導(dǎo)讀

對風(fēng)掃煤磨傳動系統(tǒng)的運行特性進行分析，闡明了煤磨采用變頻永磁直驅(qū)電動機的必要性及其優(yōu)勢。通過實際應(yīng)用證明，該方法能夠降低磨機能耗和生產(chǎn)成本，為干法球磨機的設(shè)計提供了借鑒，對今后變頻永磁直驅(qū)電動機在干法磨機的廣泛應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

風(fēng)掃煤磨是物料粉磨的關(guān)鍵設(shè)備，傳動裝置作為磨機的驅(qū)動部件，其特性直接影響著磨機運行的穩(wěn)定性和磨機能耗。風(fēng)掃煤磨傳統(tǒng)的驅(qū)動模式為傳統(tǒng)異步電動機+減速器+慢速驅(qū)動，導(dǎo)致系統(tǒng)存在機械傳動鏈冗長、效率低、機構(gòu)復(fù)雜、運行維護工作量大等問題。隨著國家對節(jié)能減排提出了更高的要求，提高磨機傳動系統(tǒng)的運行效率已成為節(jié)能的關(guān)鍵。因此，通過提高電動機本身運行效率和運行功率因數(shù)，減少無功消耗，降低路線損耗，從而降低磨機能耗，是磨機節(jié)能的一個方向。采用變頻永磁直驅(qū)電動機來減少傳遞轉(zhuǎn)矩過程中的能耗損失是實現(xiàn)干法球磨機節(jié)能的重要手段。

1 風(fēng)掃煤磨傳動系統(tǒng)與粉磨系統(tǒng)工作原理

風(fēng)掃煤磨作為低速重載、恒速的設(shè)備，啟動需要克服傳動系統(tǒng)的磨損損耗和研磨體偏移對傳動軸產(chǎn)生的有效力矩。磨內(nèi)研磨體對物料的破碎沖擊力使磨機工作中伴有振動和沖擊，而干法粉磨工作的連續(xù)性特點，要求磨機傳動系統(tǒng)具備高可靠性和低故障率，作業(yè)率需高達 95% 以上。

1.1 傳動系統(tǒng)工作原理

傳統(tǒng)的風(fēng)掃煤磨主要由磨機本體、齒輪傳動部、主減速器、慢驅(qū)裝置、異步電動機組成，結(jié)構(gòu)如圖 1所示。風(fēng)掃煤磨運轉(zhuǎn)時，異步電動機將動力通過主減速器傳遞給齒輪傳動部的小齒輪，通過大、小齒輪的嚙合，環(huán)裝在磨機回轉(zhuǎn)部的大齒圈帶動磨機，實現(xiàn)磨機的旋轉(zhuǎn)；在磨機安裝或檢修時，異步電動機停止供電，慢驅(qū)裝置中的電動機將動力通過主減速器傳遞給齒輪傳動部的大、小齒輪，通過環(huán)裝在磨機回轉(zhuǎn)部的大齒圈帶動磨機，實現(xiàn)磨機的慢轉(zhuǎn)。

圖1 傳統(tǒng)風(fēng)掃煤磨的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.磨機本體 2.齒輪傳動部 3.主減速器 4.慢驅(qū)裝置 5.異步電動機

由于風(fēng)掃煤磨傳動系統(tǒng)組成較為復(fù)雜，包含異步電動機、兩級或三級減速器和慢速驅(qū)動裝置，以及低速聯(lián)軸器、高速聯(lián)軸器、斜齒離合器等，傳動總效率低，任何一個環(huán)節(jié)出問題，均會造成磨機無法正常運轉(zhuǎn)。

