水泥磨選粉機上DYT永磁直驅(qū)電機的運用

王曉軍

（晉能控股煤業(yè)集團有限公司水泥廠， 山西 大同 037003）

一般水泥磨選粉機系統(tǒng)， 所使用的減速機需要在高偏載和沖擊下載荷情況下運轉(zhuǎn)， 具有故障率大、傳動效能低下、 操作困難和維修成本較高等主要缺點。 為解決上述問題， 相關(guān)單位運用了高性能的永磁材料和重載變頻驅(qū)動技術(shù)， 針對粉磨各種運行狀態(tài)， 成功研制出高威力的永磁體材料直驅(qū)控制器，并已成功應(yīng)用到中國國內(nèi)的某公司水泥磨選粉機系統(tǒng)中。 此系統(tǒng)帶料測試時， 滿載連續(xù)工作， 各階段檢測數(shù)據(jù)良好， 工程實現(xiàn)取得了預(yù)定目標。

1 永磁同步直驅(qū)電機的原理介紹

永磁同步直驅(qū)發(fā)電機是由稀土的農(nóng)用永磁體所產(chǎn)生磁場， 并通過矢量變頻技術(shù)調(diào)節(jié)， 可以精確地調(diào)整發(fā)電機的輸入電流、 流量等， 將電能可以高效率地轉(zhuǎn)換為機械能的電氣系統(tǒng)。 永磁直驅(qū)電動機運用了較高級數(shù)低轉(zhuǎn)速的技術(shù)思想， 將對稱三相交流電源通常用于發(fā)電機上對稱的三相繞組中， 輸出磁場通過定子繞組中引起旋轉(zhuǎn)磁場和定子之間的電磁相互作用， 從而產(chǎn)生電流非常大的旋轉(zhuǎn)力矩[1]。

2 永磁同步直驅(qū)電機的性能特點

2.1 節(jié)能降耗

永磁直驅(qū)電動機由于其轉(zhuǎn)動的電磁靠永磁體直接形成， 因此免去了使用高輸出電壓來勵磁降低了勵磁損耗和渦流消耗， 所以其效能也較異步電機好。加上去掉的減速機減少中間傳動功率浪費， 同時也能夠利用電機精確調(diào)節(jié)所需速度。 因此通過這三個方面的累積疊加， 使得整個傳動效能提升， 相比常規(guī)的減速機傳動方法， 一般減少了30%的功率浪費。

2.2 占用空間少， 安裝便捷

由于用了永磁體材料電機直接驅(qū)動負載， 所以改裝后就把異步電機與減速機一起去掉了， 因此驅(qū)動模塊尺寸明顯減小， 現(xiàn)場活動能力得到很大提升，使得安裝更加簡潔和方便。

2.3 便于維護

永磁同步直驅(qū)馬達的速度范圍小， 工作穩(wěn)定，振動能力較小， 且軸承均為歐美進口品牌， 確保了發(fā)電機能夠連續(xù)工作十萬小時以上， 也減少了后期對軸承的維修。 以防止維修人員忘記加油或少加油，在產(chǎn)品設(shè)計上采用了單點式自動充油器， 免人工自動注油， 安全性也得到了提高。

2.3 改善電網(wǎng)質(zhì)量

永磁同步直驅(qū)發(fā)動機定子采用了稀有的地球釹鐵硼材料形成磁場， 無需大流量勵磁， 有功效率提高， 電量因數(shù)最大可達到0.98， 這樣就極大地提高了電網(wǎng)的用電品質(zhì)。 加上發(fā)電機使用變頻啟動的技術(shù)， 極大減小了起動電壓， 這樣就減少了對電網(wǎng)的瞬時影響。

3 水泥磨選粉機存在的問題

砂漿（水泥） 磨選粉機， 它是混凝土制造過程中的最后一個工序， 其機械設(shè)備的安全性對于相對良好產(chǎn)品質(zhì)量有著關(guān)鍵的重要性。 我司的所有選粉機器均使用中國國內(nèi)傳統(tǒng)驅(qū)動方法， 即為"變頻三相異步電動機+聯(lián)軸器+減速機"的結(jié)構(gòu)， 但減速機通常使用直軸或立式底腳安裝方法， 這種結(jié)構(gòu)驅(qū)動的問題也相當多。

