永磁调速器在风机调速控制的应用与分析

永磁调速器在风机调速控制的应用与分析
作者：杨建满
来源：《今日自动化》2019年第03期
摘要：结合永磁调速器在唐钢中厚板公司蓄热式加热炉风机的应用，对永磁调速器的工作原理、机械特性、运行效果、节能效果以及加热炉生产工艺的适用性进行分析和研究。

结果证明：永磁调速技术能够较好地满足加热炉热负荷变化对风机流量、压力工艺参数调节的需求，可节电约20%，有效提高风机系统的运行稳定性。

关键词：永磁调速器;间隙;机械特性;管网特性：节流;调速;节能
中图分类号：TV732.7
文献标识码：A
文章编号：2095-6487（2019）03-0110-03
0引言
风机作为一种通用设备，广泛应用在各行各业当中，尤其是在钢铁冶金行业，中大型风机作为重要设备在各道工序中广泛使用，而且，随着国家能源环保工作的不断深入，环保除尘设备的装机量大大增加。

风机已经成为钢铁冶金企业的主要耗能设备之一。

因此，实现风机设备的经济运行，对推进企业节能减排，提高经济效益和社会效益具有十分重要的意义。

风机采用调速控制方式是实现风机经济运行的重要手段。

多年来，国家有关部门一直大力推进对传统节流调控方式的风机进行调速控制改造的工作。

风机的调速控制主要有以下几种方法：多速电动机、调压调速、变频调速、液力耦合器、永磁调速器等，变频调速技术起步较早，发展成熟是风机节能改造最普遍采用的方法。

永磁调速器由美国Magna;Drive公司于1999年首先研制成功，相关产品和技术在国内的应用起步较晚，但凭借其独特优势，在风机、泵类等设备的调速控制领域得到了快速发展。

1永磁调速器的工作原理
永磁调速器属于一种磁力耦合器，是具有调速功能的联轴器装置。

其工作原理是导体盘在环形分布的永磁体盘的磁场中做切割磁力线转动时，导体盘内部产生涡流，涡流产生的感应磁场与永磁体磁场相互作用，使永磁体盘向着减小与导体间相对运动的方向旋转，即永磁体盘与導体盘同向旋转，从而将原动机的转速和转矩传递至负载输入轴。

如果改变导体盘和永磁体盘之间的距离或啮合面积，气隙磁密发生变化，感应产生的电磁转矩也就随之变化，最终达到调节负载转速的目的”。

2永磁调速系统的机械特性分析
永磁调速器是通过改变转速差的方式来实现调速功能的。

对于一个由三相异步电动机通过永磁调速器驱动的负载系统来讲，其调速特性与普通三相异步电动机的变转差率调速相似。

最主要的区别是永磁调速系统过程中不同转差率对应的最大转矩不是恒定的，随着永磁调速器气隙的增大而逐渐减小，也就是随着设定转速的减小而减小。

负载为恒定负载时，不同设定转速对应的机械特性曲线的最大转矩点将沿着转差率S=I时的最小起动转矩T。

点和转差率最小Smin时对应的最大转矩Tmax点之间连线的斜率变化，如图1所示。

对于风机、泵类变转矩负载，其机械特性曲线与管网特性有关，不同的管网特性下，起动过程不同，风机工作点跟随设定速度的变化沿着管网特性曲线移动。

风机系统的运行状态在风机特性和管网特性的共同作用下决定的，风机特性曲线和管网特性曲线的交叉点就是风机的工作点。

在不同的调节间隙下起动风机电机，永磁调速器就会输出不同的转矩到风机输入轴，间隙越小输出的转矩越大。

由于系统启动瞬间永磁调速器主、从动盘的转差率非常大，导体感应产生强大的涡流，此时涡流产生的感应磁场对原磁场严重削弱，涡流对转矩的增益作用大于转速差增大对转矩的削弱作用，使得输出转矩减小，所以启动瞬间永磁调速器的输入转速越大，转速差就越大，输出转矩相对越小。

随着输出转矩的振荡增加，转速逐渐升高，转矩达到最大值后，经过振荡调整，转矩和转速达到稳定，风机在机械特性与管网特性的交点处平稳运行，起动过程结束，如图2所示。

n。

为电机同步转速，n。

为永磁调速器最小气隙时的输出转速，n。

为永磁调速器最大气隙时的输出转速，n。

和n。

为中间气隙时输出转速，也就是
n。

>np>n.>ng。

3永磁调速器的应用实例
唐钢中厚板公司轧钢二线加热炉原设计中引风机采用进口风门调节方式，鼓风机采用进口风门和出口调节阀配合调节方式控制流量的变化，造成很大的能源浪费，随着公司能源管控工作的不断深化，该加热炉风机列入节能改造项目，并选用了永磁调速方案。

3.1永磁调速器选型
由于没有内部实践经验可借鉴，改造项目主要依赖于永磁调速器制造厂家技术人员根据电机及风机的技术数据和现场使用状况拟定设计方案，并指导相关技术人员完成永磁调速器的计算和选型工作。