1.2 粉磨系統(tǒng)工作原理

風(fēng)掃煤磨的粉磨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。原料 (同時伴隨 280 ℃ 左右的熱風(fēng)) 由喂料設(shè)備送入磨機的進料裝置中，通過進料溜槽和螺旋快速導(dǎo)入磨機回轉(zhuǎn)部的烘干倉內(nèi)，內(nèi)設(shè)揚料板，含有一定水分的物料在此處進行強烈熱交換而被烘干，再通過中間隔倉進入粉磨倉，與鋼球磨介一起在具有提升能力和研磨能力的襯板作用下，不斷地沖擊、粉碎或粉磨，最終研磨成煤粉，再由專用的引風(fēng)機經(jīng)出料裝置帶出磨機進入下一道工序。

圖2 風(fēng)掃煤磨的粉磨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1. 傳動裝置 2.出料裝置 3.主軸承 4.齒輪傳動部 5.回轉(zhuǎn)部 6.進料端滑履軸承 7.進料裝置

2 異步電動機與永磁電動機的原理

2.1 異步電動機

異步電動機勵磁磁場由定子繞組提供，采用勵磁電流產(chǎn)生氣隙磁場的方式，使電動機轉(zhuǎn)子繞組形成感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生感應(yīng)磁場，帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速不一致。由于勵磁磁場由定子繞組提供，需要采用短距分布繞組保障勵磁磁場的正弦度，如圖 3 所示，難以做成多極低速。因此，常采用感應(yīng)電動機+機械降速方法實現(xiàn)低速運行。

圖3 異步電動機分布式繞組

異步電動機在機械裝備傳動系統(tǒng)中僅作為機電能量轉(zhuǎn)換的裝置，用于提供系統(tǒng)所需的動力，使系統(tǒng)存在機械傳動鏈冗長、效率低、機構(gòu)復(fù)雜、運行維護工作量大等問題。為了滿足機械裝備最大負載的驅(qū)動需求，常選額定功率偏大的異步電動機，而異步電動機需要一部分功率來產(chǎn)生磁場，以維持電動機正常運轉(zhuǎn)，導(dǎo)致大部分電動機的負載率在 60%～80%，如圖4 所示，效率和功率因數(shù)低，耗電量高。

圖4 異步電動機效率、功率因數(shù)與負載率的關(guān)系曲線

2.2 永磁直驅(qū)電動機

永磁電動機采用永磁體磁極代替電流勵磁的磁極，磁鋼設(shè)置在轉(zhuǎn)子中，不需要輸入電流就可以產(chǎn)生磁場，在運行過程中，借助永磁體產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)。永磁直驅(qū)電動機不需要無功勵磁電流，可以顯著提高效率和功率因數(shù)，減少定子電流和定子損耗，并在穩(wěn)定運行時沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，總損耗降低而減少了風(fēng)扇和相應(yīng)的風(fēng)摩損耗。相比異步電動機，永磁電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，沒有勵磁繞線組，轉(zhuǎn)子銅耗較少，其功率因數(shù)比同規(guī)格的異步電動機可提高 10%～15%，如圖 5、6 所示。

圖5 永磁同步電動機效率、功率因數(shù)與負載率的關(guān)系曲線

圖6 永磁電動機與異步電動機對比

采用永磁電動機替換異步電動機雖然提升了電動機的能效等級，但由于是等速替換，仍沒能解決大型機械裝備傳動鏈冗長的問題。稀土永磁電動機勵磁磁場由轉(zhuǎn)子提供，可以利用真分數(shù)槽集中繞組實現(xiàn)永磁電動機多極低速的設(shè)計目的，通過將電動機與機械結(jié)構(gòu)進行機電一體化設(shè)計，取消動力傳輸?shù)娜炕虿糠种虚g環(huán)節(jié)，做成永磁直驅(qū)方案，能直接滿足荷載的需求，從而省去減速器裝置。

3 變頻永磁直驅(qū)電動機

3.1 變頻調(diào)速工作原理

變頻調(diào)速是指按比例改變電動機頻率和電壓來達到磨機主電動機調(diào)速的目的，具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、運行效率高等諸多優(yōu)點。變頻器是對電動機實現(xiàn)變頻調(diào)速的主要裝置，由整流器、中間直流環(huán)節(jié)、功率逆變器和控制器構(gòu)成，它將電網(wǎng)提供的恒壓、恒頻的交流電變換為新的電壓和頻率的交流電，并接入到電動機定子繞組中，實現(xiàn)對交流電動機的變頻無級調(diào)速。

