永磁調(diào)速器在風機調(diào)速控制的應用與分析

楊建滿

摘要：結(jié)合永磁調(diào)速器在唐鋼中厚板公司蓄熱式加熱爐風機的應用，對永磁調(diào)速器的工作原理、機械特性、運行效果、節(jié)能效果以及加熱爐生產(chǎn)工藝的適用性進行分析和研究。結(jié)果證明：永磁調(diào)速技術(shù)能夠較好地滿足加熱爐熱負荷變化對風機流量、壓力工藝參數(shù)調(diào)節(jié)的需求，可節(jié)電約20%，有效提高風機系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：永磁調(diào)速器;間隙;機械特性;管網(wǎng)特性：節(jié)流;調(diào)速;節(jié)能

中圖分類號：TV732.7

文獻標識碼：A

文章編號：2095-6487（2019）03-0110-03

0引言

風機作為一種通用設備，廣泛應用在各行各業(yè)當中，尤其是在鋼鐵冶金行業(yè)，中大型風機作為重要設備在各道工序中廣泛使用，而且，隨著國家能源環(huán)保工作的不斷深入，環(huán)保除塵設備的裝機量大大增加。風機已經(jīng)成為鋼鐵冶金企業(yè)的主要耗能設備之一。因此，實現(xiàn)風機設備的經(jīng)濟運行，對推進企業(yè)節(jié)能減排，提高經(jīng)濟效益和社會效益具有十分重要的意義。

風機采用調(diào)速控制方式是實現(xiàn)風機經(jīng)濟運行的重要手段。多年來，國家有關(guān)部門一直大力推進對傳統(tǒng)節(jié)流調(diào)控方式的風機進行調(diào)速控制改造的工作。風機的調(diào)速控制主要有以下幾種方法：多速電動機、調(diào)壓調(diào)速、變頻調(diào)速、液力耦合器、永磁調(diào)速器等，變頻調(diào)速技術(shù)起步較早，發(fā)展成熟是風機節(jié)能改造最普遍采用的方法。永磁調(diào)速器由美國Magna?Drive公司于1999年首先研制成功，相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)在國內(nèi)的應用起步較晚，但憑借其獨特優(yōu)勢，在風機、泵類等設備的調(diào)速控制領域得到了快速發(fā)展。

1永磁調(diào)速器的工作原理

永磁調(diào)速器屬于一種磁力耦合器，是具有調(diào)速功能的聯(lián)軸器裝置。其工作原理是導體盤在環(huán)形分布的永磁體盤的磁場中做切割磁力線轉(zhuǎn)動時，導體盤內(nèi)部產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的感應磁場與永磁體磁場相互作用，使永磁體盤向著減小與導體間相對運動的方向旋轉(zhuǎn)，即永磁體盤與導體盤同向旋轉(zhuǎn)，從而將原動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩傳遞至負載輸入軸。如果改變導體盤和永磁體盤之間的距離或嚙合面積，氣隙磁密發(fā)生變化，感應產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也就隨之變化，最終達到調(diào)節(jié)負載轉(zhuǎn)速的目的”。

2永磁調(diào)速系統(tǒng)的機械特性分析

永磁調(diào)速器是通過改變轉(zhuǎn)速差的方式來實現(xiàn)調(diào)速功能的。對于一個由三相異步電動機通過永磁調(diào)速器驅(qū)動的負載系統(tǒng)來講，其調(diào)速特性與普通三相異步電動機的變轉(zhuǎn)差率調(diào)速相似。最主要的區(qū)別是永磁調(diào)速系統(tǒng)過程中不同轉(zhuǎn)差率對應的最大轉(zhuǎn)矩不是恒定的，隨著永磁調(diào)速器氣隙的增大而逐漸減小，也就是隨著設定轉(zhuǎn)速的減小而減小。負載為恒定負載時，不同設定轉(zhuǎn)速對應的機械特性曲線的最大轉(zhuǎn)矩點將沿著轉(zhuǎn)差率S=I時的最小起動轉(zhuǎn)矩T。點和轉(zhuǎn)差率最小Smin時對應的最大轉(zhuǎn)矩Tmax點之間連線的斜率變化，如圖1所示。

