變頻永磁驅動系統在脫硫風機上的應用分析

高劍飛 扈建華 劉輝雪 朱毅杰

摘要：本文以某大型鋼鐵廠1120kW脫硫風機為例，設計永磁驅動改造方案，對比異步電動機驅動系統進行永磁驅動系統替代方案分析。對比分析主要包含：基本參數，經濟性、傳動鏈組成、結構復雜程度、系統可靠性、維護量、維護成本、占地面積、環境影響等方面。結果顯示，將永磁驅動系統運用于工業風機驅動，在諸多方面優勢明顯。

關鍵詞：工業風機;永磁電動機;異步電動機;可行性分析

0引言

大功率風機在工業領域應用十分廣泛，目前，基于液力耦合器的異步電動機的驅動系統在大型風機驅動領域上的有著重要地位。

異步電動機的驅動系統由“異步電動機+液力耦合器”組成。這種驅動方式的特點是：采用調速型液力耦合器調速，實時控制風機葉片轉速來調整風量，但液耦故障率高，維護量大，維護成本高。

隨著電力電子技術與材料科學的發展以及制造工藝的進步，變頻永磁直驅技術正在助力工業驅動的升級。該系統特點有：

A、變頻永磁直驅系統的驅動模式為“永磁電動機—負載”，取代傳統“異步電動機—耦合器—負載”，傳動鏈得以簡化，可靠性有了很大提高。

B、高效率永磁電動機采用永磁材料勵磁，可在25%～120%額定負載范圍保持高效率，高功率因數。

C、永磁電機體積小、重量輕、結構簡單、運行可靠、形狀靈活多樣，適應性強。

D、采用變頻器構成變頻調速系統，可實現電氣軟起軟停、低速重載起動、無極調速。

本文以某大型鋼鐵廠1120kW脫硫風機驅動系統為例，就此系統使用變頻永磁直驅技術的優勢進行論述。

驅動系統參數

該異步電動機驅動系統由一臺YKK型異步電動機、一臺調速型液力耦合器組成。其中異步電動機額定電壓10kV、額定功率1120kW、額定轉速750r/min、額定效率93.9%、額定功率因數0.81，單臺價格約29萬元。調速型液力耦合器傳動效率93%，單臺價格約10萬元，系統年維護費用約11220元。

永磁電動機驅動系統由一臺高壓變頻器、一臺永磁直驅電動組成。其中永磁電動機額定電壓10kV、額定功率1120kW、額定轉速750r/min、額定效率96%、額定功率因數0.95，單臺價格約54萬元。變頻器運行效率98%、價格約35萬元，系統年維護費用約2220元.

兩種驅動方式對比分析

電動機效率、功率因數特性對比：

永磁驅動系統高效區寬，即輕負載運行時仍具很有高效率、功率因數，節能效果明顯。

該風機工作點運行電流78A，其輸入功率：√3×10kV×78A=1350kW。參考異步電動機負載特性曲線相關標準，異步電動機此工作點效率為92.5%，功率因數0.75，計算其輸出功率： 1350kW×91%×0.75=922kW。異步電動機負載率為992kW/1120kW=0.82。以此工作點液力耦合器效率為89%計算，負載軸功率：922kW×89%=820.5kW，即為變頻永磁直驅系統輸出功率為820.5kW。計算結果見表1。

按日工作24小時計算，平均輸入有功功率為996.7kW，經計算得負載軸功率772kW。采用變頻永磁直驅系統，輸入功率為890.4kW，可較原系統減少106.3kW。

按日工作24小時，年工作330天，每度電0.48元計算，年節能106.3×24×330=841，896（kW·h），節約電費841，896×0.48=404，110（元）。按照電源有功功率計算，年節約電能84.2萬千瓦時，合人民幣約40.2萬元。同時，節約檢修維護及停機影響費用9，000元/年。

其他對比

調速型液力耦合器是結構相對復雜的機械設備，油冷管易老化，過濾器需定期清洗，冷卻系統在使用偏酸性水質時易發生銹蝕，影響生產。

永磁直驅方式取消了液力耦合器，簡化了傳動鏈，機械結構更為簡單，基本實現免維護，整機壽命可達30年，可靠性高。

異步電動機與調速型液力耦合器構成的傳動鏈長，占地面積大。相比而言，變頻永磁直驅電動機體，直接驅動負載，節省大量占地面積，空間利用率高。

液力耦合器內部充滿大量油液，油液的補充更換、箱體及外部冷卻裝置，易發生滲漏或泄露，污染工作現場環境。變頻永磁直驅系統無液體油，生產現場干凈、整潔。

永磁直驅系統結構簡單緊湊，振動低，減少了噪聲源。

永磁電動機轉子由永磁體勵磁，這樣，電動機穩定運行時無轉子銅耗，效率、功率因數顯著提高;由于定轉子磁場同步運行，不存在轉差，運行過程沒有軸電流產生。

安裝條件

風機用永磁電動機在外形尺寸及機械電氣安裝接口可設計與相應異步電動機保持一致，但整機重量更輕。對于改造項目，只需將調速型液力耦合器基礎撤下，原電動機基礎前移即可。變頻器可靈活放置，不占用傳動鏈空間。

結論

異步電動機驅動系統采購成本較低，但其效率低、功率因數低，在低負載率時下降更為明顯;采用調速型液力耦合器雖然可實現無極調速，但其效率低、可靠性低、維護量大。變頻永磁直驅系統取消液力耦合器，簡化了傳動鏈;系統結構簡單、可靠性高;在寬負載率范圍保持高效率、高功率因數;環境友好;基本實現免維護。

一套異步電動機驅動系統采購成本約39萬元，變頻永磁直驅系統采購成本為89萬元，采購成本差40萬元。采用變頻永磁直驅系統每年至少節省維護費、能源費40.4萬元，通過節省運行費用，1年可收回采購成本差，享擁長期節能效益。

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