6 kV 高壓永磁同步電機(jī)在窯尾排風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

李寧

（徐州中聯(lián)水泥有限公司，江蘇 徐州 221011）

0 引言

根據(jù)能源發(fā)展 “十三五” 規(guī)劃關(guān)于加強(qiáng)能效管理、提高用能設(shè)備能效水平、符合高能耗行業(yè)產(chǎn)品能耗標(biāo)準(zhǔn)等要求，徐州中聯(lián)公司對(duì)現(xiàn)有兩條10 000 t/d熟料生產(chǎn)線大型風(fēng)機(jī)高壓電機(jī)進(jìn)行全面變頻器節(jié)能改造。 2#熟料生產(chǎn)線窯尾排風(fēng)機(jī)電機(jī)為6 kV 異步三相電機(jī)， 該電機(jī)自變頻改造后轉(zhuǎn)速降至正常工作頻段時(shí)振動(dòng)大、溫升大，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行情況，決定將6 kV 異步電動(dòng)機(jī)改為永磁同步電機(jī)，解決了振動(dòng)、噪音等問題，有效降低了電耗。

1 異步電機(jī)變頻器改造后存在的問題

2014 年徐州中聯(lián)公司按計(jì)劃完成了2# 熟料生產(chǎn)線窯尾排風(fēng)機(jī)高壓變頻器改造。 改造后，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速 350～580 r/min 時(shí)， 振動(dòng) 5～6 mm/s， 噪音異常，溫升較大，電機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行，需將轉(zhuǎn)速提升至580 r/min 以上、風(fēng)門控制在64%以內(nèi)，電機(jī)才能正常運(yùn)行，雖增加變頻器，但未實(shí)現(xiàn)變頻效果。 徐州中聯(lián)公司決定通過與另外一列風(fēng)機(jī)變頻器進(jìn)行對(duì)調(diào)試驗(yàn)，找出三相異步電機(jī)+高壓變頻器這一組合問題所在。經(jīng)過對(duì)調(diào)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析，最終確定為電機(jī)自身原因。 其振動(dòng)大和溫升高的原因主要有兩點(diǎn)：

（1）6 kV 異步三相電動(dòng)機(jī)加裝變頻器改造后，正常運(yùn)行中非正弦電壓不正常的轉(zhuǎn)差切割轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流，加速了與其它附加損耗的疊加，導(dǎo)致排風(fēng)機(jī)電機(jī)溫度快速升高，效率降低。

（2）即使本次改造使用進(jìn)口變頻器裝置控制，但電源中高次諧波依然存在， 與電動(dòng)機(jī)內(nèi)部電磁固有的部分諧波互相沖撞，加劇噪音。排風(fēng)機(jī)電機(jī)實(shí)施變頻器改造后在頻率寬、轉(zhuǎn)速變化大的條件下運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部電磁諧波的頻率很難避開電機(jī)本身各構(gòu)件固有振動(dòng)頻率，從而導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)大、噪音大。

2 永磁電機(jī)

2.1 永磁同步電機(jī)

永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁體建立勵(lì)磁磁場(chǎng)、無(wú)勵(lì)磁電流，電機(jī)內(nèi)部包含：轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)軸、永磁體、隔磁材料、軸承等，功率密度高，電機(jī)總體效率高。

2.2 永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

永磁電機(jī)優(yōu)點(diǎn)如下：

三大：大功率密度、大轉(zhuǎn)矩扭矩輸出、大過載能力。

三低：低轉(zhuǎn)速、低能耗、低維護(hù)。

三高：系統(tǒng)整體能效高、系統(tǒng)安全可靠性高、系統(tǒng)性價(jià)比高。

永磁電機(jī)與異步三相電機(jī)效率、功率因數(shù)、負(fù)載率對(duì)比曲線如圖1 所示。

圖1 永磁電機(jī)和異步電機(jī)關(guān)系曲線

3 6 kV 高壓永磁電機(jī)在風(fēng)機(jī)應(yīng)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(chǎn)品的變頻器往往存在與永磁電機(jī)不匹配的情況，需配置相適應(yīng)的變頻器驅(qū)動(dòng)，才能實(shí)現(xiàn)負(fù)載需要和輸出功率的自適應(yīng)。 依靠變頻器遠(yuǎn)程控制信號(hào)的上傳與控制，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程智能控制，正常運(yùn)行中才能對(duì)永磁電機(jī)進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)和保護(hù)。 另外，永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子在啟動(dòng)瞬間需要識(shí)別相位角， 變頻器發(fā)出信號(hào)把轉(zhuǎn)子拉入同步。 永磁電機(jī)不能直接啟動(dòng)，直接啟動(dòng)時(shí)3～7 倍的大電流沖擊會(huì)造成磁鋼不可逆退磁，降低電機(jī)的使用壽命，對(duì)系統(tǒng)電網(wǎng)影響較大。

永磁電機(jī)安裝運(yùn)行后不需外界能量即可維持其磁場(chǎng)，自身帶有非線性、變化性的系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)負(fù)載存在不確定性，加上生產(chǎn)運(yùn)行中不同程度的其它諧波干擾，靠外部方法來調(diào)節(jié)控制磁場(chǎng)非常困難。

