崔建林 葛新勇
天津冀东水泥有限公司 天津 308501
随着粉磨技术的不断进步，近几年新上项目的水泥磨基本都是立磨系统，现有水泥球磨机都是10年以前的产品。水泥磨实际转速都是根据经验公式计算得出水泥磨理论适宜转速，再根据磨机规格、研磨体种类、衬板形式、填充率等确定的，当初充分考虑了磨机的破碎功能和研磨功能，磨机转速生产出来就不再变动。但现实情况是，随着近几年在预粉磨方面的改进，人们基本上都在研究怎样降低入磨粒度，随着入磨物料粒度大幅降低，对很多磨机来说已经不再需要破碎功能，磨机的有效功耗只有6%左右，其余能量全部以热能形式浪费。很少有人去研究球磨转速对磨机功耗的影响，永磁直驱电机可以随时改变磨机运行速度，便于研究磨机转速对功耗的影响。
我公司二线水泥磨（电机功率2500KW，减速机型号JS1300，磨机规格φ4.2×10m，额定转速15.75rpm）在2017年2月份改造为永磁直驱电机，本文就永磁直驱电机方案、安装调试、能耗对比和优缺点情况进行总结分享。
一、改造技术方案
1.1 方案
水泥磨直驱系统改造是原驱动系统中减速机及其润滑油站、异步电动机及其水电组柜、润滑油站、冷却风机全部取消，原设备安装基础按照永磁电动机安装基础进行处理，永磁直驱电动机使用原膜片联轴器与水泥磨相连接，直接驱动水泥磨。
图1 直驱系统与传统驱动系统的结构对比
1.2原理及构成
永磁直驱电机系统包括永磁电机和变频器。永磁电机为低速低频电机，额定转速15.75rpm，额定频率15.75Hz，可以在额定转速的±10%长期运行。启动方式为变频启动；电机定子为贴壁结构，整体浸漆；电机转子为永磁结构，电机结构简单，性能更可靠；电机采用机壳强制水冷，可保证电机内部清洁，提高电机寿命。水冷管路规格DN100，循环水流量控制在50t/h。
变频器采用高高结构，为永磁电动机的低频电源，并使直驱系统具有软启动和调速功能。变频器考虑裕量选用输出功率为2800kW、单元规格为350A的规格，并具备1.3倍过载能力。变频器本身有现场、中控两种控制方式。在现场有启动按钮。现场检修启动时，变频器以最慢转速运行，电气增加了硬联锁功能，确保变频器高压柜不能启动。变频器使用空水冷却器并配置一台10P工业空调。
二、改造的背景及原因
1、我公司原有的水泥磨减速机损坏，如果进行维修预计维修费为170万元，购买新的减速机预计费用为240万元，费用较高。且目前这种大型减速机折合每年的维护费用约20万元。而新的永磁直驱电机可以20年免维护。
2、我公司水泥磨为单仓磨使用的是马克托的波纹衬板，主要是利用水泥磨的研磨功能，进过衬板厂家的测算，适当降低水泥转速，补加10吨直径20-25的球，理论计算磨机粉磨效率没有降低。
3、直驱电机在集团内部开始使用，使用效果良好，并且节电率可观，预计我公司改造后节电率至少5%以上。
基于以上3点原因和新型永磁电机在球磨机上实验应用的原因，我公司采用永磁直驱系统替代原来的电机和减速机系统。
系统调试使用过程
球磨永磁直驱系统调试主要分为两个部分，第一部分为常规调试，包括：空载调试、带载调试和满载试运行；第二部分为直驱系统运行效果测试，包括：改造前后效果对比，调速提产。
2.1、空载调试
系统安装完成后，在球磨机不加球、不投料的情况下进行运转实验。主要测试变频器控制永磁电动机在不同速度点运转，检查永磁电动机安装质量，变频器与永磁电动机的参数匹配情况，连锁控制/保护测试。由于磨机筒体内没有研磨体，球磨机负载较小，电机启动正常平稳，0.1-17 rpm各级转速都可随意调整。额定转速下电流值10-20A左右，运行1小时。相关参数符合设计文件和运行要求。
2.2、50%负荷调试
