徐文鹏 于 野 张 雨
中交机电工程局有限公司 北京 100088
摘 要：以某港口铁矿粉输送系统的应用为例，介绍了高压大功率永磁同步电动机直接驱动技术在港口带式输送机系统中的应用情况，并研究其在节能性、可靠性等方面的重要作用。关键词：带式输送机；永磁同步电动机；高压大功率；港口；输送系统 中图分类号：TH222 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2019）13-0119-05
汤杯Abstract: Taking the application of the iron ore powder conveying system in a port as an example, the application of high voltage
and high power permanent magnet synchronous motor direct drive technology in the port belt conveyor system is introduced in the paper, and its important role in energy saving and reliability is studied.
Keywords: permanent magnet synchronous motor; high voltage and power; port; delivery system
真空垫
0 引言
近年来，在海港散货工程建设和运营中，由于环保政策压力的不断增大和绿港口概念的不断深入人心，节能技术越来越得到各港口企业的重视。设计院和承包商对此也在不断投入研发精力，尽可能在经济合理的前提下，更多的提供更节能、更环保的技术和设备。
电动机为散货输送系统中带式输送机最为主要的动力设备，其能耗水平很大程度上决定着港口企业的运营成本，因此电动机节能技术的应用研究对于绿港口的建设具有极其重要的意义。永磁同步电机便是在这种背景下相关研究的成果。
水泵远程监控永磁同步电动机的研究最早开始于20世纪50年代，但由于永磁体的稀有金属材料造价高昂，属于管制材料范围，且永磁电动机存在的高温不可逆退磁等技术问题一直阻碍了这种产品的大规模应用与推广。不过随着永磁材料产业的发展，尤其是随着高性能钕铁硼(NdFeB)永磁材料（第三代）的问世，永磁电动机技术产生了里
程碑式的发展。西门子、ABB 等国际大型电动机生产企业以及国内的著名电动机生产商如上海电动机、湘潭电动机等都进行了相关的研究，有的已部分实现了量产，但目前大部分产品应用仍然集中于低压永磁同步电动机，特别是风电、油田、煤矿方面的应用，包括电动汽车、电梯曳引、船舶推进等等，这方面的技术研究以清华大学国家重点试验室牵头。高压永磁同步电动机的应用近3年才开始逐
步推广，其基础理论研究以沈阳工业大学国家永磁电动机重点试验室为主。由于高压永磁同步电动机造价昂贵，设备重量大，散热要求高，产品最初主要应用于对防爆要求比较高的煤矿行业，以解决煤粉环境下变频器难以解决的防爆问题，而港口散料输送行业的应用就比较少，应用于港口铁矿粉输送系统的就更少
。
1 永磁同步电机优点
1.1 效率高
永磁同步电机用永磁体取代电励磁，无励磁损耗；转子无绕组，无转子铜耗，无转子铁耗，电机为多极低速电机，无转子风扇，机械损耗低，从而使得电机效率比同容量异步电动机提高 3％~15％。
1.2 电动机效率受负载率的影响小
如图1所示，当电动机负载率100%时，永磁电机的效率约为96%，异步电机的效率约为93%左右，而
当负载率下降时，普通高压异步电动机的效率随着电动机负载率的降低而急剧下降，当普通电动机的负载率降低为50%时，电动机自身效率仅有60%左右；而永磁同步电动机则表现为电动机的效率随着负载率的变化趋平稳状态，负载率低至50%时，永磁同步电动机仍然能够保持90%左右的效率。
图1 电机效率随负载率变化的特性曲线
1.3 功率密度大
高压永磁同步电机采用钕铁硼(NdFeB)永磁材料。钕铁硼具有很高的磁能积，它的剩余磁感应强度、矫顽力都较大，用较少的钕铁硼永磁体就能产生足够的电机磁能积，因此电机体积、尺寸可以大为减小。在体积和最高工作转速与异步电动机相同的情况下，输出功率也高出 10％~30％。 永磁同步电动机极数多，多极电机可显著减小定、转子铁心轭部高度，从而减少铁心用量，减小电机体积。
1.4 启动转矩大，传动效率高
常规异步电动机启动转矩倍数和最大转矩倍数都小
