隨著國家對能源環保管理的深入，節能降耗、綠色環保已成為水泥企業的關注點，前期的改善電網質量、風機泵類變頻改造等節能手段都已發揮到了極致，單就目前的異步電動機來看，其效能提高一個百分點都很困難，所以水泥生產企業的設備節能空間已很有限。近幾年，隨著永磁材料的不斷發展，永磁電動機的生產及應用也隨之迅猛發展，因其良好的負載特性和節能降耗的優勢，使其應用領域從小型民用（如電梯、電動汽車等）慢慢滲透到大型工業生產中，從低壓小功率發展到了高壓大功率，永磁電動機在水泥行業的應用是大勢所趨。
水泥企業因工作環境惡劣、設備能耗高、故障率高、維護量大等特點，對設備運行可靠性的要求更為苛刻。水泥生產線上皮帶機、提升機、選粉機、拉鏈機、輥壓機、球磨機是最具代表性的關鍵設備，皆為沖擊性負載，啟動轉矩大，過載倍數高，故其電動機功率及減速機服務系數一般富余量都大，生產過程中的高噪音、低功率因數、高耗能、高故障率、高維護量，一直制約著水泥生產線的安全、環保及高效運行。具體缺點如下：
（1）旋轉類機械的振動和噪音大部分是由于高速旋轉造成的，皮帶機、提升機、選粉機、球磨機等4極異步電動機（1?480 r/min）及減速機的高速輸入旋轉而引起的沖擊、振動、摩擦、噪音（包括電磁噪聲），對現場環境影響極大，同時也降低了減速機的使用壽命。
（2）異步電動機的啟動性能及過載能力差，故電動機選型都存在“大馬拉小車”現象，而異步電動機低負載運行時，效率和功率因數都比較低（如圖1、圖2所示），需外加無功補償裝置來改善電網的功率因數，增加了供電設備的容量及設備投入。
圖1 永磁同步電動機效率、功率因數與負載率關系曲線
圖2 異步電動機效率、功率因數與負載率關系曲線
（3）“4極高速異步電動機+液力耦合器+減速機”的異步電動機驅動搭配，由于減速箱為高速輸入，使其振動及磨損大，產熱量高（大功率設備必須外置稀油站強制注油降溫潤滑），潤滑油管及機體連接部位密封損壞頻繁，滲漏油現象很難從根本上解決，嚴重影響生產現場環境的整潔及潤滑油的日常消耗。
我公司結合水泥生產線使用設備的運行特性，研發生產出了皮帶機、提升機、選粉機、拉鏈機、輥壓機、邊緣傳動球磨機等專用永磁同步驅動系統，功率范圍7.5~3?000 kW，轉速范圍5~600 r/min，電壓380~10 kV。從目前應用效果看，運行狀況良好、達到了設計目的和要求，以下介紹其在石灰石輸送皮帶機上的應用實踐。
2.1 皮帶機異步電動機驅動系統
皮帶機異步電動機驅動系統參數見表1。
表1 皮帶機異步電動機驅動系統參數
2.2 改造方案論證
更換驅動系統的石灰石輸送斜皮帶位于48 m高的鋼結構中轉站上，其安裝平臺空間及承重都已確定，永磁電動機的改造方案只能在現有的條件下實施。如若選用永磁直驅，滿足200 kW、30 r/min的驅動扭矩為（9?550×200）/30=63?667（N·m），估算直驅永磁電動機的設計重量約為2 t/10?000 N·m，則該電動機的設計重量可達6.366?7×2=12.7（t），此重量無法滿足原鋼結構的承重要求，給改造帶來很大的難度。另外根據永磁電動機的轉速公式n=60f/P，則P=60f/n=60×50/30=100，若把電動機的額定轉速設計為30 r/min的話，就需要把其極數設計為100對（200極），就算有的廠家把永磁電動機的額定運行頻率設計成十幾赫茲，永磁電動機也需要設計為40極。而這種設計（40極、低頻10 Hz運行）勢必會使電動機的轉子直徑及重量很大，造成啟動及運行慣量很大，啟動性能差，由于轉子自重等原因而降低了電動機運行效率，節能效果欠佳。
鑒于此，最終選用“20極（300 r/min）的永磁同步電動機+低速變低速的小速比一級減速器+無感矢量變頻器”的配置，同樣以30 r/min的輸出替代原“異步電動機+液力耦合器+減速機”的異步驅動系統，來達到低速驅動、節能降耗、降噪、提高運行安全可靠性、降低故障率和維護量的目的。
