繞組式永磁調(diào)速技術(shù)在粗軋除塵系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

盧憲強(qiáng)，溫 亮

（山鋼股份萊蕪分公司板帶廠，山東萊蕪 271104）

前言

從電機(jī)轉(zhuǎn)速改變的三個(gè)因素：頻率、極對(duì)數(shù)和滑差來看，改變?nèi)魏我粋€(gè)要素將導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速改變。目前通用的調(diào)速技術(shù)包括變頻器、串級(jí)調(diào)速、雙饋調(diào)速等，基本上都是通過改變電機(jī)本身的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。但電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，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。繞組式永磁調(diào)速系統(tǒng)為機(jī)械式調(diào)速裝置，通過改變電機(jī)與負(fù)載之間的滑差實(shí)現(xiàn)調(diào)速，降低電機(jī)全調(diào)速范圍的運(yùn)行功率，其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠，能有效解決大功率電機(jī)、風(fēng)機(jī)運(yùn)行中能量浪費(fèi)的問題，較廣泛的應(yīng)用于石油、石化、電力、鋼鐵、化工等行業(yè)的電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能。

萊鋼集團(tuán)板帶廠寬厚板線粗軋除塵系統(tǒng)主要靠除塵風(fēng)機(jī)的抽力完成含塵氣體的過濾，使得塑燒板除塵器處理后的氣體達(dá)標(biāo)排放。除塵風(fēng)機(jī)通過一臺(tái)400 kW高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)出口風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)運(yùn)行，風(fēng)門擋板屬于阻力型調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程種效率較低，除塵風(fēng)機(jī)系統(tǒng)隨軋線生產(chǎn)同步連續(xù)工頻運(yùn)行，存在能源浪費(fèi)較多，且調(diào)節(jié)至某一開度時(shí)易發(fā)生喘振現(xiàn)象。針對(duì)現(xiàn)場實(shí)際情況，對(duì)粗軋除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行繞組式永磁調(diào)速改造，以達(dá)到高效節(jié)能運(yùn)行的目的。

1 繞組式永磁耦合調(diào)速器原理

如圖1 所示，繞組式永磁耦合調(diào)速器結(jié)構(gòu)類似于永磁發(fā)電機(jī)，是由永磁轉(zhuǎn)子、繞組轉(zhuǎn)子以及控制系統(tǒng)組成的非接觸永磁傳動(dòng)技術(shù)［1］。

圖1 繞組永磁調(diào)速器原理圖

永磁轉(zhuǎn)子連接于電機(jī)側(cè)，繞組轉(zhuǎn)子連接于負(fù)載側(cè)，工作時(shí)永磁轉(zhuǎn)子與繞組轉(zhuǎn)子存在轉(zhuǎn)速差，在繞組種產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；控制繞組中感應(yīng)電流的通斷以及大小，實(shí)現(xiàn)離合、調(diào)速調(diào)矩和軟起功能。在傳遞動(dòng)力的同時(shí)，將轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)變成電能引出反饋再利用，高效、節(jié)能，徹底解決了其他轉(zhuǎn)差類調(diào)速設(shè)備的溫升問題。

2 繞組式永磁調(diào)速與高壓變頻器調(diào)速技術(shù)比較

繞組式永磁調(diào)速與變頻調(diào)速的性能對(duì)比，如表1所示。

表1 繞組式永磁調(diào)速與變頻調(diào)速的性能對(duì)比

3 改造實(shí)施

整個(gè)改造包括前期對(duì)繞組永磁調(diào)速器及調(diào)速控制器選型，后期具體工作內(nèi)容包括基礎(chǔ)改造、電機(jī)底座加長、控制柜安裝、增加電動(dòng)執(zhí)行器基礎(chǔ)、控制及動(dòng)力電纜的鋪設(shè)、控制程序的編制及永磁調(diào)速裝置安裝調(diào)試等工作。

