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(fēng)機(jī)為例，設(shè)計(jì)永磁驅(qū)動(dòng)改造方案，對(duì)比異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)替代方案分析。對(duì)比分析主要包含：基本參數(shù)，經(jīng)濟(jì)性、傳動(dòng)鏈組成、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、系統(tǒng)可靠性、維護(hù)量、維護(hù)成本、占地面積、環(huán)境影響等方面。結(jié)果顯示，將永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)用于工業(yè)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在諸多方面優(yōu)勢(shì)明顯。

關(guān)鍵詞：工業(yè)風(fēng)機(jī);永磁電動(dòng)機(jī);異步電動(dòng)機(jī);可行性分析

0引言

大功率風(fēng)機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，目前，基于液力耦合器的異步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在大型風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域上的有著重要地位。

異步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由“異步電動(dòng)機(jī)+液力耦合器”組成。這種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)是：采用調(diào)速型液力耦合器調(diào)速，實(shí)時(shí)控制風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)速來調(diào)整風(fēng)量，但液耦故障率高，維護(hù)量大，維護(hù)成本高。

隨著電力電子技術(shù)與材料科學(xué)的發(fā)展以及制造工藝的進(jìn)步，變頻永磁直驅(qū)技術(shù)正在助力工業(yè)驅(qū)動(dòng)的升級(jí)。該系統(tǒng)特點(diǎn)有：

A、變頻永磁直驅(qū)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)模式為“永磁電動(dòng)機(jī)—負(fù)載”，取代傳統(tǒng)“異步電動(dòng)機(jī)—耦合器—負(fù)載”，傳動(dòng)鏈得以簡(jiǎn)化，可靠性有了很大提高。

B、高效率永磁電動(dòng)機(jī)采用永磁材料勵(lì)磁，可在25%～120%額定負(fù)載范圍保持高效率，高功率因數(shù)。

C、永磁電機(jī)體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、形狀靈活多樣，適應(yīng)性強(qiáng)。

D、采用變頻器構(gòu)成變頻調(diào)速系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)電氣軟起軟停、低速重載起動(dòng)、無極調(diào)速。

本文以某大型鋼鐵廠1120kW脫硫風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例，就此系統(tǒng)使用變頻永磁直驅(qū)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行論述。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)

該異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由一臺(tái)YKK型異步電動(dòng)機(jī)、一臺(tái)調(diào)速型液力耦合器組成。其中異步電動(dòng)機(jī)額定電壓10kV、額定功率1120kW、額定轉(zhuǎn)速750r/min、額定效率93.9%、額定功率因數(shù)0.81，單臺(tái)價(jià)格約29萬元。調(diào)速型液力耦合器傳動(dòng)效率93%，單臺(tái)價(jià)格約10萬元，系統(tǒng)年維護(hù)費(fèi)用約11220元。

永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由一臺(tái)高壓變頻器、一臺(tái)永磁直驅(qū)電動(dòng)組成。其中永磁電動(dòng)機(jī)額定電壓10kV、額定功率1120kW、額定轉(zhuǎn)速750r/min、額定效率96%、額定功率因數(shù)0.95，單臺(tái)價(jià)格約54萬元。變頻器運(yùn)行效率98%、價(jià)格約35萬元，系統(tǒng)年維護(hù)費(fèi)用約2220元.

兩種驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比分析

電動(dòng)機(jī)效率、功率因數(shù)特性對(duì)比：

永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高效區(qū)寬，即輕負(fù)載運(yùn)行時(shí)仍具很有高效率、功率因數(shù)，節(jié)能效果明顯。

該風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)運(yùn)行電流78A，其輸入功率：√3×10kV×78A=1350kW。參考異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載特性曲線相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，異步電動(dòng)機(jī)此工作點(diǎn)效率為92.5%，功率因數(shù)0.75，計(jì)算其輸出功率： 1350kW×91%×0.75=922kW。異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載率為992kW/1120kW=0.82。以此工作點(diǎn)液力耦合器效率為89%計(jì)算，負(fù)載軸功率：922kW×89%=820.5kW，即為變頻永磁直驅(qū)系統(tǒng)輸出功率為820.5kW。計(jì)算結(jié)果見表1。

按日工作24小時(shí)計(jì)算，平均輸入有功功率為996.7kW，經(jīng)計(jì)算得負(fù)載軸功率772kW。采用變頻永磁直驅(qū)系統(tǒng)，輸入功率為890.4kW，可較原系統(tǒng)減少106.3kW。

按日工作24小時(shí)，年工作330天，每度電0.48元計(jì)算，年節(jié)能106.3×24×330=841，896（kW·h），節(jié)約電費(fèi)841，896×0.48=404，110（元）。按照電源有功功率計(jì)算，年節(jié)約電能84.2萬千瓦時(shí)，合人民幣約40.2萬元。同時(shí)，節(jié)約檢修維護(hù)及停機(jī)影響費(fèi)用9，000元/年。

其他對(duì)比

調(diào)速型液力耦合器是結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，油冷管易老化，過濾器需定期清洗，冷卻系統(tǒng)在使用偏酸性水質(zhì)時(shí)易發(fā)生銹蝕，影響生產(chǎn)。

永磁直驅(qū)方式取消了液力耦合器，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)鏈，機(jī)械結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，基本實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，整機(jī)壽命可達(dá)30年，可靠性高。

異步電動(dòng)機(jī)與調(diào)速型液力耦合器構(gòu)成的傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，占地面積大。相比而言，變頻永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)體，直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，節(jié)省大量占地面積，空間利用率高。

液力耦合器內(nèi)部充滿大量油液，油液的補(bǔ)充更換、箱體及外部冷卻裝置，易發(fā)生滲漏或泄露，污染工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。變頻永磁直驅(qū)系統(tǒng)無液體油，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)干凈、整潔。

永磁直驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，振動(dòng)低，減少了噪聲源。

永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁體勵(lì)磁，這樣，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)無轉(zhuǎn)子銅耗，效率、功率因數(shù)顯著提高;由于定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)同步運(yùn)行，不存在轉(zhuǎn)差，運(yùn)行過程沒有軸電流產(chǎn)生。

安裝條件

風(fēng)機(jī)用永磁電動(dòng)機(jī)在外形尺寸及機(jī)械電氣安裝接口可設(shè)計(jì)與相應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)保持一致，但整機(jī)重量更輕。對(duì)于改造項(xiàng)目，只需將調(diào)速型液力耦合器基礎(chǔ)撤下，原電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)前移即可。變頻器可靈活放置，不占用傳動(dòng)鏈空間。

結(jié)論

異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采購(gòu)成本較低，但其效率低、功率因數(shù)低，在低負(fù)載率時(shí)下降更為明顯;采用調(diào)速型液力耦合器雖然可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，但其效率低、可靠性低、維護(hù)量大。變頻永磁直驅(qū)系統(tǒng)取消液力耦合器，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)鏈;系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高;在寬負(fù)載率范圍保持高效率、高功率因數(shù);環(huán)境友好;基本實(shí)現(xiàn)免維護(hù)。

一套異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采購(gòu)成本約39萬元，變頻永磁直驅(qū)系統(tǒng)采購(gòu)成本為89萬元，采購(gòu)成本差40萬元。采用變頻永磁直驅(qū)系統(tǒng)每年至少節(jié)省維護(hù)費(fèi)、能源費(fèi)40.4萬元，通過節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，1年可收回采購(gòu)成本差，享?yè)黹L(zhǎng)期節(jié)能效益。

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