3.2 電機(jī)退磁問題

高壓永磁電機(jī)如果前期設(shè)計(jì)或后期使用不當(dāng)時(shí)，采用的稀有金屬材料在電機(jī)溫度過高、過低或強(qiáng)烈機(jī)械振動(dòng)時(shí)， 可能造成不可逆退磁或失磁，導(dǎo)致電機(jī)電流波動(dòng)大、內(nèi)部溫升大，使電機(jī)整體性能下降，甚至無(wú)法使用，風(fēng)險(xiǎn)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(jié)果，目前所使用的永磁材料可保證內(nèi)部轉(zhuǎn)子在150 ℃以下不出現(xiàn)退磁問題。

3.3 價(jià)格高問題

永磁電機(jī)中的稀土永磁目前價(jià)格昂貴， 成本比異步電機(jī)高出3～4 倍，高壓永磁電機(jī)改造要根據(jù)企業(yè)情況進(jìn)行選擇，需綜合考慮其高性能和運(yùn)行中的節(jié)能費(fèi)用，根據(jù)生產(chǎn)工藝的實(shí)際情況進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃。

4 更換前后兩種電機(jī)參數(shù)對(duì)比

永磁同步電動(dòng)機(jī)與異步三相電動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)比如表1 所示。

表1 永磁同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)比

永磁電動(dòng)機(jī)交貨后， 對(duì)電機(jī)絕緣測(cè)試不低于500 MΩ，對(duì)電機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)接線，緊固地腳螺栓，單機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)自如、平穩(wěn)、無(wú)異常聲音?？蛰d電壓6 200 V，電流4 A，功率12.1 kW，振動(dòng)0.3 mm/s，帶載完成后運(yùn)行24 h 驗(yàn)收合格。

5 DCS 上位機(jī)風(fēng)機(jī)程序及變頻器主程序修改

5.1 窯尾排風(fēng)機(jī)永磁電機(jī)（2618BF）冷卻風(fēng)機(jī)程序

永磁電機(jī)自帶冷卻風(fēng)機(jī)， 在DCS 系統(tǒng)增加冷卻風(fēng)機(jī)控制程序，程序如下所示：

5.2 窯尾排風(fēng)機(jī)（2618B）變頻器控制主程序

在主程序啟動(dòng)連鎖中增加冷卻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行信號(hào)A_2618BF, 保證在窯尾排風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)必須先開電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)，防止溫度過高，導(dǎo)致電機(jī)跳?；驌p傷。 變頻器控制主程序如下所示：

6 更換后運(yùn)行需注意事項(xiàng)

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

（2）該永磁電機(jī)為空冷，利用電機(jī)上部三臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻，單獨(dú)控制，定期巡檢，若有異常需及時(shí)查找原因并更換處理，防止電機(jī)發(fā)熱、振動(dòng)導(dǎo)致電機(jī)退磁。

（3）檢修時(shí)，檢查冷卻風(fēng)機(jī)接線、變頻器、電機(jī)接線是否緊固，風(fēng)葉有無(wú)磨損、變形，清理內(nèi)部積灰、絕緣測(cè)試等。

7 永磁電機(jī)更換后的能效分析

解決了生產(chǎn)過程中電機(jī)的振動(dòng)、 噪音等問題，噪音比更換前下降了30 dB 左右，滿足生產(chǎn)運(yùn)行的需求。節(jié)能效果明顯，正常啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，在異常停機(jī)的情況下，能滿負(fù)載直接啟動(dòng)，具有很強(qiáng)的帶載同步能力。 穩(wěn)定性好，在突加突減大負(fù)載時(shí)不會(huì)出現(xiàn)功率角振蕩。 通過分析半個(gè)月的運(yùn)行記錄，變頻器0～50 Hz 全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)電機(jī)功率因數(shù)保持在0.96左右，功率因數(shù)較高,無(wú)轉(zhuǎn)速差。 前后高壓柜綜合保護(hù)器連續(xù)15 d 運(yùn)行電流及閥門開度對(duì)比如表2 所示。

表2 前后高壓柜綜合保護(hù)器連續(xù)15 d 運(yùn)行電流及閥門開度對(duì)比

永磁電機(jī)改造后自帶三臺(tái)380 V 電機(jī)進(jìn)行冷卻，運(yùn)行中三臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)電機(jī)總電流約為10.3 A，從表2 電流來看， 更換電機(jī)前后運(yùn)行電流相差61.77-37.27=24.5 A，永磁電機(jī)功率因數(shù)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(jī)冷卻風(fēng)機(jī)功率因數(shù)0.88，電壓0.380 kV, 電流10.3 A， 三臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)功率約為P=1.732UIcosΦ=1.732×10.3×0.380×0.88=5.97 kW，每小時(shí)最終節(jié)約用電約244.42-5.97=238.45 kW·h，風(fēng)機(jī)正常一天運(yùn)行24 h，日常電費(fèi)按0.6 元每度計(jì)算， 每天節(jié)約資金約 238.45×24×0.6=3 433.68 元。窯尾風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行按每年300 d 運(yùn)算，年節(jié)約資金約3 433.68×300=1 030 104 元。單臺(tái)永磁電機(jī)總投資約54 萬(wàn)元，改造后6 個(gè)月左右收回投資成本。

8 結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)機(jī)作為水泥行業(yè)最大的耗能設(shè)備，實(shí)施新產(chǎn)品節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用勢(shì)在必行。本次永磁電機(jī)在窯尾排風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用， 既滿足水泥工藝生產(chǎn)要求，也實(shí)現(xiàn)了公司節(jié)能目標(biāo)，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(hù)環(huán)境的同時(shí)也降低了生產(chǎn)成本，具有推廣價(jià)值。