉(zhuǎn)速為 16.7 r/min，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力＞42 t/h，主要用于制備煤粉，入磨物料細(xì)度 ≤25 mm，95% 通過(guò)，入磨物料綜合含水率為 9%～14%。

該風(fēng)掃煤磨配置了變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)，采用低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)+變頻器模式，傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。該電動(dòng)機(jī)采用粉塵防爆結(jié)構(gòu)，磨機(jī)的小齒輪軸與變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)軸頭通過(guò)膜片聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)聯(lián)接，同時(shí)增加制動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)安全控制，如圖 8所示。

圖8 水泥生產(chǎn)線風(fēng)掃煤磨

該風(fēng)掃煤磨采用鋼球作為研磨介質(zhì)，填充率為23.5%，裝載量為 86 t，產(chǎn)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(qū)電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表 2 所列。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行頻率為 44 Hz，運(yùn)行電壓為 9 360 V，運(yùn)行電流為 76.7 A，磨機(jī)電耗為 25.3 kW·h/t。

表2 變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)參數(shù)

上述兩條水泥生產(chǎn)線風(fēng)掃煤磨的傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)比如表 3 所列。相比傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)，變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和系統(tǒng)效率有了顯著提高，單機(jī)電耗也有一定程度的降低。同時(shí)，磨機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)配置更簡(jiǎn)單，取代了傳統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，減小了傳動(dòng)系統(tǒng)的體積、廠房的占地面積和設(shè)備質(zhì)量，降低了原材料消耗和采購(gòu)成本，減少了故障點(diǎn)和系統(tǒng)維護(hù)成本，提高了傳動(dòng)的效率和可靠性。

表3 兩種驅(qū)動(dòng)效率對(duì)比

采用變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的風(fēng)掃煤磨在現(xiàn)場(chǎng)使用情況良好，性能穩(wěn)定，已連續(xù)安全運(yùn)行，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

(1) 變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)將永磁電動(dòng)機(jī)與機(jī)械負(fù)載融為一體，改變了機(jī)械裝備的傳動(dòng)模式，消除了各個(gè)傳動(dòng)環(huán)節(jié)，大幅度簡(jiǎn)化了機(jī)械裝備的傳動(dòng)鏈；

(2) 變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)使磨機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，降低了采購(gòu)成本，減小了傳動(dòng)系統(tǒng)的體積、廠房的占地面積和設(shè)備質(zhì)量，減少了原材料的消耗，提高了傳動(dòng)效率，節(jié)省了磨機(jī)單機(jī)電耗，并可直接做成粉塵防爆結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性強(qiáng)；

(3) 變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)可以滿足磨機(jī)安裝和維修需要，并實(shí)現(xiàn)磨機(jī)的點(diǎn)動(dòng)控制，完全能夠替代慢速驅(qū)動(dòng)裝置；

(4) 采用變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的磨機(jī)可省去減速器及其附屬油站等設(shè)備，大大減少了設(shè)備故障點(diǎn)和機(jī)務(wù)維護(hù)工作量；

(5) 需要在變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上增加制動(dòng)系統(tǒng)，提高磨機(jī)的安全性和可靠性。

筆者介紹的變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)在磨機(jī)上的應(yīng)用，對(duì)于磨礦作業(yè)的節(jié)能降耗至關(guān)重要，具有減少磨礦成本，提高粉磨效率，降低磨機(jī)能耗等優(yōu)點(diǎn)。這一應(yīng)用為磨機(jī)的設(shè)計(jì)提供了新的思路，可在煤磨的設(shè)計(jì)及應(yīng)用方面積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)今后變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)在干法磨機(jī)的廣泛應(yīng)用具有關(guān)鍵示范作用。

審核編輯：湯梓紅