3.2 變頻永磁直驅(qū)電動機對慢驅(qū)的影響

風(fēng)掃煤磨的慢速驅(qū)動裝置由制動電動機、慢驅(qū)減速器和離合器等組成，主要用于磨機的安裝和檢修。在安裝、更換磨機零部件和檢修磨機內(nèi)部時，可驅(qū)動磨機筒體以 0.1～0.2 r/min 的低速運轉(zhuǎn)。采用變頻永磁直驅(qū)電動機的磨機可以在變頻器低頻下穩(wěn)定運行，滿足磨機安裝和維修需要。此外，還能實現(xiàn)磨機的點動控制，通過輸入磨機旋轉(zhuǎn)的弧度，精確定位磨機筒體的位置。變頻永磁直驅(qū)電動機完全能夠替代慢速驅(qū)動裝置，減少設(shè)備投資，減輕慢驅(qū)拖動下大小齒輪的機械沖擊。

3.3 制動系統(tǒng)

為避免安全隱患，需要在變頻永磁直驅(qū)電動機的驅(qū)動系統(tǒng)上增加制動系統(tǒng)，其主要作用是在磨機檢修或更換襯板時，對滿負荷磨機提供制動，保證人員安全；在磨機潤滑系統(tǒng)、變頻器、電動機等發(fā)生故障或生產(chǎn)線停電時，為高速運行的滿負荷磨機提供完全制動，以避免造成磨機滑履軸承或主軸承損壞。

3.4 變頻永磁直驅(qū)電動機優(yōu)勢

傳統(tǒng)的異步電動機+變頻器，不能去除減速機及其輔助油站，后期維護工作沒有減少，驅(qū)動系統(tǒng)的效率傳遞損失問題也沒有解決；原異步電動機是非變頻電動機，長時間變頻運行容易導(dǎo)致定子線棒溫度升高，線棒絕緣加速老化。而永磁直驅(qū)電動機可以在額定頻率以下運行，具有恒轉(zhuǎn)矩、啟動轉(zhuǎn)矩大的特性，可更好地配套變頻器，適用球磨機工況。因此，如圖7 所示，以低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電動機+變頻器模式取代異步電動機、主減速器、主減速器油站、輔傳減速器、減速器電動機、水阻柜/啟動柜、進項器等設(shè)備，可優(yōu)化結(jié)構(gòu)，降低采購成本，減少設(shè)備故障點，提高傳動效率，降低電耗。同時，可以直接設(shè)計為粉塵防爆結(jié)構(gòu)，防爆設(shè)計符合煤粉制備環(huán)境防爆電氣要求，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性強。

圖7 磨機采用變頻永磁直驅(qū)電動機結(jié)構(gòu)示意

1.磨機本體 2.齒輪傳動部 3.變頻永磁直驅(qū)電動機

4 應(yīng)用效果

某水泥生產(chǎn)線配置的φ3.80 m×7.75 m+3.5 m 風(fēng)掃煤磨，其傳動系統(tǒng)配置了傳統(tǒng)異步電動機、主減速器、慢驅(qū)裝置、制動器、高速聯(lián)軸器、低速聯(lián)軸器、離合器等，采用水電阻啟動。其主電動機參數(shù)如表 1所列。采用鋼球作為研磨介質(zhì)，填充率為 23.5%，裝載量為 86 t，產(chǎn)量為 37.4 t/h，運行電流為 125.6 A，電壓為 6 000 V，磨機電耗為 29.6 kW·h/t。

表1 異步電動機參數(shù)

