基于永磁調(diào)速技術(shù)的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造

欒榮華+崔守娟

摘 要：永磁調(diào)速是非機(jī)械硬連接無(wú)級(jí)調(diào)速技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，在石油化工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文簡(jiǎn)要介紹了永磁調(diào)速器（PMD ）的工作原理，比較了其與變頻器的優(yōu)勢(shì)，本方案所涉及的75KW永磁耦合調(diào)速器是專(zhuān)為A化工集團(tuán)1#風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的設(shè)備，它具有平滑無(wú)級(jí)調(diào)速、高功率因素、高調(diào)速精度以及滑差功率逆變回收等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：永磁調(diào)速 風(fēng)機(jī) 改造 節(jié)能

中圖分類(lèi)號(hào)：TK223 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）08（b）-0000-00

0 引言

永磁調(diào)速器（PMD）具有高效節(jié)能，高可靠性，無(wú)剛性連接傳遞轉(zhuǎn)矩，可在惡劣環(huán)境下應(yīng)用，極大減少整體系統(tǒng)振動(dòng)，減少系統(tǒng)維護(hù)和延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命等特點(diǎn)。尤其是其不產(chǎn)生高次諧波且低速下不造成電動(dòng)機(jī)發(fā)熱的優(yōu)良調(diào)速特性，更使其成為風(fēng)機(jī)及泵類(lèi)設(shè)備節(jié)能技術(shù)改 造 的 優(yōu) 選 之 一。

1 PMD的工作原理

從電機(jī)轉(zhuǎn)速改變的三個(gè)因素：頻率、極對(duì)數(shù)和滑差來(lái)看，改變?nèi)魏我粋€(gè)要素將導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速改變。

現(xiàn)有的調(diào)速裝置，除永磁調(diào)速和液力調(diào)速技術(shù)外，基本上都是通過(guò)改變電機(jī)本身的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。我們知道，電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，因電能消耗，電機(jī)線圈、硅鋼片、機(jī)械摩擦都會(huì)造成電機(jī)發(fā)熱，因此，電機(jī)內(nèi)部都設(shè)計(jì)了風(fēng)葉用以冷卻電機(jī)。采用改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的技術(shù)，包括變頻器、串級(jí)調(diào)速、雙饋調(diào)速，在電機(jī)低速旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)的發(fā)熱都很大，有時(shí)不得不使用外部風(fēng)扇幫助散熱[1]。

變頻器調(diào)速，因?yàn)樽冾l器產(chǎn)生的正弦波實(shí)際是由方波疊加而成，高次諧波很多，電流的趨膚效應(yīng)導(dǎo)致電機(jī)線圈發(fā)熱，影響絕緣強(qiáng)度，應(yīng)該更換絕緣等級(jí)更高的電機(jī)，如果不更換，電機(jī)的可靠性將大大下降，甚至造成絕緣擊穿損壞，采用永磁調(diào)速技術(shù)，不會(huì)改變電機(jī)的輸入電壓、電流和頻率，因此不會(huì)要求改造原電機(jī)系統(tǒng)[2]。

PMD 是透過(guò)氣隙傳遞轉(zhuǎn)矩的傳動(dòng)設(shè)備，電動(dòng)機(jī)與負(fù)載設(shè)備轉(zhuǎn)軸之間無(wú)需機(jī)械連接，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)導(dǎo)磁盤(pán)在裝有強(qiáng)力稀土磁鐵的磁盤(pán)所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)中切割磁力線，在導(dǎo)磁盤(pán)中產(chǎn)生渦電流，該渦電流在導(dǎo)磁盤(pán)上產(chǎn)生反向磁場(chǎng)，拉動(dòng)導(dǎo)磁盤(pán)與磁盤(pán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)與負(fù)載之間的轉(zhuǎn)矩傳輸。執(zhí)行器調(diào)節(jié)兩個(gè)轉(zhuǎn)體之間空氣間隙的大小，通過(guò)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)負(fù)載輸出速度的控制，電動(dòng)機(jī)輸出到 PMD 的轉(zhuǎn)矩和 PMD 輸出到負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等。根據(jù)負(fù)載實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)矩的大小調(diào)整電動(dòng)機(jī)輸出端 （ PMD 輸入端的轉(zhuǎn)矩） 。PMD 輸入速度 （ 電動(dòng)機(jī)端） 和輸出速度 （ 負(fù)載端） 不一樣，原因是由于PMD兩個(gè)轉(zhuǎn)體之間的空氣間隙的存在使得輸出速度要比輸入速度小，即產(chǎn)生滑差，滑差大小決定傳遞轉(zhuǎn)矩的大小，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)與負(fù)載之間的轉(zhuǎn)矩傳輸。

2 永磁調(diào)速器改造方案

由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，因此通過(guò)對(duì)輸出負(fù)載轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)可以大幅降低負(fù)載功率。75KW永磁耦合調(diào)速器就是利用對(duì)輸出負(fù)載轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)降低負(fù)載輸出功率，同時(shí)通過(guò)逆變、濾波和變壓器調(diào)壓的手段重新將收集到的滑差功率輸入到一個(gè)22KW的負(fù)載水泵上，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