首先， 因為減速機溫度過高、 漏油， 又由于減速機箱內(nèi)有循環(huán)水管道， 最高軸端溫度僅為63℃，而二級傳動的減速機容量又較小， 需要補上油箱軸承， 而造成減速機的冷卻散熱能力差溫度過高， 因而產(chǎn)生了造成密封破壞的現(xiàn)象之一。 減速機的輸出軸承位置向下， 在油封損壞時， 修理困難得多， 尤其嚴重， 導(dǎo)致大量的潤滑劑短缺， 提高了軸承生產(chǎn)成本[2]。

其次， 發(fā)電機和減速器機的高速軸端震蕩值變化較大， 水準震蕩值是9.0mm/s， 垂直震蕩值為6.6mm/s（減速器機輸出端聯(lián)軸器對中） 上的滾動軸承溫度為59.1℃， 經(jīng)再次找正后， 震蕩值仍未有太大的改變， 但引起了尼龍銷頻頻折斷， 甚至引起事故停車， 從而大大降低了設(shè)備安全性。

最后， 電動機的支撐架有開焊縫， 因此需要對整個齒軌重新加以緊固， 但加固后由于震動系數(shù)過大還是出現(xiàn)開焊縫現(xiàn)象， 無形中加大了員工勞動強度。

所以， 針對選粉機出現(xiàn)的上述現(xiàn)象， 我們可以通過DYT永磁直驅(qū)系統(tǒng)取代了原來的“變頻三相異步發(fā)電機+聯(lián)軸器+減旋機” 的構(gòu)成， 可以直接帶動選粉機主軸， 切除減旋機， 從而徹底解決了原來減旋機溫度過高、 漏油、 振動值高的現(xiàn)象， 從而避免了減速機頻繁維修現(xiàn)象， 改變了現(xiàn)場條件， 減輕了工作量， 也減少了維護成本。

由于永磁直驅(qū)馬達的速度小， 無需高轉(zhuǎn)速工作，使傳動部件的振動大大減輕。

4 改造方案

4.1 技術(shù)方案

立式粉磨直驅(qū)控制系統(tǒng)采用了永磁鐵直驅(qū)馬達來驅(qū)動立磨的磨盤， 已取代了由異步式發(fā)動機和減速箱機等所組成的傳統(tǒng)機械傳動系統(tǒng)， 同時免去了由異步式發(fā)動機的潤滑油站、 水電阻箱等。 改造后的直驅(qū)控制系統(tǒng)， 是一種人性化的、 智能操作的全柔性驅(qū)動控制系統(tǒng)， 其優(yōu)點。

1） 在驅(qū)動系統(tǒng)中去掉了減速機， 并進行了相應(yīng)修改。 獨創(chuàng)的立磨直驅(qū)系統(tǒng)技術(shù)在整個傳動系統(tǒng)中省去了減速機， 從而徹底解決了我國水泥企業(yè)中長期存在的機械故障發(fā)生率過高、 運維費高嚴重問題，為粉磨設(shè)備節(jié)省資源開辟了新途徑。

2） 可調(diào)壓控制器。 立磨采用了具有機械調(diào)速功能的直驅(qū)系統(tǒng)設(shè)計， 既可以根據(jù)原材料特點、 加輔料特性的改變， 進行個性化選購； 還可以減少由于季節(jié)變動、 耐磨元器件損耗等所產(chǎn)生的不良影響，長期工作于良好狀態(tài)， 進行生產(chǎn)系統(tǒng)的自動化運行。

4.2 改建以前的設(shè)施情況

水泥磨選粉機系統(tǒng)改造中， 卷線同步發(fā)電機技術(shù)參數(shù)： 型號為YRKK710 -6； 發(fā)電機總供給輸出功率為2240kW； 定子電壓6000V； 定子電壓263.3A；定子電壓1872V； 定子電壓736A； 發(fā)動機頻率為50Hz；發(fā)電機速度為993r/min； 絕緣級別為F類； 最高功率因數(shù)為0.86； 驅(qū)動形式為水電阻； 制冷方法為IC61。 風(fēng)減速機技術(shù)參數(shù)： 設(shè)備型號為JLP220； 最大輸入電源為2300kW； 最大輸入速度為994r/min； 轉(zhuǎn)速比為29.76∶1。

4.3 設(shè)備選型

4.3.1 永磁直驅(qū)電機

改造的永磁體電動機是低速低頻電機， 額定重量數(shù)值速率為33.5r/min， 為了進行配合粉磨速度， 額定值重量頻率為20.1Hz， 起動方法為變頻器起動； 電機定子為貼壁構(gòu)造， 外表整體浸油， 起到加強支撐的作用； 發(fā)電機定子為永磁結(jié)構(gòu)形式， 其結(jié)構(gòu)簡單，工作后更加穩(wěn)定； 電動機則使用在機殼的強制冷卻水， 在符合水泥工業(yè)的環(huán)境條件下， 保證發(fā)電機的清潔， 因此提高了發(fā)電機壽命。