磨机能够正常启动，当频率加载到11 rpm以上时，电机发生剧烈的振动。经过调整励磁电流，消除了振动，电机达到额定转速15.75 rpm，运行电流为135A，输出电压为6500V，功率为1200Kwh左右。运行各参数正常符合要求。
2.3、满载试车
磨机满载后，能够正常启动，转速逐步加载到达到15.75 rpm，电机运行平稳，但当启动其他设备时，供电电压出现压降（低于5900V）时，电机有轻微振动。适当降低运行转速，在15.65 rpm时连续运行，电机运行平稳正常。运行电流为235A，输出电压为6500V，功率为2300Kwh左右。
针对在额定转速时，瞬间电压低造成的电机振动，经厂家会诊可能为变频供电谐波造成，准备更换开关板继续实验正常。
2.4、故障停机带料启动
将磨机在正常生产工况下突然停机，进行启动，没有成功。经分析主要因，磨机在正常生产过程中，突然停机内部存在一定物料，造成了启动转矩变大，电压低，电流高，造成启动报输出过流速断。
决定球磨机的启动过程所需要的力矩主要有两方面的因素，一是磨机系统的摩擦力矩（机械损耗）；二是研磨体和物料总中心便宜对轴所产生的有效力矩。其力矩基本方程式为：
M电机=M摩擦+M重力+J dW/dt
M电机 表示电机的输出力矩；M摩擦表示传动系统的摩擦力矩；M重力表示筒内负载重力产生的力矩；J表示惯性力矩；w表示角速度。
根据他人实验数据得出的球磨机启动过程中转矩和转速的特性曲线，如图所示：
图4 球磨机转速与转矩的特征曲线
磨机加速到25%额定转速之下时，要经历一个最小扭矩，据此选取4rpm为磨机慢转运行频率。最大转矩产生大约37%额定转速时。
解决方法：改变启动控制程序，使变频器不仅是简单的矢量控制，在保证磁通不过饱和前提下，提高低频率时的输出电压，使频率在9HZ时，输出电压达到4600V，电机正常启动。
2.5、慢转调试
在满载情况下，通过提高低频率时输出电压，使磨机在低频率时转矩升高，目前测试最低能够在2 rpm下运行，没有减速机使用方便。
三、永磁直驱电机能耗情况对比
经过一年运行，我公司利用直驱电机调速功能，对不同转速下水泥磨台时及能耗数据进行采集对比如下：
在额定频率15.75HZ的运行功率为2145.49KW，较改造前的2260.46节省114.97kw；节电率为5.09%。
在额定频率15.75HZ的运行功率为2145.49KW，较改造前的2260.46节省114.97kw；节电率为5.09%。目前我公司的水泥磨允许在单耗最低的15.25rpm。
四、永磁直驱电机系统优缺点：
4.1优点
（1）结构简单，去掉了减速机、辅助油站，慢转辅传装置、异步电动机润滑油站、水电阻柜和冷却风机，减少设备故障点，减少了润换油使用量，提高磨机运行可靠性。
（2）可频繁开机，解决了频繁开停磨机对减速机的损伤，便于生产躲峰就谷运行。
（3）运行平稳，噪声小，有利于工人职业健康。
（4）永磁电动机功率因数高（接近1）具有了高效节能的优势。
（5）速度可调，方便磨机在不同研磨体和不同物料状态下调速，可找到磨机运行的最佳转速，提高产量降低电耗，提高生产率，为新型研磨体实验提供条件。
4.2缺点
1、投资较高。
2、受变频器及电子元件的使用寿命影响，使用一段时间后变频器元器件老化，后期会增加维护量。
结束语：
永磁直驱电机在汽车、电动车领域运用较为成熟，我集团在立磨和煤磨上也都成功应用。在水泥球磨机使用永磁直驱电机尚属首次，运行较为成功，经与研磨专家探讨，通过调整磨机转速与研磨体装载量，能耗还有降低空间，我公司将继续在此方面试验。直驱电机能耗低、噪音小，维护少优点将使其在更多领域广泛运用。
论文作者:崔建林,葛新勇
论文发表刊物:《防护工程》2018年第12期
论文发表时间:2018/10/23
标签：永磁论文; 电机论文; 转速论文; 水泥论文; 变频器论文; 力矩论文; 系统论文; 《防护工程》2018年第12期论文;