另一水泥生產(chǎn)線配備φ3.80 m×7.75 m+3.5 m 風(fēng)掃煤磨，轉(zhuǎn)速為 16.7 r/min，設(shè)計生產(chǎn)能力＞42 t/h，主要用于制備煤粉，入磨物料細度 ≤25 mm，95% 通過，入磨物料綜合含水率為 9%～14%。

該風(fēng)掃煤磨配置了變頻永磁直驅(qū)電動機，采用低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電動機+變頻器模式，傳動裝置結(jié)構(gòu)簡單。該電動機采用粉塵防爆結(jié)構(gòu)，磨機的小齒輪軸與變頻永磁直驅(qū)電動機軸頭通過膜片聯(lián)軸器實現(xiàn)聯(lián)接，同時增加制動系統(tǒng)，實現(xiàn)安全控制，如圖 8所示。

圖8 水泥生產(chǎn)線風(fēng)掃煤磨

該風(fēng)掃煤磨采用鋼球作為研磨介質(zhì)，填充率為23.5%，裝載量為 86 t，產(chǎn)量為 45.2 t/h，成品粒度為80 μm 篩余≤3%。配備的變頻永磁直驅(qū)電動機參數(shù)如表 2 所列。實際運行時，運行頻率為 44 Hz，運行電壓為 9 360 V，運行電流為 76.7 A，磨機電耗為 25.3 kW·h/t。

表2 變頻永磁直驅(qū)電動機參數(shù)

上述兩條水泥生產(chǎn)線風(fēng)掃煤磨的傳動系統(tǒng)對比如表 3 所列。相比傳統(tǒng)異步電動機，變頻永磁直驅(qū)電動機的功率因數(shù)和系統(tǒng)效率有了顯著提高，單機電耗也有一定程度的降低。同時，磨機傳動系統(tǒng)配置更簡單，取代了傳統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，減小了傳動系統(tǒng)的體積、廠房的占地面積和設(shè)備質(zhì)量，降低了原材料消耗和采購成本，減少了故障點和系統(tǒng)維護成本，提高了傳動的效率和可靠性。

表3 兩種驅(qū)動效率對比

采用變頻永磁直驅(qū)電動機的風(fēng)掃煤磨在現(xiàn)場使用情況良好，性能穩(wěn)定，已連續(xù)安全運行，各項技術(shù)指標(biāo)均達到了設(shè)計要求。

5 結(jié)論

(1) 變頻永磁直驅(qū)電動機將永磁電動機與機械負載融為一體，改變了機械裝備的傳動模式，消除了各個傳動環(huán)節(jié)，大幅度簡化了機械裝備的傳動鏈；

(2) 變頻永磁直驅(qū)電動機使磨機傳動系統(tǒng)更簡單，降低了采購成本，減小了傳動系統(tǒng)的體積、廠房的占地面積和設(shè)備質(zhì)量，減少了原材料的消耗，提高了傳動效率，節(jié)省了磨機單機電耗，并可直接做成粉塵防爆結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性強；

(3) 變頻永磁直驅(qū)電動機可以滿足磨機安裝和維修需要，并實現(xiàn)磨機的點動控制，完全能夠替代慢速驅(qū)動裝置；

(4) 采用變頻永磁直驅(qū)電動機的磨機可省去減速器及其附屬油站等設(shè)備，大大減少了設(shè)備故障點和機務(wù)維護工作量；

(5) 需要在變頻永磁直驅(qū)電動機的驅(qū)動系統(tǒng)上增加制動系統(tǒng)，提高磨機的安全性和可靠性。

筆者介紹的變頻永磁直驅(qū)電動機在磨機上的應(yīng)用，對于磨礦作業(yè)的節(jié)能降耗至關(guān)重要，具有減少磨礦成本，提高粉磨效率，降低磨機能耗等優(yōu)點。這一應(yīng)用為磨機的設(shè)計提供了新的思路，可在煤磨的設(shè)計及應(yīng)用方面積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對今后變頻永磁直驅(qū)電動機在干法磨機的廣泛應(yīng)用具有關(guān)鍵示范作用。

審核編輯：湯梓紅