2016年先后对邯郸金隅太行水泥4#、5#煤磨机用主电机进行低速大扭矩永磁直驱电机升级改造。本次改造主要采用永磁电机直接驱动球磨机的小齿轮工作，这样可大大提高工作效率和运行成本，永磁电机可实现真正意义上的免维护。
【1】 改造前球磨机系统
现有球磨机系统采用异步电机—减速机—小齿轮—大齿轮的模式驱动回转部（如下图所示），由于异步机和减速机的效率非常低，并且存在着维护频繁、漏油等系列问题，严重影响生产成本与效益。
【2】 改造后球磨机系统
如下图所示，为了提高传动环节的效率，本次改造方案，拟采用低速大转矩永磁同步电动机直接驱动小齿轮，带动大齿轮转动。
4#煤磨机新型永磁同步电动机改造后现场
5#煤磨机新型永磁直驱同步电机改造后现场
永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数，减少了定子电流和定子损耗，而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，进而可以因总损耗降低而减少风扇和相应的风摩损耗，从而使其效率比同规格感应电动机可提高10～15个百分点。而且，永磁同步电动机在25％～120％额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。
以本次改造的球磨机中，以500kw异步电机驱动系统为例，异步电机按最大负荷原则选取，而实际运行中负载率较低，由于永磁电机可实现低速大转矩的驱动，所以我们可以根据现场情况，将电机最大转矩提高，功率降低。同时，永磁电机在低负载率时的具有高效率和高功率因数特点，很适合球磨机这种设备。下面对永磁直驱系统与常规异步电机系统的主要性能进行分析，下表1为原系统数据与新型永磁电机直驱系统参数。
表1 改造前后系统参数对比
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原驱动电机参数 |
减速机参数 |
|
驱动电机数目 |
单机额定功率（kw） |
额定电压
(v) |
额定电流（a） |
运行电流（a） |
额定功率因数 |
减速机变比 |
|
1 |
500-8 |
10000 |
36.73 |
30~31 |
0.834 |
5.6 |
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新型永磁直驱系统参数 |
变频器参数 |
|
驱动电机数目 |
单机额定功率（kw） |
额定电压
(v) |
额定电流（a） |
额定转速
（r/min） |
额定功率因数 |
过载能力（tmax/tn） |
功率(kw） |
|
1 |
500-30 |
380 |
832 |
132 |
0.98 |
2 |
630 |
异步电机的效率和功率因数随负载率的降低而降低，而永磁电机的效率和功率因数随负载率几乎不变。下边我们对比分析一下新型永磁直驱电机与常规异步电机的主要性能。
表2 新型永磁直驱电机与常规异步电机主要性能比较
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名称 |
永磁直驱电机 |
异步机-减速机 |
|
电机功率（kw） |
500 |
500 |
|
电机效率 |
0.958 |
0.9 |
|
联轴器效率 |
0.99 |
0.99*0.99 |
|
减速机效率 |
-- |
0.9 |
|
变频器效率 |
0.97 |
-- |
|
功率因数 |
> 0.95 |
0.8左右 |
|
维护频率 |
低或无 |
高 |
|
系统效率 |
0.92 |
0.7938 |
（3）、永磁直驱系统球磨机节能潜力和经济效益预估
根据现场测量数据电机运行电流在30~31a，电机运行功率为408-422kw，计算时，我们取个平均运行功率420kw，改造的节能潜力分析如下表所示。
表3 改造前后节能效益分析
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名称 |
永磁直驱电机 |
异步机-减速机 |
|
球磨机使用功率（kw） |
333 |
333 |
|
电机输入功率（kw） |
361.9 |
420 |
|
每小时节电量（kw·h） |
58.1 |
-- |
|
无功功率节省有功电量（kw·h） |