于2，为满足负载设备启动要求，特别是满载时的启动要求，需选择更大容量的异步电动机，而到了正常运行状态，异步电动机则又处于轻载运行状态，效率和功率因数均较低，又出现“大马拉小车”的情况。永磁同步电机因为极数多，其启动时则可输出2.2~2.8倍的额定转矩，可满足负载大时的启动。由于永磁同步电动机能够输出较大扭矩，可以采用低速直驱启动设备，而不使用传统的耦合器、减速器、联轴器等设备，降低了传动链设备间的效率损失。永磁直驱与滚筒之间为联轴器硬连接，因而传动系统的效率可以提高到98%以上，而普通高压电动机+减速器的驱动传动系统的传动链效率仅能够达到88%左右。
户外防雷器
2 永磁同步电机在带式输送机上的应用情况
2.1 在带式输送机上的应用
高压永磁同步电动机直接驱动技术在煤矿主井带式
输送机上已有了广泛的应用，在港口输送系统，秦皇岛港六公司已试验性应用近一年时间，在山东日照港精品钢基地铁矿粉带式输送机系统上也安装了2×630 kW 永磁直接驱动并成功应用近半年时间，其中710 kW 以上的大功率永磁同步电机成功应用业绩，具体见表1。
2.2 港口散货输送系统上的应用
目前，永磁同步电动机直驱技术在港口散货输送系统中的应用刚刚开始，而且多数应用为低压永磁同步电
动机直驱，高压永磁同步电动机直驱的应用在港口散料输送系统中刚刚开始试用，国内仅有少数港口如秦皇岛港、青岛港、日照港的少数堆场中进行了试用和对比，应用普遍集中在近3年内，根据目前应用和节能数据累计统计，该技术具有显著的经济效益和社会效益。具体以秦皇岛港六公司的应用为例。
2.2.1 经济效益
秦皇岛港第六分公司试用的BM1带式输送机换用永磁同步电动机直驱应用后，经过一年多的实际使用效果计量统计，全年平均节约效能10%以上。按照保守估计综合节能率10%计算，2016
年公司全部皮带机驱
效 率
动电机耗电量2 341万kW.h，如果在六公司所有皮带机系统进行推广使用，年节能量为237万kW.h，减少电费支出约190万元。该项目预计每年减少减速箱、耦合器、滚筒维修及备件费用约200万元，合计每年减少支出约390万元，经济效益非常明显。
表
1 大功率永磁同步电动机部分业绩
2.2.2 社会效益
秦皇岛港第六分公司BM1皮带机更换永磁同步电动机后，按照现有运量，计算周期内（4 300 h）节约用电量约为279 780 kW.h，折算节省标准煤113 t，减少二氧化碳排放273 345 kg，减少碳排放76 100 kg。该应用具有显著的节能环保意义，对港口行业推行绿港口建设将起到重要作用，也是在节能减排工作中的一次伟大的尝试。
3 高压永磁同步电动机直驱技术在港口带式输送机上应用中需注意的问题
经过近几年的应用试验和技术改进，高压永磁同步电动机本身的技术已经日趋成熟，永磁电机自身的安全性、可靠性得到很大提升，退磁、高压情况下的大功率散热问题等都已有了很好的解决方案。但由于港口环境的高盐雾、铁矿粉尘等原因，在实际应用上还是要考虑很多问题。
3.1 高压大功率永磁同步电动机的实际应用业绩 问题
目前国内外大型的电机制造企业都对永磁同步电动机进行了研究和试验，但目前高压、大功率、永磁同步电动机直驱的应用都集中在矿山、风电、泵、磨机、采油机等设备上，在港口带式输送机上的应用业绩少之又少。
3.2 电机大功率问题
内蒙古某煤矿主提升带式输送机采用的永磁同步电动机功率达到了1 120 kW，但由于煤矿系统普遍采用1 140 V电压，同港口输送系统中的10 kV，6 kV电压应用的借鉴意义有限。
3.3 设备维修问题
高压大功率永磁同步电动机的重量非常大，单个
630 kW电机的重量就高达14 t以上，现场维修吊运困难。且由于电机定子采用的永磁材料受到振动、高温影响会发生不可逆退磁，退磁后需更换转子中的稀土材料永磁体，因而电机出现问题后，一般情况下厂家会建议返厂由专业人员维修，而不能在使用单位维修。由于永磁同步电动机的高可靠性，设备发生故障的频次很低，考虑港口卸船必须连续性作业需求的，可采用备货一台的方式作为备件，但由于永磁同步电机造价昂贵，一般并不推荐这么做。
3.4 备保养问题
高压永磁同步电动机本身可靠性很高，设备维护保养量同普通电机基本相同，但需注意的是高压永磁同步电动机直接驱动时具有转速低、扭矩高等特点，工作进程中会产生大量热量，因而需要完备的散热系统，最常用的散热系统为水冷却，即采用工业软水（寒冷地区采用冷却液）将电机热量引出后通
过风扇进行热交换，因而冷却系统的泵、阀、滤芯、风扇电机等设备的日常维护保养也必须加以考虑，而少量采用风冷却系统的永磁同步直驱设备由于其应用案例极少，目前暂不推荐采用。
3.5 铁矿粉吸附问题
高压永磁同步电动机采用永磁体做定子，在铁矿粉输送系统中，铁矿粉会不会进入电机内部引发局部过热，继而引发退磁，很多矿石码头的业主都有这方面的顾虑。目前高压永磁同步电动机的防护等级可以达到IP55以上，可以有效的防止粉尘包括铁矿粉的进入，另外永磁同步电动机在制造时采用了防漏磁技术，尽量减少定子磁体对矿粉的影响。根据在部分露天铁矿的应用案例调查，目前的铁矿应用尚未出现由于铁粉吸附造成的不可逆退磁现象。
3.6 变频器问题