改造项目中加热炉风机和电机铭牌数据统计见表1。

永磁调速器分为空冷型和水冷型两种。

目前，空冷型最大传动功率为500kW，适用转速范围为750rpm～3000rpm;典型应用中，电机转速3000rpm时传动功率小于250kW;电机转速1500rpm时传动功率小于300kW。

水冷型最大传动功率可达4000kW，最高转速可达
3000rpm。

因此，根据风机名牌数据，选择使用的永磁调速器型号为XL一DZ-250，峰值扭矩≥3216N·m，调速范围20%～98%。

3.2永磁调速器安装、调试和改进
按照永磁调速器的安装尺寸改造电机基础和地脚，完成现场的设备安装工作。

对加热炉燃烧PLC系统进行扩容改造并修改控制程序和上位机画面，敷设电动执行器控制电缆及永磁调速器相关的检测信号电缆，将永磁调速器的控制纳入PLC系统。

永磁调速器采用机旁手动操作、上位机人工输入设定值和燃烧系统根据压力、流量及温度数据自动计算并调整设定值等三种控制方式2。

设备安装完成后，首先调试电动执行器，使其100%行程.与调速器间隙的最大调节范围相对应，最初设定的调节范围为2～25mm。

其次，测试改造后的永磁调速器功率是否与风机功率匹配，提供的最大风量是否能够达到正常生产所需的最大流量。

以鼓风机性能测试为例，设定进出口调节阀开度均为100%，同时调整引风机转速，保持炉膛内外压力均衡，使风机处于最大消耗功率状态下。

记录调速执行器在不同设定值下鼓风机的运行数据，详见表2。

改造前，鼓风机正常生产所需最大流量为56000Nm3/h，执行器设定值为93%时，对应流量为56200Nm*/h。

所以说，改造后的鼓风机能够满足生产要求，但在实际运行中还存在以下问题：（1）执行器的有效调速范围小于设计范围。

按照设计调速执行器0～100%的设定值应与20%～98%的风机转速对应，实际中调速执行器0～93%的设定值对应转速范围为30.3%～98%，主要原因是永磁调速器的实际功率偏大。

（2）当加热炉处于“压火”保温状态，调速执行器设定值为0，风机转速仍高达1300r/min以上，出现喘振现象[3]。

转速升高是由于“压火”保温状态下各流量调节阀开度减小，管网阻力大幅增加，风机负荷减小，风机工作点沿机械特性曲线向上移动。

n，为调速执行器设定值为0时的风机机械特性曲线，R。

和R。

分别为流量调节阀开度100%和10%时的管网特性曲线，当流量调节阀开度从100%减小到10%时，风机工作点就会由m，变为m2，，转速从450r/min上升至1320r/min。

导致这一现象的原因仍然是永磁调速器的实际功率偏大，最大调节间隙下，调速器输出的功率大于设计值。

调速执行器给定值为0时，流量调节阀开度与风机转速的关系如图3所示。

根据问题原因，将调速器永磁体的数量减少5%，最大调节间隙从25mm增加到35mm 后，执行器的调节范围与风机转速的变化范围基本匹配，风机最低转速降低到300r/min，使风机的调速范围达到永磁调速器设计所要求的20%～98%。

3.3永磁调速器应用效果及评价
经过两年的生产实践，永磁调速器的优点主要体现在以下几个方面：①实现了风机的调速和软启动控制;②通过磁力耦合传递转矩，没有直接的机械接触，大大减弱了机械振动的传递;③主体为纯机械结构，具有较高的稳定性和可靠性;④环境适应性强，维修技术门槛低，易于维护保养。

加热炉风机永磁调速器改造完全达到预期目标并取得显著效果，既实现了设备的低成本稳定运行，又使加热炉的能源消耗指标得到大幅下降。

改造前加热炉预热段、加热1段、加热2段、均热段各支管的调节阀开启度为7%～70%，风机每天平均耗电量为
12522kW·h;改造后，各段调节阀开启度为40%～100%，每天平均耗电量为9863kW·h;综合节电率达到21.2%。

结束语
永磁调速技术作为一项新技术，虽然在实际应用中的起步较晚，但因其具有使用寿命长，可靠性高，环境适应性强等其它调速技术不可比拟的特点，在许多领域得到快速推广和应用。

此次改造的成功为永磁调速技术的应用积累了宝贵经验，随着在实践中持续完善和永磁材料的发展，永磁调速技术将会更加成熟，应用前景也会更加广：阔。

参考文献
[1]吴晓波，张磊，兰，等.简式永磁调速器在风机上的应用及节能分析[J].甘肃科学学报，2017，29（4）：117-120.
[2]栾荣华，崔守娟.基于永磁调速技术的风机系统节能改造[J].科技资讯，2015，13（23）：77-78.
[3]陈義勋，李英.单片机直流电机调速系统设计分析[J].信息周刊2018（10）：88-90.。