陳 建

（涼山礦業(yè)股份有限公司，四川會(huì)理 615100）

0 引言

轉(zhuǎn)爐收塵風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中依靠液力耦合器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)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(zhuǎn)化為直線行程進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)轉(zhuǎn)化精度較差，誤差較大，而且反應(yīng)滯后，曲柄來(lái)回跳動(dòng)、故障較多。此外，耦合器液壓油在循環(huán)使用過(guò)程中，由于環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行磨損、冷卻器故障等造成大量液壓油浪費(fèi)，且冷卻器中冷卻容易水結(jié)垢、易堵塞，冷卻效果無(wú)法滿足耦合器正常運(yùn)行，影響生產(chǎn)運(yùn)行效率和生產(chǎn)成本。由于風(fēng)機(jī)在生產(chǎn)運(yùn)行中調(diào)節(jié)風(fēng)量范圍較大，具備了永磁調(diào)速節(jié)能改造的條件。

1 永磁調(diào)速器的結(jié)構(gòu)及原理

永磁調(diào)速器主要由導(dǎo)體轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)三部分組成，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子固定在電動(dòng)機(jī)軸上，永磁轉(zhuǎn)子固定在負(fù)載轉(zhuǎn)軸上，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子之間有間隙（稱(chēng)為氣隙）。電動(dòng)機(jī)與風(fēng)機(jī)之間由原來(lái)的機(jī)械連接轉(zhuǎn)變?yōu)檐涍B接，PLC 控制系統(tǒng)接收現(xiàn)場(chǎng)反饋的流量、壓力等過(guò)程檢測(cè)信號(hào)，對(duì)調(diào)速控制器進(jìn)行控制，控制器接收信號(hào)讓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，調(diào)節(jié)永磁體和導(dǎo)體之間的氣隙，導(dǎo)磁體和永磁體相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體組件切割磁力線，在導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，與永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，將電動(dòng)機(jī)的和轉(zhuǎn)矩傳遞到輸出軸上，永磁轉(zhuǎn)子沿著軸向往返移動(dòng)改變調(diào)速器嚙合面積，嚙合面積大，輸出軸轉(zhuǎn)矩越大，負(fù)載轉(zhuǎn)速越高（圖1）。

1.1 結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)

（1）電動(dòng)機(jī)和負(fù)載為通過(guò)調(diào)速器進(jìn)行軟連接，隔離振動(dòng)。

（2）平滑無(wú)極調(diào)速，調(diào)速范圍0～98%，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能，節(jié)電率為10%～50%。

（3）設(shè)備為筒形密封結(jié)構(gòu)，基座式設(shè)計(jì)，安裝簡(jiǎn)單，維修方便。

（4）扭矩實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸傳遞，溫升變化小，無(wú)需專(zhuān)用冷卻器。

（5）控制器可同時(shí)接收現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)控信號(hào)，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速。

1.2 系統(tǒng)控制原理

永磁調(diào)速系統(tǒng)由永磁控制器、PLC 控制系統(tǒng)、電動(dòng)執(zhí)行器、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)（溫度、壓力、流量）等設(shè)備組成。

圖1 永磁調(diào)速器剖面結(jié)構(gòu)

PLC 控制系統(tǒng)將4～20 mA 的控制信號(hào)傳輸?shù)接来趴刂破鳎妱?dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行控制器的動(dòng)作，根據(jù)接收到的電流信號(hào)改變氣隙的大小，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)（當(dāng)自動(dòng)系統(tǒng)故障時(shí)，通過(guò)執(zhí)行器手動(dòng)調(diào)節(jié)），溫度變送器實(shí)時(shí)輸出DC 4～20 mA 溫度信號(hào)至PLC，可實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警和保護(hù)功能，速度變送器實(shí)時(shí)輸出DC 4～20 mA 速度信號(hào)至PLC 以供監(jiān)測(cè)。