根據(jù)改造的主要技術(shù)參數(shù)和水泥磨選粉機系統(tǒng)特性， 確定了永磁直驅(qū)發(fā)電機的結(jié)構(gòu)特征和主要電氣特性， 永磁直驅(qū)發(fā)電機的主要數(shù)據(jù)： 產(chǎn)品型號為TYC2000 -72； 最高運行輸出功率為2000 安； 設(shè)計電流為6000V； 最高運行電流210A； 最高運行頻率為20.1Hz； 最高速度為33.5r/min； 絕緣隔離級別為F型； 最高功率因數(shù)為0.96； 驅(qū)動形式為變頻驅(qū)動； 制冷形式為水冷[3]。

電機則選用立式設(shè)計。 驅(qū)動座與推力軸承均為機械支承機構(gòu)， 推力軸承也是電動機的主體部分，并置于發(fā)電機上方。 推力軸承的靜水壓力運行方式，稀油潤滑， 并采用了加壓回油的操作方法， 從而大大減少了潤滑油成本。

4.3.2 變頻控制系統(tǒng)

變頻啟動系統(tǒng)作為永磁發(fā)動機的低頻電源， 使其擁有了軟啟動性能。 完美無諧波高壓變頻技術(shù)是將若干個的PW M變頻電源模塊并聯(lián)的方法， 進行直接高壓供電。

6Kv電流等級所采用的36 脈沖的整流集成電路技術(shù)， 輸入的電流波形為近似的正弦波。 因為輸入電動機的高頻諧波傳動失真極低， 所以電機對整個驅(qū)動系統(tǒng)輸出功率的綜合影響因子可以達0.95 以上。 也因此， 針對水泥的預(yù)粉磨效率以及永磁發(fā)電機特點， 在充分考慮了水泥磨過載的影響之后， 將電機確定為電源式完美無諧波電機。

4.3.3 推力瓦軸承

推力瓦軸承由十五組巴氏合金的可傾式靜水壓力推進瓦與鍛鋼鏡片所組成， 主要用來承擔立磨的軸向轉(zhuǎn)動、 靜止等載荷。 安裝后任何一次， 與工作瓦間的距離偏差均不得大于0.03cm， 并做出可追溯的記錄； 在裝配到推力軸承箱體上并要求進行研刮加工以后， 在負荷力軸承工作瓦的表面上每平方公分有1 ～3 個閉合觸點， 其局部接觸范圍的每一個不應(yīng)大于工作瓦面的2%， 其最高距離也不能超過16cm2，其總和距離也不能超過工作瓦面的5%[4]。

本次更新中， 在推力軸承上所裝配的高低溫供油設(shè)備仍是采用了原減速機的XGD-C200/600（ⅱ） 式軸承裝置， 只不過除高壓燃料傳遞形式由16 路改為15 路以外， 其余均沒有實質(zhì)性變化。

5 項目實施

5.1 項目組織

項目前期還將開展測繪科學(xué)研究項目， 重點研究內(nèi)容： 磨機所需要的磨破動能、 磨盤轉(zhuǎn)速、 激勵系統(tǒng)電壓等級、 磨機底部的緊固部位、 系統(tǒng)的機械電器接線、 震動電源的定位、 歷史的工作資料、 傳統(tǒng)機械驅(qū)動機構(gòu)設(shè)備在正常工作時出現(xiàn)的技術(shù)問題、在生產(chǎn)過程中對驅(qū)動設(shè)備的技術(shù)要求等。 經(jīng)過在實地的核算， 重新設(shè)計了永磁直驅(qū)電機的外形尺寸和定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)， 并分析了該系統(tǒng)的實際工作數(shù)據(jù)和根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)， 選擇了相應(yīng)的重載變頻牽引設(shè)備。

5.2 安裝調(diào)試

施工前期， 應(yīng)當做好吊車裝配、 施工設(shè)備準備、檢查工地文件， 以及對施工的實際檢查等前期準備工作。 并按照國際永磁直驅(qū)發(fā)電機的相關(guān)規(guī)范， 進行裝配基礎(chǔ)和潤滑油站、 接引冷卻使用。 同樣， 還實現(xiàn)了變頻驅(qū)動系統(tǒng)的就位裝置并與電器聯(lián)接。 當永磁體直流驅(qū)風(fēng)機就位后， 用2500V兆歐表面測試了其熱絕緣性能。

