繞組式永磁調速技術在粗軋除塵系統中的應用研究

盧憲強，溫 亮

（山鋼股份萊蕪分公司板帶廠，山東萊蕪 271104）

前言

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。目前通用的調速技術包括變頻器、串級調速、雙饋調速等，基本上都是通過改變電機本身的轉速實現調速的。但電機在運轉過程中，因電能消耗，電機線圈、硅鋼片、機械摩擦都會造成電機發熱。繞組式永磁調速系統為機械式調速裝置，通過改變電機與負載之間的滑差實現調速，降低電機全調速范圍的運行功率，其結構簡單、運行可靠，能有效解決大功率電機、風機運行中能量浪費的問題，較廣泛的應用于石油、石化、電力、鋼鐵、化工等行業的電機拖動系統節能。

萊鋼集團板帶廠寬厚板線粗軋除塵系統主要靠除塵風機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標排放。除塵風機通過一臺400 kW高壓電機驅動，進出口風門擋板調節運行，風門擋板屬于阻力型調節，調節過程種效率較低，除塵風機系統隨軋線生產同步連續工頻運行，存在能源浪費較多，且調節至某一開度時易發生喘振現象。針對現場實際情況，對粗軋除塵風機進行繞組式永磁調速改造，以達到高效節能運行的目的。

1 繞組式永磁耦合調速器原理

如圖1 所示，繞組式永磁耦合調速器結構類似于永磁發電機，是由永磁轉子、繞組轉子以及控制系統組成的非接觸永磁傳動技術［1］。

圖1 繞組永磁調速器原理圖

永磁轉子連接于電機側，繞組轉子連接于負載側，工作時永磁轉子與繞組轉子存在轉速差，在繞組種產生感應電動勢；控制繞組中感應電流的通斷以及大小，實現離合、調速調矩和軟起功能。在傳遞動力的同時，將轉差功率轉變成電能引出反饋再利用，高效、節能，徹底解決了其他轉差類調速設備的溫升問題。

2 繞組式永磁調速與高壓變頻器調速技術比較

繞組式永磁調速與變頻調速的性能對比，如表1所示。

表1 繞組式永磁調速與變頻調速的性能對比

3 改造實施

整個改造包括前期對繞組永磁調速器及調速控制器選型，后期具體工作內容包括基礎改造、電機底座加長、控制柜安裝、增加電動執行器基礎、控制及動力電纜的鋪設、控制程序的編制及永磁調速裝置安裝調試等工作。

繞組永磁調速器配套選型見表2。

表2 繞組永磁調速器選型

繞組永磁調速器尺寸為1 700 × 1 302 ×1 268 mm，將其安裝在電機和負載風機之間，電機需后移1 700 mm，現場安裝布置見圖2。

圖2 繞組永磁調速器現場安裝布置示意圖

4 系統結構及穩定可靠性

下面從系統結構和運行策略兩方面對繞組式永磁耦合調速方案的穩定可靠性進行分析，如圖3所示。

圖3 繞組永磁調速系統示意圖

（1）機械本體：調速器本體由永磁轉子、繞組轉子、集電環和碳刷構成，類似于永磁發電機結構，具有電機的可靠性，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，無高溫失磁風險，可靠性高，壽命長。

（2）電氣控制系統：繞組永磁調速變流控制的功率只是總功率的一部分（轉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）電氣運行策略：系統設置了3種電氣運行模式，并且在極限情況發生時均可全自動無縫切換，互為備用。正常運行時，采用整流回饋的形式將轉差能量進行高效回收利用，實現無極調速；當出現故障或電網電能質量波動較大時，控制系統會自動無縫切換至備用的電阻柜調速，可根據要求配置多檔位電阻，實現定檔定速調速；若實際工況不能滿足無極調速和電阻調速運行條件時，繞組線圈會自動短接，直接切換至全速（工頻）運行。

（4）機械運行模式：當所有電氣部分失效甚至機械本體出現故障時，可以直接用備用的彈性直連銷將內外轉子連接，作為彈性聯軸器來使用（機械本體基本不會故障）。

5 改造效果

使用繞組永磁調速系統對風機流量進行調節之前，將入出口風量調節閥閥門全開，調節調速器繞組轉子內部電流實現對驅動轉矩的調節，達到調節負載轉速的目的。在滿足工況要求的情況下，用調節負載轉速的方法實現更為顯著的節電效果。同時，電機帶繞組永磁調速器內轉子空載起動，可以有效緩解電機工頻啟動對10 kV 電網造成的沖擊和電壓波動。

改造實施后，為了檢驗改造前后相同工況下繞組永磁調速器的真實節電性能，安排同生產工況、運行條件進行節電對比，經測算，平均每小時耗電量由146 kWh 降至89 kWh，節電率可達到39%，節電效果明顯。同時現場風機閥門及管路振動也明顯降低，永磁調速器有著結構簡單、性能可靠等優點，不產生諧波，電磁干擾小，在風機、泵類節能改造具有較為廣闊的應用空間。