（1）系統(tǒng)組成

A化工集團(tuán)1#風(fēng)機(jī)由電機(jī)控制室安裝的變頻器直接控制，由于變頻器頻繁故障，目前處于硬啟動(dòng)且全速工作狀態(tài)，急需進(jìn)行節(jié)能改造。

75KW永磁耦合調(diào)速器由三個(gè)部分組成：永磁耦合器、調(diào)速控制器以及逆變變壓器，應(yīng)用其對(duì)A化工集團(tuán)1#風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造安裝示意圖如圖2。在原有電機(jī)控制基礎(chǔ)上，電機(jī)與負(fù)載之間安裝永磁耦合器，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)輸出；在調(diào)速控制室安裝調(diào)速控制器，控制永磁耦合器轉(zhuǎn)速輸出；調(diào)速控制室與電機(jī)控制室通過(guò)控制電纜連接，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)和停止信號(hào)的傳輸。

（2）電氣改造

圖1 75KW永磁耦合調(diào)速器電氣改造框圖

如圖1所示，W3、W6電纜A集團(tuán)目前已經(jīng)存在，不用更改。

W1電纜為連接調(diào)速控制器與永磁耦合器的電纜，兩頭分別固定在控制器（調(diào)速控制室）和耦合器（冷卻塔）上，線長(zhǎng)約100米。W2電纜為調(diào)速控制器供電電纜，需要連接380V交流電到設(shè)備上，線長(zhǎng)約10米。W4電纜為調(diào)速控制器逆變電纜，需要連接逆變變壓器上，線長(zhǎng)約5米。W5電纜為滑差功率逆變驅(qū)動(dòng)負(fù)載水泵的連接電纜，線長(zhǎng)約20米。W7為控制電纜，連接電機(jī)高壓控制柜（電機(jī)控制室）和調(diào)速控制器（調(diào)速控制室），主要獲取驅(qū)動(dòng)電機(jī)高壓柜里邊的電機(jī)起動(dòng)信號(hào)，只有當(dāng)調(diào)速控制器檢測(cè)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)已經(jīng)起動(dòng)完畢后，才能進(jìn)行后續(xù)的起動(dòng)和調(diào)速流程。同時(shí)，當(dāng)調(diào)速控制器檢測(cè)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)已經(jīng)停止或者調(diào)速控制器控制面板上輸入了停止指令后，調(diào)速控制器自動(dòng)進(jìn)入軟停止流程，控制電機(jī)和系統(tǒng)停止工作，線長(zhǎng)約200米。

3 系統(tǒng)工作過(guò)程

記冷卻水泵功率為P1=75KW，負(fù)載水泵為P2=22KW，控制柜全速輸出功率為P3，電機(jī)控制室電能表輸出Q1，調(diào)速控制室電能表輸出Q2，則

（1）負(fù)載功率=P1+P2；（2）輸入功率=Q1+Q2；（3）節(jié)約功率=負(fù)載功率-輸入功率；（4）逆變功率=22KW-（Q2-P3）。

系統(tǒng)工作過(guò)程如下：（1）給驅(qū)動(dòng)電機(jī)加電，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的空載啟動(dòng)；（2）調(diào)速控制器“起動(dòng)”按鈕可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動(dòng)控制，并控制系統(tǒng)進(jìn)入全速工作狀態(tài)；（3）調(diào)速控制器進(jìn)入調(diào)速模式，控制系統(tǒng)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)；（4）調(diào)速控制器逆變模塊工作，將收集到的滑差功率逆變?yōu)榕c輸入電源匹配的交流電；（5）逆變變壓器將逆變后的滑差功率變壓為380V電流電，并供應(yīng)一個(gè)22KW的負(fù)載水泵工作，實(shí)現(xiàn)電能的回收；（6）調(diào)速控制器“停止”按鈕可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和永磁耦合器和停止控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

永磁調(diào)速技術(shù)在 A化工集團(tuán)1#風(fēng)機(jī)中的改造應(yīng)用，效果是顯著的，其改造后的系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）節(jié)電降耗：根據(jù)電機(jī)運(yùn)行的實(shí)際工況，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，以滿足工藝的各種工況需求。改變傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)模式，節(jié)約電能；

（2） 解決了電機(jī)振動(dòng)等造成的相關(guān)問(wèn)題，大大降低了系統(tǒng)的故障率，延長(zhǎng)了電機(jī)和負(fù)載的壽命。主要是可以顯著地延長(zhǎng)軸承和密封件的壽命，大大減少了系統(tǒng)的備品備件消耗和降低維護(hù)費(fèi)用；（3）具有軟啟動(dòng)/軟停機(jī)功能：可有效降低電機(jī)的啟動(dòng)電流，負(fù)載可有選擇啟動(dòng)/停止，大大提高系統(tǒng)啟、停性能。

永磁調(diào)速器具有較好的節(jié)能減排效果，可產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益。在煉化企業(yè)具有較好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳順根.永磁調(diào)速裝置的節(jié)能性能試驗(yàn)[J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，25（3）：261-263

[2] 趙國(guó)祥，馬文靜等.永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器在閉式冷卻水泵上的節(jié)能改造[J].節(jié)能，2010，（4）：41-43