基于永磁調速技術的風機系統節能改造

欒榮華+崔守娟

摘 要：永磁調速是非機械硬連接無級調速技術，具有結構簡單、運行可靠、環境適應性好等特點，在石油化工領域有著廣泛的應用。本文簡要介紹了永磁調速器（PMD ）的工作原理，比較了其與變頻器的優勢，本方案所涉及的75KW永磁耦合調速器是專為A化工集團1#風機進行調速控制，實現節能減排的設備，它具有平滑無級調速、高功率因素、高調速精度以及滑差功率逆變回收等特點。

關鍵詞：永磁調速 風機 改造 節能

中圖分類號：TK223 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（b）-0000-00

0 引言

永磁調速器（PMD）具有高效節能，高可靠性，無剛性連接傳遞轉矩，可在惡劣環境下應用，極大減少整體系統振動，減少系統維護和延長系統使用壽命等特點。尤其是其不產生高次諧波且低速下不造成電動機發熱的優良調速特性，更使其成為風機及泵類設備節能技術改 造 的 優 選 之 一。

1 PMD的工作原理

從電機轉速改變的三個因素：頻率、極對數和滑差來看，改變任何一個要素將導致電機轉速改變。

現有的調速裝置，除永磁調速和液力調速技術外，基本上都是通過改變電機本身的轉速實現調速的。我們知道，電機在運轉過程中，因電能消耗，電機線圈、硅鋼片、機械摩擦都會造成電機發熱，因此，電機內部都設計了風葉用以冷卻電機。采用改變電機轉速的技術，包括變頻器、串級調速、雙饋調速，在電機低速旋轉時，電機的發熱都很大，有時不得不使用外部風扇幫助散熱[1]。

變頻器調速，因為變頻器產生的正弦波實際是由方波疊加而成，高次諧波很多，電流的趨膚效應導致電機線圈發熱，影響絕緣強度，應該更換絕緣等級更高的電機，如果不更換，電機的可靠性將大大下降，甚至造成絕緣擊穿損壞，采用永磁調速技術，不會改變電機的輸入電壓、電流和頻率，因此不會要求改造原電機系統[2]。

PMD 是透過氣隙傳遞轉矩的傳動設備，電動機與負載設備轉軸之間無需機械連接，電動機旋轉時帶動導磁盤在裝有強力稀土磁鐵的磁盤所產生的強磁場中切割磁力線，在導磁盤中產生渦電流，該渦電流在導磁盤上產生反向磁場，拉動導磁盤與磁盤的相對運動，從而實現了電動機與負載之間的轉矩傳輸。執行器調節兩個轉體之間空氣間隙的大小，通過負載轉矩的調節實現負載輸出速度的控制，電動機輸出到 PMD 的轉矩和 PMD 輸出到負載轉矩相等。根據負載實際運行過程中轉矩的大小調整電動機輸出端 （ PMD 輸入端的轉矩） 。PMD 輸入速度 （ 電動機端） 和輸出速度 （ 負載端） 不一樣，原因是由于PMD兩個轉體之間的空氣間隙的存在使得輸出速度要比輸入速度小，即產生滑差，滑差大小決定傳遞轉矩的大小，從而實現了電機與負載之間的轉矩傳輸。

2 永磁調速器改造方案

由于電機轉矩與轉速的二次方成正比，功率與轉速的三次方成正比，因此通過對輸出負載轉速的調節可以大幅降低負載功率。75KW永磁耦合調速器就是利用對輸出負載轉速的調節降低負載輸出功率，同時通過逆變、濾波和變壓器調壓的手段重新將收集到的滑差功率輸入到一個22KW的負載水泵上，實現節能。

（1）系統組成

A化工集團1#風機由電機控制室安裝的變頻器直接控制，由于變頻器頻繁故障，目前處于硬啟動且全速工作狀態，急需進行節能改造。

75KW永磁耦合調速器由三個部分組成：永磁耦合器、調速控制器以及逆變變壓器，應用其對A化工集團1#風機進行節能改造安裝示意圖如圖2。在原有電機控制基礎上，電機與負載之間安裝永磁耦合器，實現傳動輸出；在調速控制室安裝調速控制器，控制永磁耦合器轉速輸出；調速控制室與電機控制室通過控制電纜連接，實現起動和停止信號的傳輸。

（2）電氣改造

圖1 75KW永磁耦合調速器電氣改造框圖

如圖1所示，W3、W6電纜A集團目前已經存在，不用更改。

W1電纜為連接調速控制器與永磁耦合器的電纜，兩頭分別固定在控制器（調速控制室）和耦合器（冷卻塔）上，線長約100米。W2電纜為調速控制器供電電纜，需要連接380V交流電到設備上，線長約10米。W4電纜為調速控制器逆變電纜，需要連接逆變變壓器上，線長約5米。W5電纜為滑差功率逆變驅動負載水泵的連接電纜，線長約20米。W7為控制電纜，連接電機高壓控制柜（電機控制室）和調速控制器（調速控制室），主要獲取驅動電機高壓柜里邊的電機起動信號，只有當調速控制器檢測到驅動電機已經起動完畢后，才能進行后續的起動和調速流程。同時，當調速控制器檢測到驅動電機已經停止或者調速控制器控制面板上輸入了停止指令后，調速控制器自動進入軟停止流程，控制電機和系統停止工作，線長約200米。

3 系統工作過程

記冷卻水泵功率為P1=75KW，負載水泵為P2=22KW，控制柜全速輸出功率為P3，電機控制室電能表輸出Q1，調速控制室電能表輸出Q2，則

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

系統工作過程如下：（1）給驅動電機加電，實現電機的空載啟動；（2）調速控制器“起動”按鈕可實現系統的軟啟動控制，并控制系統進入全速工作狀態；（3）調速控制器進入調速模式，控制系統調速，實現輸出功率的調節；（4）調速控制器逆變模塊工作，將收集到的滑差功率逆變為與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，并供應一個22KW的負載水泵工作，實現電能的回收；（6）調速控制器“停止”按鈕可實現驅動電機和永磁耦合器和停止控制。

4 結束語

永磁調速技術在 A化工集團1#風機中的改造應用，效果是顯著的，其改造后的系統具有以下優點：（1）節電降耗：根據電機運行的實際工況，通過現場控制實現轉速調節，以滿足工藝的各種工況需求。改變傳統的調節模式，節約電能；

（2） 解決了電機振動等造成的相關問題，大大降低了系統的故障率，延長了電機和負載的壽命。主要是可以顯著地延長軸承和密封件的壽命，大大減少了系統的備品備件消耗和降低維護費用；（3）具有軟啟動/軟停機功能：可有效降低電機的啟動電流，負載可有選擇啟動/停止，大大提高系統啟、停性能。

永磁調速器具有較好的節能減排效果，可產生巨大的社會效益。在煉化企業具有較好的應用前景和推廣價值。

參考文獻

[1] 吳順根.永磁調速裝置的節能性能試驗[J].上海電力學院學報，2009，25（3）：261-263

[2] 趙國祥，馬文靜等.永磁調速驅動器在閉式冷卻水泵上的節能改造[J].節能，2010，（4）：41-43