對于風機、泵類變轉(zhuǎn)矩負載，其機械特性曲線與管網(wǎng)特性有關(guān)，不同的管網(wǎng)特性下，起動過程不同，風機工作點跟隨設定速度的變化沿著管網(wǎng)特性曲線移動。風機系統(tǒng)的運行狀態(tài)在風機特性和管網(wǎng)特性的共同作用下決定的，風機特性曲線和管網(wǎng)特性曲線的交叉點就是風機的工作點。在不同的調(diào)節(jié)間隙下起動風機電機，永磁調(diào)速器就會輸出不同的轉(zhuǎn)矩到風機輸入軸，間隙越小輸出的轉(zhuǎn)矩越大。由于系統(tǒng)啟動瞬間永磁調(diào)速器主、從動盤的轉(zhuǎn)差率非常大，導體感應產(chǎn)生強大的渦流，此時渦流產(chǎn)生的感應磁場對原磁場嚴重削弱，渦流對轉(zhuǎn)矩的增益作用大于轉(zhuǎn)速差增大對轉(zhuǎn)矩的削弱作用，使得輸出轉(zhuǎn)矩減小，所以啟動瞬間永磁調(diào)速器的輸入轉(zhuǎn)速越大，轉(zhuǎn)速差就越大，輸出轉(zhuǎn)矩相對越小。隨著輸出轉(zhuǎn)矩的振蕩增加，轉(zhuǎn)速逐漸升高，轉(zhuǎn)矩達到最大值后，經(jīng)過振蕩調(diào)整，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定，風機在機械特性與管網(wǎng)特性的交點處平穩(wěn)運行，起動過程結(jié)束，如圖2所示。n。為電機同步轉(zhuǎn)速，n。為永磁調(diào)速器最小氣隙時的輸出轉(zhuǎn)速，n。為永磁調(diào)速器最大氣隙時的輸出轉(zhuǎn)速，n。和n。為中間氣隙時輸出轉(zhuǎn)速，也就是n。>np>n.>ng。

3永磁調(diào)速器的應用實例

唐鋼中厚板公司軋鋼二線加熱爐原設計中引風機采用進口風門調(diào)節(jié)方式，鼓風機采用進口風門和出口調(diào)節(jié)閥配合調(diào)節(jié)方式控制流量的變化，造成很大的能源浪費，隨著公司能源管控工作的不斷深化，該加熱爐風機列入節(jié)能改造項目，并選用了永磁調(diào)速方案。

3.1永磁調(diào)速器選型

由于沒有內(nèi)部實踐經(jīng)驗可借鑒，改造項目主要依賴于永磁調(diào)速器制造廠家技術(shù)人員根據(jù)電機及風機的技術(shù)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場使用狀況擬定設計方案，并指導相關(guān)技術(shù)人員完成永磁調(diào)速器的計算和選型工作。改造項目中加熱爐風機和電機銘牌數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

永磁調(diào)速器分為空冷型和水冷型兩種。目前，空冷型最大傳動功率為500kW，適用轉(zhuǎn)速范圍為750rpm～3000rpm;典型應用中，電機轉(zhuǎn)速3000rpm時傳動功率小于250kW;電機轉(zhuǎn)速1500rpm時傳動功率小于300kW。水冷型最大傳動功率可達4000kW，最高轉(zhuǎn)速可達3000rpm。因此，根據(jù)風機名牌數(shù)據(jù)，選擇使用的永磁調(diào)速器型號為XL一DZ-250，峰值扭矩≥3216N·m，調(diào)速范圍20%～98%。

3.2永磁調(diào)速器安裝、調(diào)試和改進

按照永磁調(diào)速器的安裝尺寸改造電機基礎和地腳，完成現(xiàn)場的設備安裝工作。對加熱爐燃燒PLC系統(tǒng)進行擴容改造并修改控制程序和上位機畫面，敷設電動執(zhí)行器控制電纜及永磁調(diào)速器相關(guān)的檢測信號電纜，將永磁調(diào)速器的控制納入PLC系統(tǒng)。永磁調(diào)速器采用機旁手動操作、上位機人工輸入設定值和燃燒系統(tǒng)根據(jù)壓力、流量及溫度數(shù)據(jù)自動計算并調(diào)整設定值等三種控制方式2。

設備安裝完成后，首先調(diào)試電動執(zhí)行器，使其100%行程.與調(diào)速器間隙的最大調(diào)節(jié)范圍相對應，最初設定的調(diào)節(jié)范圍為2～25mm。其次，測試改造后的永磁調(diào)速器功率是否與風機功率匹配，提供的最大風量是否能夠達到正常生產(chǎn)所需的最大流量。以鼓風機性能測試為例，設定進出口調(diào)節(jié)閥開度均為100%，同時調(diào)整引風機轉(zhuǎn)速，保持爐膛內(nèi)外壓力均衡，使風機處于最大消耗功率狀態(tài)下。記錄調(diào)速執(zhí)行器在不同設定值下鼓風機的運行數(shù)據(jù)，詳見表2。