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(xiàn)場(chǎng)儀表箱的儀表電源。

自動(dòng)控制信號(hào)：來(lái)自PLC 的DC 4～20 mA 的控制信號(hào)，送智能器做速度調(diào)節(jié)反饋信號(hào)用。送給PLC 的DC 4～20 mA 信號(hào)有4 路：軸承溫度、導(dǎo)體轉(zhuǎn)子溫度、輸出側(cè)轉(zhuǎn)速、智能器開(kāi)度反饋信號(hào)，以上的信號(hào)電纜經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)儀表箱端子轉(zhuǎn)接。

儀表箱：現(xiàn)場(chǎng)儀表箱內(nèi)有軸承溫度探測(cè)儀變送器、導(dǎo)體轉(zhuǎn)子溫度變送器、速度變送器、智能器開(kāi)度變送器可送DC 4～20 mA信號(hào)到PLC。

執(zhí)行器：由現(xiàn)場(chǎng)控制柜提供AC 220 V 電源，接收永磁調(diào)速系統(tǒng)發(fā)出的DC 4～20 mA 控制信號(hào)，信號(hào)4 mA 時(shí)，嚙合面積為零，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；信號(hào)20 mA 時(shí)，嚙合面積最大，風(fēng)機(jī)接近額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行（圖2）。

1.3 永磁調(diào)速器的主要優(yōu)點(diǎn)

①調(diào)速節(jié)能：調(diào)速范圍0～98%，節(jié)電率為10%～50%。

②免維護(hù)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障點(diǎn)少，維護(hù)費(fèi)極低，大大延長(zhǎng)維護(hù)周期。

圖2 系統(tǒng)控制原理

③可靠性高：無(wú)損設(shè)計(jì)，適應(yīng)各種惡劣工況，壽命長(zhǎng)達(dá)25 年。

④軟啟停：空載啟動(dòng)，卸載停機(jī)，延長(zhǎng)電機(jī)電氣使用壽命。

⑤具有過(guò)載保護(hù)功能：不怕堵轉(zhuǎn)，不怕脈沖型負(fù)載。

⑥無(wú)機(jī)械連接：容忍對(duì)心誤差，隔離并減低振動(dòng)。

⑦綠色環(huán)保：無(wú)諧波、無(wú)污染物，不影響電能質(zhì)量。

⑧控制方便：易實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)控制，控制方式簡(jiǎn)單、控制精度高。

2 永磁調(diào)速器節(jié)能原理

在實(shí)際生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)并不是在滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，它需要檢測(cè)風(fēng)機(jī)進(jìn)口煙氣量、進(jìn)出管道壓力等數(shù)據(jù)，通過(guò)流量控制元件等實(shí)現(xiàn)流量和壓力控制，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

轉(zhuǎn)爐收塵風(fēng)機(jī)在使用過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度達(dá)到出口流量和壓力的調(diào)節(jié)，電機(jī)和負(fù)載的實(shí)際轉(zhuǎn)速?zèng)]有改變，實(shí)際運(yùn)行時(shí)開(kāi)度<100%，煙氣經(jīng)過(guò)閥門(mén)會(huì)遇到阻力，造成非常大的能量損失；風(fēng)機(jī)出口壓力增大，此時(shí)風(fēng)機(jī)效率會(huì)偏離最佳運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)，風(fēng)機(jī)效率降低，很多的能量都由此而浪費(fèi)掉。

永磁調(diào)速器通過(guò)在線檢測(cè)風(fēng)機(jī)進(jìn)出口煙氣的流量和壓力，通過(guò)流量或壓力變送器，將檢測(cè)數(shù)據(jù)變?yōu)?～20 mA 的電流信號(hào)傳輸?shù)较到y(tǒng)PLC 控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將測(cè)量的信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較處理，在電機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝的需求。

