永磁調(diào)速在轉(zhuǎn)爐收塵風(fēng)機中的運用

陳 建

（涼山礦業(yè)股份有限公司，四川會理 615100）

0 引言

轉(zhuǎn)爐收塵風(fēng)機在實際運行中依靠液力耦合器調(diào)節(jié)風(fēng)機風(fēng)量，液力耦合器廠家為大連液力耦合器總廠，使用角度行程轉(zhuǎn)化為直線行程進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時轉(zhuǎn)化精度較差，誤差較大，而且反應(yīng)滯后，曲柄來回跳動、故障較多。此外，耦合器液壓油在循環(huán)使用過程中，由于環(huán)境、設(shè)備運行磨損、冷卻器故障等造成大量液壓油浪費，且冷卻器中冷卻容易水結(jié)垢、易堵塞，冷卻效果無法滿足耦合器正常運行，影響生產(chǎn)運行效率和生產(chǎn)成本。由于風(fēng)機在生產(chǎn)運行中調(diào)節(jié)風(fēng)量范圍較大，具備了永磁調(diào)速節(jié)能改造的條件。

1 永磁調(diào)速器的結(jié)構(gòu)及原理

永磁調(diào)速器主要由導(dǎo)體轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子、調(diào)節(jié)機構(gòu)三部分組成，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子固定在電動機軸上，永磁轉(zhuǎn)子固定在負(fù)載轉(zhuǎn)軸上，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子之間有間隙（稱為氣隙）。電動機與風(fēng)機之間由原來的機械連接轉(zhuǎn)變?yōu)檐涍B接，PLC 控制系統(tǒng)接收現(xiàn)場反饋的流量、壓力等過程檢測信號，對調(diào)速控制器進(jìn)行控制，控制器接收信號讓調(diào)節(jié)機構(gòu)動作，調(diào)節(jié)永磁體和導(dǎo)體之間的氣隙，導(dǎo)磁體和永磁體相對運動，導(dǎo)體組件切割磁力線，在導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生感應(yīng)磁場，與永磁體產(chǎn)生的磁場相互作用，將電動機的和轉(zhuǎn)矩傳遞到輸出軸上，永磁轉(zhuǎn)子沿著軸向往返移動改變調(diào)速器嚙合面積，嚙合面積大，輸出軸轉(zhuǎn)矩越大，負(fù)載轉(zhuǎn)速越高（圖1）。

1.1 結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點

（1）電動機和負(fù)載為通過調(diào)速器進(jìn)行軟連接，隔離振動。

（2）平滑無極調(diào)速，調(diào)速范圍0～98%，實現(xiàn)高效節(jié)能，節(jié)電率為10%～50%。

（3）設(shè)備為筒形密封結(jié)構(gòu)，基座式設(shè)計，安裝簡單，維修方便。

（4）扭矩實現(xiàn)無接觸傳遞，溫升變化小，無需專用冷卻器。

（5）控制器可同時接收現(xiàn)場或遠(yuǎn)控信號，通過執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)對電機的調(diào)速。

1.2 系統(tǒng)控制原理

永磁調(diào)速系統(tǒng)由永磁控制器、PLC 控制系統(tǒng)、電動執(zhí)行器、現(xiàn)場信號檢測（溫度、壓力、流量）等設(shè)備組成。

圖1 永磁調(diào)速器剖面結(jié)構(gòu)

PLC 控制系統(tǒng)將4～20 mA 的控制信號傳輸?shù)接来趴刂破?，電動?zhí)行機構(gòu)執(zhí)行控制器的動作，根據(jù)接收到的電流信號改變氣隙的大小，實現(xiàn)負(fù)載的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)（當(dāng)自動系統(tǒng)故障時，通過執(zhí)行器手動調(diào)節(jié)），溫度變送器實時輸出DC 4～20 mA 溫度信號至PLC，可實現(xiàn)故障報警和保護(hù)功能，速度變送器實時輸出DC 4～20 mA 速度信號至PLC 以供監(jiān)測。

供電分2 路：一路AC 220 V、5 A 供智能器的儀表電源；另一路DC 24 V、5 A 供現(xiàn)場儀表箱的儀表電源。

自動控制信號：來自PLC 的DC 4～20 mA 的控制信號，送智能器做速度調(diào)節(jié)反饋信號用。送給PLC 的DC 4～20 mA 信號有4 路：軸承溫度、導(dǎo)體轉(zhuǎn)子溫度、輸出側(cè)轉(zhuǎn)速、智能器開度反饋信號，以上的信號電纜經(jīng)現(xiàn)場儀表箱端子轉(zhuǎn)接。

儀表箱：現(xiàn)場儀表箱內(nèi)有軸承溫度探測儀變送器、導(dǎo)體轉(zhuǎn)子溫度變送器、速度變送器、智能器開度變送器可送DC 4～20 mA信號到PLC。

執(zhí)行器：由現(xiàn)場控制柜提供AC 220 V 電源，接收永磁調(diào)速系統(tǒng)發(fā)出的DC 4～20 mA 控制信號，信號4 mA 時，嚙合面積為零，風(fēng)機停止運轉(zhuǎn)；信號20 mA 時，嚙合面積最大，風(fēng)機接近額定轉(zhuǎn)速運行（圖2）。

