永磁調速在轉爐收塵風機中的運用

陳 建

（涼山礦業股份有限公司，四川會理 615100）

0 引言

轉爐收塵風機在實際運行中依靠液力耦合器調節風機風量，液力耦合器廠家為大連液力耦合器總廠，使用角度行程轉化為直線行程進行轉速調節，轉速調節時轉化精度較差，誤差較大，而且反應滯后，曲柄來回跳動、故障較多。此外，耦合器液壓油在循環使用過程中，由于環境、設備運行磨損、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垢、易堵塞，冷卻效果無法滿足耦合器正常運行，影響生產運行效率和生產成本。由于風機在生產運行中調節風量范圍較大，具備了永磁調速節能改造的條件。

1 永磁調速器的結構及原理

永磁調速器主要由導體轉子、永磁轉子、調節機構三部分組成，導體轉子固定在電動機軸上，永磁轉子固定在負載轉軸上，導體轉子和永磁轉子之間有間隙（稱為氣隙）。電動機與風機之間由原來的機械連接轉變為軟連接，PLC 控制系統接收現場反饋的流量、壓力等過程檢測信號，對調速控制器進行控制，控制器接收信號讓調節機構動作，調節永磁體和導體之間的氣隙，導磁體和永磁體相對運動，導體組件切割磁力線，在導體中產生渦流，渦流產生感應磁場，與永磁體產生的磁場相互作用，將電動機的和轉矩傳遞到輸出軸上，永磁轉子沿著軸向往返移動改變調速器嚙合面積，嚙合面積大，輸出軸轉矩越大，負載轉速越高（圖1）。

1.1 結構及技術特點

（1）電動機和負載為通過調速器進行軟連接，隔離振動。

（2）平滑無極調速，調速范圍0～98%，實現高效節能，節電率為10%～50%。

（3）設備為筒形密封結構，基座式設計，安裝簡單，維修方便。

（4）扭矩實現無接觸傳遞，溫升變化小，無需專用冷卻器。

（5）控制器可同時接收現場或遠控信號，通過執行機構實現對電機的調速。

1.2 系統控制原理

永磁調速系統由永磁控制器、PLC 控制系統、電動執行器、現場信號檢測（溫度、壓力、流量）等設備組成。

圖1 永磁調速器剖面結構

PLC 控制系統將4～20 mA 的控制信號傳輸到永磁控制器，電動執行機構執行控制器的動作，根據接收到的電流信號改變氣隙的大小，實現負載的轉速調節（當自動系統故障時，通過執行器手動調節），溫度變送器實時輸出DC 4～20 mA 溫度信號至PLC，可實現故障報警和保護功能，速度變送器實時輸出DC 4～20 mA 速度信號至PLC 以供監測。

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，送智能器做速度調節反饋信號用。送給PLC 的DC 4～20 mA 信號有4 路：軸承溫度、導體轉子溫度、輸出側轉速、智能器開度反饋信號，以上的信號電纜經現場儀表箱端子轉接。

儀表箱：現場儀表箱內有軸承溫度探測儀變送器、導體轉子溫度變送器、速度變送器、智能器開度變送器可送DC 4～20 mA信號到PLC。

執行器：由現場控制柜提供AC 220 V 電源，接收永磁調速系統發出的DC 4～20 mA 控制信號，信號4 mA 時，嚙合面積為零，風機停止運轉；信號20 mA 時，嚙合面積最大，風機接近額定轉速運行（圖2）。

1.3 永磁調速器的主要優點

①調速節能：調速范圍0～98%，節電率為10%～50%。

②免維護：結構簡單、故障點少，維護費極低，大大延長維護周期。

圖2 系統控制原理

③可靠性高：無損設計，適應各種惡劣工況，壽命長達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具有過載保護功能：不怕堵轉，不怕脈沖型負載。

⑥無機械連接：容忍對心誤差，隔離并減低振動。

⑦綠色環保：無諧波、無污染物，不影響電能質量。

⑧控制方便：易實現手動和自動控制，控制方式簡單、控制精度高。

2 永磁調速器節能原理

在實際生產中，轉爐風機并不是在滿負荷狀態下運行，它需要檢測風機進口煙氣量、進出管道壓力等數據，通過流量控制元件等實現流量和壓力控制，達到調節風機輸出扭矩和轉速，滿足現場需求。

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

永磁調速器通過在線檢測風機進出口煙氣的流量和壓力，通過流量或壓力變送器，將檢測數據變為4～20 mA 的電流信號傳輸到系統PLC 控制系統，控制系統將測量的信號與設定值進行比較處理，在電機轉速不變的情況下，通過調節風機轉速，滿足現場生產工藝的需求。

離心負載符合相似定律：

從相似定律可以看出，風機流量和轉速成正比關系，設備功率與轉速的3 次方成正比，當需要70%的額定流量時，只需電機轉速調整為額定轉速的70%，但此時設備的功率變為原來的34.3%，所以通過降低風機轉速來調節風機流量或壓力，將會大大降低運行功率（圖3）。

風機在運行時，其工作點是性能H—Q 曲線與管網H—Q曲線的交點。當風機將流量Q1調節到Q2時：

（1）若采用閥門調節，性能曲線不變，僅管網特性曲線改變，工況由A 調節到B，負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）若采用永磁調速調節，可按需要調整負載轉速，改變設備的性能曲線，此時工況由A 調至C 點，即可使其參數滿足工藝要求，負載消耗功率為矩形CQ2OHB 的面積。相比閥門調節，減少的功率為矩形BCHBH2，即節能量ΔP=（H2-HB）×Q2，節能效果顯著。

3 永磁調速節能計算

永磁調速節電率計算P=Tn。其中，P 為電機功率，T 為電機轉矩，n 為電機轉速。

電機輸出轉矩=負載需要轉矩

風機等離心式負載符合相似定律T1/T2=（n1/n2）2，采用永磁調速時電機轉速不變，因此電機消耗功率與負載設備的轉速比平方成正比：P1/P2=（n1/n2）2，節電率=［1-（n1/n2）2］×η（η 為永磁調速系統節能修正數）。

轉爐收塵風機用液力耦合器調節引風機運行時，功率P1=√3UIcosΨη=1.732×10 000×28.5×0.84×0.98=406.4 kW。

轉爐收塵風機永磁調速運行時，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，根據經驗，此時功率修正系數取0.9。

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

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

4 結語

永磁調速器的設計壽命為25 年，不需要潤滑油，維護簡單，大幅降低維護成本，延長電機系統中軸承、密封件等現有設備壽命。可適用于腐蝕、潮濕、粉塵含量高的惡劣環境。安裝過程中對中允差進度誤差可達1mm，安裝調試方便，不產生振動，不影響系統效率，安裝調速方便，節能降耗，在現代化工業中得到廣泛應用。