永磁調速器在風機調速控制的應用與分析

楊建滿

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

關鍵詞：永磁調速器;間隙;機械特性;管網特性：節流;調速;節能

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當中，尤其是在鋼鐵冶金行業，中大型風機作為重要設備在各道工序中廣泛使用，而且，隨著國家能源環保工作的不斷深入，環保除塵設備的裝機量大大增加。風機已經成為鋼鐵冶金企業的主要耗能設備之一。因此，實現風機設備的經濟運行，對推進企業節能減排，提高經濟效益和社會效益具有十分重要的意義。

風機采用調速控制方式是實現風機經濟運行的重要手段。多年來，國家有關部門一直大力推進對傳統節流調控方式的風機進行調速控制改造的工作。風機的調速控制主要有以下幾種方法：多速電動機、調壓調速、變頻調速、液力耦合器、永磁調速器等，變頻調速技術起步較早，發展成熟是風機節能改造最普遍采用的方法。永磁調速器由美國Magna?Drive公司于1999年首先研制成功，相關產品和技術在國內的應用起步較晚，但憑借其獨特優勢，在風機、泵類等設備的調速控制領域得到了快速發展。

1永磁調速器的工作原理

永磁調速器屬于一種磁力耦合器，是具有調速功能的聯軸器裝置。其工作原理是導體盤在環形分布的永磁體盤的磁場中做切割磁力線轉動時，導體盤內部產生渦流，渦流產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，即永磁體盤與導體盤同向旋轉，從而將原動機的轉速和轉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，氣隙磁密發生變化，感應產生的電磁轉矩也就隨之變化，最終達到調節負載轉速的目的”。

2永磁調速系統的機械特性分析

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

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

3永磁調速器的應用實例

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節方式，鼓風機采用進口風門和出口調節閥配合調節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能改造項目，并選用了永磁調速方案。

3.1永磁調速器選型

由于沒有內部實踐經驗可借鑒，改造項目主要依賴于永磁調速器制造廠家技術人員根據電機及風機的技術數據和現場使用狀況擬定設計方案，并指導相關技術人員完成永磁調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據統計見表1。

永磁調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，適用轉速范圍為750rpm～3000rpm;典型應用中，電機轉速3000rpm時傳動功率小于250kW;電機轉速1500rpm時傳動功率小于300kW。水冷型最大傳動功率可達4000kW，最高轉速可達3000rpm。因此，根據風機名牌數據，選擇使用的永磁調速器型號為XL一DZ-250，峰值扭矩≥3216N·m，調速范圍20%～98%。

3.2永磁調速器安裝、調試和改進

按照永磁調速器的安裝尺寸改造電機基礎和地腳，完成現場的設備安裝工作。對加熱爐燃燒PLC系統進行擴容改造并修改控制程序和上位機畫面，敷設電動執行器控制電纜及永磁調速器相關的檢測信號電纜，將永磁調速器的控制納入PLC系統。永磁調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根據壓力、流量及溫度數據自動計算并調整設定值等三種控制方式2。

設備安裝完成后，首先調試電動執行器，使其100%行程.與調速器間隙的最大調節范圍相對應，最初設定的調節范圍為2～25mm。其次，測試改造后的永磁調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所需的最大流量。以鼓風機性能測試為例，設定進出口調節閥開度均為100%，同時調整引風機轉速，保持爐膛內外壓力均衡，使風機處于最大消耗功率狀態下。記錄調速執行器在不同設定值下鼓風機的運行數據，詳見表2。

改造前，鼓風機正常生產所需最大流量為56000Nm3/h，執行器設定值為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要求，但在實際運行中還存在以下問題：（1）執行器的有效調速范圍小于設計范圍。按照設計調速執行器0～100%的設定值應與20%～98%的風機轉速對應，實際中調速執行器0～93%的設定值對應轉速范圍為30.3%～98%，主要原因是永磁調速器的實際功率偏大。（2）當加熱爐處于“壓火”保溫狀態，調速執行器設定值為0，風機轉速仍高達1300r/min以上，出現喘振現象[3]。轉速升高是由于“壓火”保溫狀態下各流量調節閥開度減小，管網阻力大幅增加，風機負荷減小，風機工作點沿機械特性曲線向上移動。n，為調速執行器設定值為0時的風機機械特性曲線，R。和R。分別為流量調節閥開度100%和10%時的管網特性曲線，當流量調節閥開度從100%減小到10%時，風機工作點就會由m，變為m2，，轉速從450r/min上升至1320r/min。導致這一現象的原因仍然是永磁調速器的實際功率偏大，最大調節間隙下，調速器輸出的功率大于設計值。調速執行器給定值為0時，流量調節閥開度與風機轉速的關系如圖3所示。

根據問題原因，將調速器永磁體的數量減少5%，最大調節間隙從25mm增加到35mm后，執行器的調節范圍與風機轉速的變化范圍基本匹配，風機最低轉速降低到300r/min，使風機的調速范圍達到永磁調速器設計所要求的20%～98%。

3.3永磁調速器應用效果及評價

經過兩年的生產實踐，永磁調速器的優點主要體現在以下幾個方面：①實現了風機的調速和軟啟動控制;②通過磁力耦合傳遞轉矩，沒有直接的機械接觸，大大減弱了機械振動的傳遞;③主體為純機械結構，具有較高的穩定性和可靠性;④環境適應性強，維修技術門檻低，易于維護保養。加熱爐風機永磁調速器改造完全達到預期目標并取得顯著效果，既實現了設備的低成本穩定運行，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、均熱段各支管的調節閥開啟度為7%～70%，風機每天平均耗電量為12522kW·h;改造后，各段調節閥開啟度為40%～100%，每天平均耗電量為9863kW·h;綜合節電率達到21.2%。

結束語

永磁調速技術作為一項新技術，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，環境適應性強等其它調速技術不可比擬的特點，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速技術的應用積累了寶貴經驗，隨著在實踐中持續完善和永磁材料的發展，永磁調速技術將會更加成熟，應用前景也會更加廣：闊。

參考文獻

[1]吳曉波，張磊，蘭，等.簡式永磁調速器在風機上的應用及節能分析[J].甘肅科學學報，2017，29（4）：117-120.

[2]欒榮華，崔守娟.基于永磁調速技術的風機系統節能改造[J].科技資訊，2015，13（23）：77-78.

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