9.6 |
|
|
一年节电量（kw·h） |
536184 |
-- |
|
一年节省电费（元） |
268092 |
-- |
|
电机价格（元） |
60万 |
-- |
|
节省维护费用（元/年） |
20000 |
-- |
|
回收期 |
2.24年 |
-- |
（其中，每天运行时间24h，一年运行天数330天，电费按0.5元/度计算，未计算功率因数提高节省的无功补偿费用）
（4）、改造后分析
我公司于2016年10月8日对金隅太行水泥的5#风扫煤磨进行了改造。改造前的生产一吨煤粉的平均耗能情况如下表4所示
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单位煤粉能耗（kw·h/t） |
|
2013年 |
2014年 |
2015年 |
2016年（1~9月） |
|
25.98 |
28.96 |
26.25 |
26.54 |
改造后从10月8日8:00至11月8日8:00统计的数据如下表所示。
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运行转速r/min |
总用电量
kw·h |
运行时长
h |
平均功率
kw |
煤产量
t |
单耗
kw·h/t |
|
130 |
299441.00 |
734.70 |
407.57 |
13124.00 |
22.82 |
改造前后的转速一致，通过以上二个表格可以看出，改造后单位煤粉的能耗从26.54kw·h降至22.82kw·h，节电量达14%。按台时17.75吨计算，每小时较改造节省66.03kw·h。按2015年煤粉制备量10.70万吨计算，年节电约39.8万kw·h，折合电费约19.9万元。
在满足生产的前提下，即煤粉产量及质量指标均符合生产要求，适当降低电机运行转速，如下表所示。
11月11日8:00至11月17日8:00
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运行转速r/min |
总用电量
kw·h |
运行时长
h |
平均功率
kw |
煤产量
t |
单耗
kw·h/t |
|
126 |
55553.50 |
144.00 |
385.79 |
2602.00 |
21.35 |
发现当电机的转速从130r/min将至126r/min时，单位煤粉的能耗降至21.35kw·h/t，现阶段单耗与改造前单耗26.54kw·h/t相比，降低19.55%，与调速前22.82kw·h/t相比，降低6.4%。按台时17.75吨计算，每小时较改造前节省92.12kw·h。按2015年煤粉制备量10.70万吨计算，年节电约55.5万kw·h，折合电费约27.7万元。
（5）、经济效益分析
项目改造完后，通过一段时间的运行，综合比较测算，改造取得良好的经济效益及社会效益。本项目初期投资60万人民币，年综合节电率19.55%，年节约费用30万元，二年可回收成本。具体如下：
1、年节电约55.5万kw·h，折合电费27.7万元。
2、减速机稀油站油泵功率2.2kw，年节电约1.1万kw·h，折合电费0.5万元。
3、永磁直驱电机机械结构简单，去掉减速机、减速机稀油站、慢转电机环节，减少设备维护的劳动投入。节约减速机及减速机油站备件、油品消耗费用0.8万元/年。
4、永磁直驱电机除满足正常生产外，同时满足断料减转降负荷、检修定位停机等要求，不需岗位人员进行切换操作，降低人员劳动强度。
5、永磁直驱电机功率因数为0.952，远高于原鼠笼电机的0.834。经计算直驱电机变频器输入侧功率因数为0.99，供电变压器二次低压侧功率因数不用电容补偿既满足要求，节省采购电容一次性支出3万元，平均每年节省费用1万元。
（6）永磁直驱电机系统优势
1) 永磁电机效率和功率因数高，节能。永磁电机与异步电动机效率与功率因数与负载率之间的特性相比，具有明显的优越性，取消了机械装备的中间环节，提高了传动链效率。
2) 去齿轮化，改了原来机械装备的传动模式。将永磁电动机与机械负载直接相连，消除了低速大转矩传动系统中的电机与机械负载之间的各个传动环节，大幅度简化了机械装备的传动链。
3) 噪音小，无污染，免维护。取消了减速机、液力耦合器等故障率高的机械装置，节省了日常维护费用、润滑费用及所耽搁的工作时间。
