羅茨鼓風機永磁調速改造

羅茨鼓風機永磁調速改造

山東錦工有限公司是一家專業生產羅茨風機、羅茨鼓風機等機械設備公司，位于有“鐵匠之鄉”之稱的山東省章丘市相公鎮，近年來，錦工致力于新產品的研發，新產品雙油箱羅茨鼓風機、水冷羅茨鼓風機、油驅羅茨鼓風機、低噪音羅茨鼓風機，贏得了市場好評和認可。此類產品已廣泛應用于電力、污水處理、環保、化工、鋼鐵、建材、農藥、制藥等行業。產品和服務遠銷全國各地及東南亞，深受客戶好評。

當前在冶金行業中，羅茨鼓風機類負載占了很大一部分比例，而在羅茨鼓風機系統中，特別是一些大功率羅茨鼓風機，大部分時間都不是運行在最佳工作點，設備運行大部分也是手動操作，存在相當大的改造和節能空間，設備和系統運行中存在著以下諸多問題，亟待更完善的調速設備來實現系統的調速節能且避免不必要的副作用。
1）流量通過擋板調節，工作效率低，能量損失大；
2）羅茨鼓風機與電機之間為硬聯結：振動相互傳遞，相互影響，振動大；
3）電機帶負載啟動，啟動電流大，時間長，對電網有沖擊；
4）風門擋板磨損嚴重，增加系統故障率和維護成本。
針對羅茨鼓風機類離心負載調速節能，永磁調速是一個不錯的選擇。它具有高可靠性、高效節能、低故障率、可在惡劣環境下運行、無剛性連接、減少羅茨鼓風機系統維護、減少羅茨鼓風機系統振動和延長設備適用壽命等特點。特別是永磁調速在運行中不產生高次諧波的優良調速特性而使該技術成為羅茨鼓風機類設備節能技術改造的首選。
1、永磁調速的結構組成及工作原理
1.1永磁調速器
永磁調速器是通過氣隙來傳遞扭矩的設備，所以電機與負載之間沒有機械性連接，電動機旋轉時帶動導磁盤在永磁盤產生的磁場中切割磁力線，這樣就在導磁盤中產生了渦電流，進而產生感應磁場形成強力磁轉矩，拉動永磁盤產生相對運動，從而實現電機與負載之間的柔性傳動。
其基本結構如下：
1）永磁轉子：內嵌永磁體（強力稀土磁鐵）的鋁盤，連接于負載軸；2）導磁轉子：導磁盤，與電動機軸連接；3）氣隙調節機構：調節永磁盤與導磁盤之間氣隙大小的設備。
永磁調速的工作原理基于楞次定律：當磁體N極靠近導體板時，在導體板上會產生一個與N極磁場來抵抗磁體N極接近的磁場，該磁場由逆時針旋轉的感應電流所產生，這就是著名的楞次定律。同理當磁體N極平行與導體板移動時，導體板上會產生抵抗磁體N極前進的磁場，即產生兩個相反方向的磁場，在前進的磁體N極前方產生N極磁場阻礙磁體前進，在前進的磁體N極后方產生S極磁場吸引磁鐵棒向后，并且磁體和導體板距離越近時，導體板上阻礙磁體相對運動的力量越大。
1）對于磁體和導體板，靜止不動時不起作用；2）當有相對運動時，導體板中會產生渦電流，從而產生感應磁場，進而產生扭矩；3）和兩者之間的相對距離和相對運動有密切關系，越遠離時，磁力線密度越松散，感應效應越弱，扭矩越小；相對運動越慢，轉差越小，產生扭矩越小；反之亦然；4）永磁調速器通過氣隙調節機構使永磁轉子與導磁轉子之間的氣隙改變，即改變磁場的耦合度，進而改變磁轉矩和負載轉速。氣隙越小，磁轉矩越大，負載轉速越高，反之亦然。
1.2永磁調速系統
永磁調速系統一般由負載、電機和永磁調速器三部分組成，永磁調速器的永磁體和負載連接，永磁調速器的導磁體和電機連接，這兩個設備之間的氣隙通過一個執行器來進行調整。執行器主要由伺服電機組成。通過執行機構推動氣隙調節器來調節兩個轉子之間氣隙，實現負載輸出速度和扭矩的控制。
永磁調速器可處理設備信號，并與PLC系統相連接。壓力等控制信號被PLC系統響應，然后給執行器信號。進而調節兩個轉子之間的氣隙，從而負載速度得到調節。
1）傳感器可檢測負載流量、溫度等受控制量；2）通過PLC將受控量進行PID調制，成為4～20mA模擬量信號以驅動執行機構，進而推動氣隙調節器響應信號；3）通過人機界面客戶可設定和監視負載輸出量；4）該系統為全自動控制，當PLC故障時，可手動調節氣隙；5）通過PLC可實現遠程“四遙”；
2、永磁調速系統的節能原理
2.1特性曲線節能分析
在羅茨風機系統中，整個羅茨鼓風機系統的效率=調節風壓設備的效率*電機效率*輸送管道的效率*羅茨鼓風機效率。當其他效率不變時，系統效率決定于調節風壓設備的效率。風力擋板調節是通過調節擋板開度大小來實現輸出風壓的調節，羅茨鼓風機的轉速自始至終沒有發生變化。在風門擋板沒有全開或調節器為彎通型時，氣體經過風門擋板時能量損失非常大，同時風門擋板兩端產生壓差也很大，尤其是羅茨鼓風機出口的風壓變大，致使羅茨鼓風機偏離了最佳運轉效率點，綜上所述，擋板開度變小時，電機輸入功率變化不大，這樣造成了很大的能量浪費。