所有新安裝裝置在運行完畢后， 都要對其實施全面測試， 內(nèi)容包括與新安裝設(shè)備上的所有設(shè)備電器連接， 以及正常運行后所需要的冷卻水供應(yīng)狀況、潤滑條件， 及打磨機設(shè)備上的其他有關(guān)裝置條件等。測試結(jié)束后， 相關(guān)人員就位， 進行了直驅(qū)系統(tǒng)測試操作。

測試時， 先帶磨盤空轉(zhuǎn)時， 然后再測試發(fā)電機工作時的相對溫度、 防凍發(fā)動機冷卻液流量儀表的指示是不是準確， 還有直驅(qū)控制器與DCS 控制系統(tǒng)間的聯(lián)鎖狀態(tài)， 保護是不是準確等。 接著按50%、80%和滿載三個步驟帶載測量， 每個步驟工作至零點5h， 以檢查設(shè)備結(jié)構(gòu)和各測量數(shù)據(jù)是不是準確。帶滿載時連續(xù)平穩(wěn)工作72h 以上， 對系統(tǒng)穩(wěn)定性和裝置安全性進行了考察。

5.3 遇到的問題

5.3.1 電機繞組溫度偏高

設(shè)備描述： 永磁直流驅(qū)風(fēng)機使用了機殼的水冷技術(shù)， 并安裝在封閉式的內(nèi)； 但是， 由于現(xiàn)場的冷卻， 水溫度在夏天最大可超過35℃， 而熱混凝土工序則位于冷卻水系統(tǒng)的最末端， 所以風(fēng)機冷卻容量相對較??； 而封閉廠房內(nèi)的空氣流通也較差， 因此室內(nèi)空氣溫度在夏天時最高可達到42℃； 而材料的生產(chǎn)過程也根據(jù)自己的實際情況時緊時松， 尤其嚴重的磨機問題以至超負荷運行。 上述情況的發(fā)電機繞組操作溫度， 在夏天時最大達到了115℃。

解決辦法： 將冷卻水系統(tǒng)的備用水泵啟動， 以增加供水； 增加了輔助風(fēng)冷系統(tǒng)， 以提高發(fā)動機的散熱效果。

效果： 在磨機正常運作期間， 發(fā)電機的繞組工作溫度可維持在107℃的長時間工作， 而對于F級絕緣的發(fā)電機來說， 該溫度則可改善整個長壽命時期的發(fā)電機穩(wěn)定性。

5.3.2 推力軸承無法完成的重量回油

推力軸承本來使用的是自重翻油， 結(jié)果實際工作中發(fā)現(xiàn)回油嘴小， 回油容量不足， 無法完成自重翻油。 為了不耽誤正常生產(chǎn)， 該廠制定了主動回油的措施， 并臨時增加了回油泵。

通過進一步分析計算與檢測之后， 在推進軸承箱壁的觀測窗接引了一路回油， 壓力翻油的現(xiàn)象才得到緩解， 并且油位還能夠維持在原來設(shè)定的尺寸上， 而不會直接影響推力滾動軸承類型的軸承運動。

6 改造效果

采用永磁直驅(qū)發(fā)電機組時， 節(jié)電效果比較明顯，而且工作電壓也不會超標甚至跳停， 從而緩解了傳統(tǒng)工藝運行的障礙現(xiàn)象。 此外， 由于永磁馬達可垂直安置于選粉機的上殼中， 因此克服了整體選粉機上的振動難題， 而且在拆除減速機后也不需要再修理減速機， 設(shè)備安全性大幅增強。

7 結(jié)語

DYT永磁轉(zhuǎn)子的防護等級IP55， 絕緣級別為H級， 最高可抗溫達170℃， 同時設(shè)有繞組監(jiān)測溫度，實時控制變壓器的操作溫度， 并針對上下滾動軸承的設(shè)置自動充油器， 安裝位置盡量為室溫安裝并設(shè)防雨罩， 以便于防雨淋及抗日曬， 鐵磁衰減每年下降約為0.1%， 設(shè)計壽命約為50 年。 節(jié)電效益更加突出， 也同時改變了機械設(shè)備現(xiàn)場運行漏油的狀況，降低了維修率， 機械設(shè)備振動現(xiàn)象也大幅降低， 機械設(shè)備工作更加平穩(wěn)， 產(chǎn)品壽命大大增加， 因此值得廣泛宣傳和使用。