離心負(fù)載符合相似定律：

從相似定律可以看出，風(fēng)機(jī)流量和轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，設(shè)備功率與轉(zhuǎn)速的3 次方成正比，當(dāng)需要70%的額定流量時(shí)，只需電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整為額定轉(zhuǎn)速的70%，但此時(shí)設(shè)備的功率變?yōu)樵瓉?lái)的34.3%，所以通過(guò)降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)流量或壓力，將會(huì)大大降低運(yùn)行功率（圖3）。

風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，其工作點(diǎn)是性能H—Q 曲線與管網(wǎng)H—Q曲線的交點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)機(jī)將流量Q1調(diào)節(jié)到Q2時(shí)：

（1）若采用閥門(mén)調(diào)節(jié)，性能曲線不變，僅管網(wǎng)特性曲線改變，工況由A 調(diào)節(jié)到B，負(fù)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(yáng)程流量

（2）若采用永磁調(diào)速調(diào)節(jié)，可按需要調(diào)整負(fù)載轉(zhuǎn)速，改變?cè)O(shè)備的性能曲線，此時(shí)工況由A 調(diào)至C 點(diǎn)，即可使其參數(shù)滿足工藝要求，負(fù)載消耗功率為矩形CQ2OHB 的面積。相比閥門(mén)調(diào)節(jié)，減少的功率為矩形BCHBH2，即節(jié)能量ΔP=（H2-HB）×Q2，節(jié)能效果顯著。

3 永磁調(diào)速節(jié)能計(jì)算

永磁調(diào)速節(jié)電率計(jì)算P=Tn。其中，P 為電機(jī)功率，T 為電機(jī)轉(zhuǎn)矩，n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩=負(fù)載需要轉(zhuǎn)矩

風(fēng)機(jī)等離心式負(fù)載符合相似定律T1/T2=（n1/n2）2，采用永磁調(diào)速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，因此電機(jī)消耗功率與負(fù)載設(shè)備的轉(zhuǎn)速比平方成正比：P1/P2=（n1/n2）2，節(jié)電率=［1-（n1/n2）2］×η（η 為永磁調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能修正數(shù)）。

轉(zhuǎn)爐收塵風(fēng)機(jī)用液力耦合器調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，功率P1=√3UIcosΨη=1.732×10 000×28.5×0.84×0.98=406.4 kW。

轉(zhuǎn)爐收塵風(fēng)機(jī)永磁調(diào)速運(yùn)行時(shí)，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(jù)經(jīng)驗(yàn)，此時(shí)功率修正系數(shù)取0.9。

使用永磁調(diào)速器后電機(jī)節(jié)能量為（406.4-381.5）kW=24.9 kW，節(jié)能率為。

安裝永磁柔性調(diào)速器后，通過(guò)電磁控制調(diào)節(jié)替代原來(lái)液耦的油量控制調(diào)節(jié)，提高調(diào)節(jié)精度（調(diào)節(jié)誤差由40～70 r/min 提高到8～20 r/min），縮短響應(yīng)時(shí)間（響應(yīng)時(shí)間由10～20 s 提高到0～10 s），設(shè)備故障率明顯下降，同時(shí)降低了能耗，提高了風(fēng)機(jī)性能。

4 結(jié)語(yǔ)

永磁調(diào)速器的設(shè)計(jì)壽命為25 年，不需要潤(rùn)滑油，維護(hù)簡(jiǎn)單，大幅降低維護(hù)成本，延長(zhǎng)電機(jī)系統(tǒng)中軸承、密封件等現(xiàn)有設(shè)備壽命?？蛇m用于腐蝕、潮濕、粉塵含量高的惡劣環(huán)境。安裝過(guò)程中對(duì)中允差進(jìn)度誤差可達(dá)1mm，安裝調(diào)試方便，不產(chǎn)生振動(dòng)，不影響系統(tǒng)效率，安裝調(diào)速方便，節(jié)能降耗，在現(xiàn)代化工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。