1.3 永磁調(diào)速器的主要優(yōu)點

①調(diào)速節(jié)能：調(diào)速范圍0～98%，節(jié)電率為10%～50%。

②免維護(hù)：結(jié)構(gòu)簡單、故障點少，維護(hù)費極低，大大延長維護(hù)周期。

圖2 系統(tǒng)控制原理

③可靠性高：無損設(shè)計，適應(yīng)各種惡劣工況，壽命長達(dá)25 年。

④軟啟停：空載啟動，卸載停機，延長電機電氣使用壽命。

⑤具有過載保護(hù)功能：不怕堵轉(zhuǎn)，不怕脈沖型負(fù)載。

⑥無機械連接：容忍對心誤差，隔離并減低振動。

⑦綠色環(huán)保：無諧波、無污染物，不影響電能質(zhì)量。

⑧控制方便：易實現(xiàn)手動和自動控制，控制方式簡單、控制精度高。

2 永磁調(diào)速器節(jié)能原理

在實際生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)爐風(fēng)機并不是在滿負(fù)荷狀態(tài)下運行，它需要檢測風(fēng)機進(jìn)口煙氣量、進(jìn)出管道壓力等數(shù)據(jù)，通過流量控制元件等實現(xiàn)流量和壓力控制，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)機輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，滿足現(xiàn)場需求。

轉(zhuǎn)爐收塵風(fēng)機在使用過程中通過調(diào)節(jié)閥門開度達(dá)到出口流量和壓力的調(diào)節(jié)，電機和負(fù)載的實際轉(zhuǎn)速沒有改變，實際運行時開度<100%，煙氣經(jīng)過閥門會遇到阻力，造成非常大的能量損失；風(fēng)機出口壓力增大，此時風(fēng)機效率會偏離最佳運轉(zhuǎn)點，風(fēng)機效率降低，很多的能量都由此而浪費掉。

永磁調(diào)速器通過在線檢測風(fēng)機進(jìn)出口煙氣的流量和壓力，通過流量或壓力變送器，將檢測數(shù)據(jù)變?yōu)?～20 mA 的電流信號傳輸?shù)较到y(tǒng)PLC 控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將測量的信號與設(shè)定值進(jìn)行比較處理，在電機轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，滿足現(xiàn)場生產(chǎn)工藝的需求。

離心負(fù)載符合相似定律：

從相似定律可以看出，風(fēng)機流量和轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，設(shè)備功率與轉(zhuǎn)速的3 次方成正比，當(dāng)需要70%的額定流量時，只需電機轉(zhuǎn)速調(diào)整為額定轉(zhuǎn)速的70%，但此時設(shè)備的功率變?yōu)樵瓉淼?4.3%，所以通過降低風(fēng)機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)機流量或壓力，將會大大降低運行功率（圖3）。

風(fēng)機在運行時，其工作點是性能H—Q 曲線與管網(wǎng)H—Q曲線的交點。當(dāng)風(fēng)機將流量Q1調(diào)節(jié)到Q2時：

（1）若采用閥門調(diào)節(jié)，性能曲線不變，僅管網(wǎng)特性曲線改變，工況由A 調(diào)節(jié)到B，負(fù)載消耗的功率由矩形AQ1OH 的面積減小為矩形BQ2OH 的面積，功率變化很小。

圖3 揚程流量

（2）若采用永磁調(diào)速調(diào)節(jié)，可按需要調(diào)整負(fù)載轉(zhuǎn)速，改變設(shè)備的性能曲線，此時工況由A 調(diào)至C 點，即可使其參數(shù)滿足工藝要求，負(fù)載消耗功率為矩形CQ2OHB 的面積。相比閥門調(diào)節(jié)，減少的功率為矩形BCHBH2，即節(jié)能量ΔP=（H2-HB）×Q2，節(jié)能效果顯著。

3 永磁調(diào)速節(jié)能計算

永磁調(diào)速節(jié)電率計算P=Tn。其中，P 為電機功率，T 為電機轉(zhuǎn)矩，n 為電機轉(zhuǎn)速。

電機輸出轉(zhuǎn)矩=負(fù)載需要轉(zhuǎn)矩

風(fēng)機等離心式負(fù)載符合相似定律T1/T2=（n1/n2）2，采用永磁調(diào)速時電機轉(zhuǎn)速不變，因此電機消耗功率與負(fù)載設(shè)備的轉(zhuǎn)速比平方成正比：P1/P2=（n1/n2）2，節(jié)電率=［1-（n1/n2）2］×η（η 為永磁調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能修正數(shù)）。

轉(zhuǎn)爐收塵風(fēng)機用液力耦合器調(diào)節(jié)引風(fēng)機運行時，功率P1=√3UIcosΨη=1.732×10 000×28.5×0.84×0.98=406.4 kW。

轉(zhuǎn)爐收塵風(fēng)機永磁調(diào)速運行時，功率P2=P（n1/n0）2/0.9=560 000×（740/945）2/0.9=381.5 kW。

注意，考慮到工況影響，根據(jù)經(jīng)驗，此時功率修正系數(shù)取0.9。

使用永磁調(diào)速器后電機節(jié)能量為（406.4-381.5）kW=24.9 kW，節(jié)能率為。

安裝永磁柔性調(diào)速器后，通過電磁控制調(diào)節(jié)替代原來液耦的油量控制調(diào)節(jié)，提高調(diào)節(jié)精度（調(diào)節(jié)誤差由40～70 r/min 提高到8～20 r/min），縮短響應(yīng)時間（響應(yīng)時間由10～20 s 提高到0～10 s），設(shè)備故障率明顯下降，同時降低了能耗，提高了風(fēng)機性能。

4 結(jié)語

永磁調(diào)速器的設(shè)計壽命為25 年，不需要潤滑油，維護(hù)簡單，大幅降低維護(hù)成本，延長電機系統(tǒng)中軸承、密封件等現(xiàn)有設(shè)備壽命?？蛇m用于腐蝕、潮濕、粉塵含量高的惡劣環(huán)境。安裝過程中對中允差進(jìn)度誤差可達(dá)1mm，安裝調(diào)試方便，不產(chǎn)生振動，不影響系統(tǒng)效率，安裝調(diào)速方便，節(jié)能降耗，在現(xiàn)代化工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。