就目前调研情况来看，现阶段通用变频器如西门子、ABB的产品往往存在与永磁同步电机不匹配、责任界面不清的问题，而专门针对永磁同步电动机开发的专用变频控制伺服系统可靠性更好。永磁同步电机不需外界能量即可维持其磁场，这也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。但是随着Mosfet、IGBT等电力电子器件和控制技术的发展，大多数永磁同步电机在应用中，可以不进行磁场控制只进行电枢控制。设计时需把永磁材料、电力电子器件和微机控制三项新技术结合起来，使永磁同步电机在崭新的工况下运行。此外，以永磁同步电机作为执行元件的永磁交流伺服系统，由于永磁同步电机本
身是具有一定非线性、强耦合性和时变性的系统，同时其伺服对象也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时易受到不同程度的干扰，因此采用先进控制策略、先进的控制系统实现方式（如基于DSP控制），从整体上提高系统的智能化和数字化水平，这应是当前发展高性能永磁同步电机伺服系统的一个主要突破口。
3.7 退磁问题
高压永磁同步电动机的转子材料为稀有金属钕铁硼，这种材料对温度很敏感，如图2所示，当温度超过一定值，材料磁性能将沿着曲线1逐渐降低，当温度恢复后，它的剩磁将会沿着曲线2进行恢复，造成不可逆退磁。由于退磁后电流会增大，产生更多的热量，内部温度上升更快，又会发生进一步退磁。若发生不可逆退磁，就会使永磁电机性能减弱，严重时会导致电机报废。超温退磁是目前退磁发生的主要原因。
图
2 钕铁硼材料的受热退磁曲线
另外，永磁电动机受到振动、时效损失也会发生退磁现象。根据目前的使用情况看，退磁的发生原因有单一原因，也有可能是几种原因共同作用的结果。目前的钕铁硼永磁体材料可保证在内部转子在150℃以下不发生退磁问题。
3.8 成本问题
由于永磁电机主要磁能材料钕铁硼价格昂贵，永磁电机的设备成本一般要比电励磁电机高很多，但由于其高效、节能、可靠的特点和后期低廉的运行维护费用，在实际设计中应根据具体使用场合和使用情况，进行一次采购成本和寿命期内综合维护费用的统筹考虑，同时应结合工程实际不断进行工艺、结构设计的创新和设计优化，以降低成本。
4 在铁矿粉输送系统中应用分析
本文依托黄骅港散货港区矿石码头一期续建机电工程，对高压永磁同步电动机在铁矿粉输送系统中的应用进行研究。在本项目中电动机将高压、永磁同步、低速直接驱动、铁矿粉环境、负载率变化剧烈、室外布置、铁粉退磁可能等诸多影响因素集于一身，且很难到完全类似的应用案例，因此高压同步永磁电机在本项目的成功应用经验，将成为绿港口建设上的一个重要里程碑。
该工程中堆取料线带式输送机BDQ1原拟采用高压电动机3*630 kW，带式输送机卸船堆料作业时额定输送能力为7 500 t/h，带式输送机取料装车作业时额定输送能力为4 000 t/h，取料作业时系统的负载率仅有额定输送能力时的53%，堆料应用情况下高压电动机的效率将急剧下降至70%左右，效率非常低下。如果采用永磁同步电动机，电动机在此负载率的情况下效率仍将保持在88%以上，即仅仅电动机本身就节约电能近18%，另外，由于永磁直驱系统没有减速机和偶合器，传递效率的损失也将减少10%，综合考虑，在取料工况下本条带式输送机驱动系统将节能28%以上。而在堆料工况下，由于传递链的减少，驱动系统也将节能10%以上。按照本条带式输送机的驱动能耗3×630 kW计算，年运行时间约4 000 h，按卸船和装车作业时间各占50%计算，初步估算将节约电能630×3×2 000×28%+630×3×2 000×10%=144万度，按照业主用电单价0.84元/度计算，年节约电费约121万元人民币，并且尚未考虑每年本套设备的维修维护费用节约20万元，经济效益显著。环保减排方面，此条带式输送机年节约用电量约为144万kW.h，折算节省标准煤约177 t，减少二氧化碳排放约1 430 t，减少碳排放约327 t，社会效益也非常明显，而这仅仅是一条带式输送机采用永磁同步电动机所产生的节能环保效果，如果此技术在整个码头或者整个港区、行业推广，每年产生的经济效益、社会效益将非常巨大。
5 结论
综上所述，高压大功率永磁同步电动机直驱技术在港口带式输送机上的使用已经日趋成熟，相对于传
小型锅炉统带式输送机驱动系统节能效果明显，社会效益显著，特别是对于长期负载率变化较大的堆取料合一的带式输送机系统应用，更具有推广价值。
参考文献
双面斜纹布
[1] 徐重鹤.低速大转矩永磁直驱电机极槽选择问题的研究
[D]. 沈阳，沈阳工业大学，2017
[2] 王旭强，王德龙.智能永磁直驱技术在煤矿主斜井皮带运 输机中的应用[J].山东煤炭科技，2017（12）：128-130
作 者：张 雨
：yuzhangqhd@163
收稿日期：2019-03-20