羅茨鼓風機在實際運行中，工作點是管網H-Q曲線與羅茨鼓風機H-Q曲線的交匯點。羅茨鼓風機在A點正常工作，當風量由Q1調至Q2，采用擋板調節風量時，管網特性曲線發生改變（由R1改變為R2），其工作點也發生改變（由A調至B），進而其功率也發生微小的變化（由OQ1AH1所圍成的面積改變為OQ2BH2`所圍成的面積），從上圖可看出羅茨鼓風機功率變化微小，而其效率降低很大；當采用永磁調速調節時，可按需要調整羅茨鼓風機轉速，改變羅茨鼓風機系統的特性曲線，圖中n1到n2，其工作點由A調至C，使其風量滿足工藝要求，其功率變為OQ2CH2所圍成的面積，而其效率沒有大的改變，依然在高效區工作。節能量ΔP=（H2`-H2）*Q2。
采用永磁調速器技術，可以代替原來的風門擋板，通過調節兩個轉子之間的氣隙進而調節羅茨鼓風機的轉速。實現流量或壓力的連續控制，達到上述節電效果。
2.2節能調節公式
實際計算中，經常依據流體機械的相似定律（Affinity Law）做近似計算。對于離心羅茨鼓風機負載有：流量變化與轉速變化成正比（Q1/Q2=n1/n2）；壓力變化與轉速變化的平方成正比（H1/H2=（n1/n2）2）；負載功率變化與轉速變化的立方成正比（P1/P2=（n1/n2）3）。 　　上述公式因轉速變化范圍不同而有相當的誤差。然而，由于設備的實際運行數據很難準確獲取，節能計算一般來說均為大致計算。所以，計算中使用這些公式造成的誤差可以容忍。
又因負載功率P=Kp*T*n（功率=扭矩*轉速），則P1/P2=（T1/T2）*（n1/n2），與P1/P2=（n1/n2）3聯立得：T1/T2=（n1/n2）2（負載轉矩變化與轉速變化的平方成正比）。
對于永磁調速系統，工作過程中電機輸出到永磁調速器的轉矩和永磁調速器輸出到負載的轉矩相等。負載轉速改變，但電機轉速保持不變，電機轉速減去負載轉速即為永磁調速器上的滑差。理論上，永磁調速屬滑差調速。
電機輸出功率Pe=K*T*ne（功率=扭矩*轉速）；因電機轉速保持不變，容易推導出Pe1/Pe2=T1/T2=（n1/n2）2；即Pe1/Pe2=（n1/n2）2（電機輸出功率變化與轉速變化的平方成正比）。
從上圖可得出結果，當輸出風量減少時，按照相似定律，負載所需功率減少顯著，從而電機輸出功率下降明顯，對能源節約量很大。當輸出風量僅僅減少20%時，需要的能源已經降低了38%。
3、永磁調速節能實際應用
下面是某冶金企業采用永磁調速技術對一臺羅茨鼓風機進行節能改造的案例。
3.1羅茨鼓風機技術參數
3.2節能效益計算
1）目前實際功耗：電機功率=1.732*6（kV）*30（A）*0.84=261kW
2）加裝永磁調速器后功耗估算：50-30%風門開度下，從經驗曲線查取：實際流量與羅茨鼓風機額定流量平均比為60%。
由相似定律可知，轉速與流量為正比關系，將擋板全開后，羅茨鼓風機轉速下降至60%即可輸出所需要的風量，為維持必要的富余量以75%估算，則羅茨鼓風機輸入功率與轉速平方成正比，加計永磁調速器效率（97%）修正，所以理論功耗將降為：280*（75%）2/0.97=162kW（280kW為羅茨鼓風機滿負荷制動功率）。
3）加裝永磁調速器與未裝前相比的節電情況
3.3改造結果對比
4、結論
根據該項目的實施情況，永磁調速技術節電效果良好。該技術可以根據羅茨鼓風機風量的變化實行平滑變速調節，該項技術具有以下技術特點：
1）電機和負載沒有直接的物理連接，不會傳遞振動，對于沖擊型負載和有可能堵轉的過程具有通過滑差實現緩沖和自動保護功能，大大減少故障的發生。
2）電機完全是空載啟動，啟動電流得到大幅降低。
3）諧波污染消除，不傷害電機，不影響電網。
4）容忍較大的對中誤差（5mm），安裝調試過程得到簡化。
5）該項技術在現場應用中需要一定的技術條件。改造羅茨鼓風機需要有連軸器，同時電機和羅茨風機之間要有適當的安裝空間。

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