改造前，鼓風機正常生產(chǎn)所需最大流量為56000Nm3/h，執(zhí)行器設定值為93%時，對應流量為56200Nm*/h。所以說，改造后的鼓風機能夠滿足生產(chǎn)要求，但在實際運行中還存在以下問題：（1）執(zhí)行器的有效調(diào)速范圍小于設計范圍。按照設計調(diào)速執(zhí)行器0～100%的設定值應與20%～98%的風機轉(zhuǎn)速對應，實際中調(diào)速執(zhí)行器0～93%的設定值對應轉(zhuǎn)速范圍為30.3%～98%，主要原因是永磁調(diào)速器的實際功率偏大。（2）當加熱爐處于“壓火”保溫狀態(tài)，調(diào)速執(zhí)行器設定值為0，風機轉(zhuǎn)速仍高達1300r/min以上，出現(xiàn)喘振現(xiàn)象[3]。轉(zhuǎn)速升高是由于“壓火”保溫狀態(tài)下各流量調(diào)節(jié)閥開度減小，管網(wǎng)阻力大幅增加，風機負荷減小，風機工作點沿機械特性曲線向上移動。n，為調(diào)速執(zhí)行器設定值為0時的風機機械特性曲線，R。和R。分別為流量調(diào)節(jié)閥開度100%和10%時的管網(wǎng)特性曲線，當流量調(diào)節(jié)閥開度從100%減小到10%時，風機工作點就會由m，變?yōu)閙2，，轉(zhuǎn)速從450r/min上升至1320r/min。導致這一現(xiàn)象的原因仍然是永磁調(diào)速器的實際功率偏大，最大調(diào)節(jié)間隙下，調(diào)速器輸出的功率大于設計值。調(diào)速執(zhí)行器給定值為0時，流量調(diào)節(jié)閥開度與風機轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖3所示。

根據(jù)問題原因，將調(diào)速器永磁體的數(shù)量減少5%，最大調(diào)節(jié)間隙從25mm增加到35mm后，執(zhí)行器的調(diào)節(jié)范圍與風機轉(zhuǎn)速的變化范圍基本匹配，風機最低轉(zhuǎn)速降低到300r/min，使風機的調(diào)速范圍達到永磁調(diào)速器設計所要求的20%～98%。

3.3永磁調(diào)速器應用效果及評價

經(jīng)過兩年的生產(chǎn)實踐，永磁調(diào)速器的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①實現(xiàn)了風機的調(diào)速和軟啟動控制;②通過磁力耦合傳遞轉(zhuǎn)矩，沒有直接的機械接觸，大大減弱了機械振動的傳遞;③主體為純機械結(jié)構(gòu)，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性;④環(huán)境適應性強，維修技術(shù)門檻低，易于維護保養(yǎng)。加熱爐風機永磁調(diào)速器改造完全達到預期目標并取得顯著效果，既實現(xiàn)了設備的低成本穩(wěn)定運行，又使加熱爐的能源消耗指標得到大幅下降。改造前加熱爐預熱段、加熱1段、加熱2段、均熱段各支管的調(diào)節(jié)閥開啟度為7%～70%，風機每天平均耗電量為12522kW·h;改造后，各段調(diào)節(jié)閥開啟度為40%～100%，每天平均耗電量為9863kW·h;綜合節(jié)電率達到21.2%。

結(jié)束語

永磁調(diào)速技術(shù)作為一項新技術(shù)，雖然在實際應用中的起步較晚，但因其具有使用壽命長，可靠性高，環(huán)境適應性強等其它調(diào)速技術(shù)不可比擬的特點，在許多領域得到快速推廣和應用。此次改造的成功為永磁調(diào)速技術(shù)的應用積累了寶貴經(jīng)驗，隨著在實踐中持續(xù)完善和永磁材料的發(fā)展，永磁調(diào)速技術(shù)將會更加成熟，應用前景也會更加廣：闊。

參考文獻

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[2]欒榮華，崔守娟.基于永磁調(diào)速技術(shù)的風機系統(tǒng)節(jié)能改造[J].科技資訊，2015，13（23）：77-78.

[3]陳義勛，李英.單片機直流電機調(diào)速系統(tǒng)設計分析[J].信息周刊2018（10）：88-90.