繞組永磁調(diào)速器配套選型見表2。

表2 繞組永磁調(diào)速器選型

繞組永磁調(diào)速器尺寸為1 700 × 1 302 ×1 268 mm，將其安裝在電機(jī)和負(fù)載風(fēng)機(jī)之間，電機(jī)需后移1 700 mm，現(xiàn)場安裝布置見圖2。

圖2 繞組永磁調(diào)速器現(xiàn)場安裝布置示意圖

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定可靠性

下面從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行策略兩方面對(duì)繞組式永磁耦合調(diào)速方案的穩(wěn)定可靠性進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 繞組永磁調(diào)速系統(tǒng)示意圖

（1）機(jī)械本體：調(diào)速器本體由永磁轉(zhuǎn)子、繞組轉(zhuǎn)子、集電環(huán)和碳刷構(gòu)成，類似于永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，具有電機(jī)的可靠性，本體部分始終處于正常工作溫度，自然散熱即可滿足散熱要求，無高溫失磁風(fēng)險(xiǎn)，可靠性高，壽命長。

（2）電氣控制系統(tǒng)：繞組永磁調(diào)速變流控制的功率只是總功率的一部分（轉(zhuǎn)差功率不超過額定功率的14.815%），升壓變壓器之前部分屬于電壓電氣，為低電壓、小功率控制，具有低壓電氣的可靠性。

（3）電氣運(yùn)行策略：系統(tǒng)設(shè)置了3種電氣運(yùn)行模式，并且在極限情況發(fā)生時(shí)均可全自動(dòng)無縫切換，互為備用。正常運(yùn)行時(shí)，采用整流回饋的形式將轉(zhuǎn)差能量進(jìn)行高效回收利用，實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速；當(dāng)出現(xiàn)故障或電網(wǎng)電能質(zhì)量波動(dòng)較大時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)無縫切換至備用的電阻柜調(diào)速，可根據(jù)要求配置多檔位電阻，實(shí)現(xiàn)定檔定速調(diào)速；若實(shí)際工況不能滿足無極調(diào)速和電阻調(diào)速運(yùn)行條件時(shí)，繞組線圈會(huì)自動(dòng)短接，直接切換至全速（工頻）運(yùn)行。

（4）機(jī)械運(yùn)行模式：當(dāng)所有電氣部分失效甚至機(jī)械本體出現(xiàn)故障時(shí)，可以直接用備用的彈性直連銷將內(nèi)外轉(zhuǎn)子連接，作為彈性聯(lián)軸器來使用（機(jī)械本體基本不會(huì)故障）。

5 改造效果

使用繞組永磁調(diào)速系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)之前，將入出口風(fēng)量調(diào)節(jié)閥閥門全開，調(diào)節(jié)調(diào)速器繞組轉(zhuǎn)子內(nèi)部電流實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)速的目的。在滿足工況要求的情況下，用調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)速的方法實(shí)現(xiàn)更為顯著的節(jié)電效果。同時(shí)，電機(jī)帶繞組永磁調(diào)速器內(nèi)轉(zhuǎn)子空載起動(dòng)，可以有效緩解電機(jī)工頻啟動(dòng)對(duì)10 kV 電網(wǎng)造成的沖擊和電壓波動(dòng)。

改造實(shí)施后，為了檢驗(yàn)改造前后相同工況下繞組永磁調(diào)速器的真實(shí)節(jié)電性能，安排同生產(chǎn)工況、運(yùn)行條件進(jìn)行節(jié)電對(duì)比，經(jīng)測算，平均每小時(shí)耗電量由146 kWh 降至89 kWh，節(jié)電率可達(dá)到39%，節(jié)電效果明顯。同時(shí)現(xiàn)場風(fēng)機(jī)閥門及管路振動(dòng)也明顯降低，永磁調(diào)速器有著結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，不產(chǎn)生諧波，電磁干擾小，在風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能改造具有較為廣闊的應(yīng)用空間。