永磁電動機采用特殊的電磁與結構設計，優化機械制造工藝，選用國內損耗最低的優質矽鋼片，提高材料利用率。其定子槽滿率更高，功率密度更高，驅動系統體積更小、重量更輕、結構緊湊，有效減少材料成本，提高了產品的性價比。
電動機及一級減速器均選用FAG或SKF進口全密封免維護軸承，在運行轉速為300 r/min的情況下，其轉子風摩耗、軸承發熱量及磨損也大大降低，基本可以免維護。
“20極永磁電動機+一級減速器”的結構與大極數永磁電動機相比，轉子體積小、質量輕，啟動慣量小，再加上一級減速器的轉矩放大作用，使其具有啟動轉矩大的特點，較易實現重載啟動。改造后皮帶機永磁同步電動機驅動系統參數見表2。
表2 皮帶機永磁同步電動機驅動系統參數
2.3 改造特點
（1）電動機由1?486 r/min異步電動機改為300 r/min永磁同步電動機，減速機由三級減速改為一級，速比i由50∶1改為10∶1的小速比，去掉了高速級，輸入軸轉速降至300 r/min，減速機軸承及齒輪磨損、運行發熱量大幅度降低，效率提高，且永磁電動機和一級減速器都完成模塊化設計，通過柔性連接耦合到一起，質量輕，過載能力大大提高（可在1.5倍額定轉矩下長期運行，2.0倍額定轉矩下可運行5 min）。
（2）改造后的永磁同步電動機中心高為450 mm，與原減速機中心高相同，電動機基礎基本不做改動，拆掉原直交軸減速機、液力耦合器、電磁抱閘、異步電動機，原基礎平臺稍作改動，原聯軸器繼續使用，永磁電動機通過聯軸器跟皮帶機的傳動滾筒直聯布置安裝，整體對現場改動不大，2 d即可完成改造。
（3）永磁電動機定子繞組預埋三相雙支三線制PT100測溫裝置（共6支，3用3備），前后軸承預埋雙支三線制PT100測溫裝置（共2支，1用1備），可實現運行過程中繞組及軸承溫度的精準監測和上傳，便于實現對設備的遠程監控。
（4）電氣控制拆掉原軟啟動器，更換為永磁電動機專用無感矢量變頻器，用原驅動軟啟動器的信號直接驅動變頻器即可，電氣控制回路極為簡單。智能控制實現了電動機的緩啟緩停，減小電流沖擊，實現對永磁同步電動機的精確控制和保護，也可通過其通信接口外接物聯網模塊，來實現該皮帶機永磁同步驅動系統的遠程監控，提高企業的智能化管理水平。
改造前后現場設備布置情況對比見圖3。
圖3 皮帶機現場照片
1）運行參數
改造后，在相同喂料量的條件下，經過原計量儀表檢測，皮帶機運行電流由210~260 A降到165~210 A，現場噪音低于80 dB（A），表3為改造前后相同喂料量下，一個臺班的電動機運行電流對比。
表3 改造前后電動機運行電流對比 A
2）節電分析
改造前電動機功率200 kW，電壓380 V，功率因數0.905，平均運行電流256 A；改造后電動機功率200 kW，電壓380 V，功率因數0.980，平均運行電流183 A（以上電流皆為變頻器前的輸入電流）。根據電動機有用功公式P=UIcosφ，改造后皮帶機的節電率為22.4%，節電效果明顯，而且同步電動機對電網功率因數的提高也會帶來一定的經濟效益。
另一方面，永磁驅動系統還有其他優勢，如其安全可靠的性能，可以保障皮帶機安全無故障運行，低振動、低噪聲、低污染可以切實改善現場工作環境。
3）運行維護方面
改造后沒有減速機和液力耦合器，縮短了傳動鏈，降低了故障率，使設備的日常巡檢維護量大大降低，減少了潤滑油的消耗及維修成本。
2、4、6極高速電動機是異步電動機的優勢，結構及控制簡單，效率及功率因數高，但是當運行轉速在幾百轉，甚至幾十轉到十幾轉時，再靠增加異步電動機的極數來降低轉速（功率因數很低）或加減速機進行減速（效率低、維護量大），就很不經濟高效。此時可以選擇低速大扭矩永磁電動機，其體積和質量僅為異步驅動系統的1/2~1/3，可減少新建項目的基建投資，其運行效率（97%）和功率因數（99%）都很高，變頻智能控制緩啟緩停，額定電流小于同功率的異步電動機，所以供電設備及電纜可降低一個規格進行選型，無須進行電容補償。低速大扭矩永磁同步驅動系統在水泥生產線上的應用，對行業設備升級換代以及企業效益的提高起到了良好的推動作用。
