羅茨鼓風機永磁調(diào)速改造

山東錦工有限公司是一家專業(yè)生產(chǎn)羅茨風機、羅茨鼓風機等機械設備公司，位于有“鐵匠之鄉(xiāng)”之稱的山東省章丘市相公鎮(zhèn)，近年來，錦工致力于新產(chǎn)品的研發(fā)，新產(chǎn)品雙油箱羅茨鼓風機、水冷羅茨鼓風機、油驅(qū)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(chǎn)品已廣泛應用于電力、污水處理、環(huán)保、化工、鋼鐵、建材、農(nóng)藥、制藥等行業(yè)。產(chǎn)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(yè)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(tǒng)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(jié)能空間，設備和系統(tǒng)運行中存在著以下諸多問題，亟待更完善的調(diào)速設備來實現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)速節(jié)能且避免不必要的副作用。
1）流量通過擋板調(diào)節(jié)，工作效率低，能量損失大；
2）羅茨鼓風機與電機之間為硬聯(lián)結(jié)：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(wǎng)有沖擊；
4）風門擋板磨損嚴重，增加系統(tǒng)故障率和維護成本。
針對羅茨鼓風機類離心負載調(diào)速節(jié)能，永磁調(diào)速是一個不錯的選擇。它具有高可靠性、高效節(jié)能、低故障率、可在惡劣環(huán)境下運行、無剛性連接、減少羅茨鼓風機系統(tǒng)維護、減少羅茨鼓風機系統(tǒng)振動和延長設備適用壽命等特點。特別是永磁調(diào)速在運行中不產(chǎn)生高次諧波的優(yōu)良調(diào)速特性而使該技術(shù)成為羅茨鼓風機類設備節(jié)能技術(shù)改造的首選。
1、永磁調(diào)速的結(jié)構(gòu)組成及工作原理
1.1永磁調(diào)速器
永磁調(diào)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(zhuǎn)時帶動導磁盤在永磁盤產(chǎn)生的磁場中切割磁力線，這樣就在導磁盤中產(chǎn)生了渦電流，進而產(chǎn)生感應磁場形成強力磁轉(zhuǎn)矩，拉動永磁盤產(chǎn)生相對運動，從而實現(xiàn)電機與負載之間的柔性傳動。
其基本結(jié)構(gòu)如下：
1）永磁轉(zhuǎn)子：內(nèi)嵌永磁體（強力稀土磁鐵）的鋁盤，連接于負載軸；2）導磁轉(zhuǎn)子：導磁盤，與電動機軸連接；3）氣隙調(diào)節(jié)機構(gòu)：調(diào)節(jié)永磁盤與導磁盤之間氣隙大小的設備。
永磁調(diào)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(chǎn)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(zhuǎn)的感應電流所產(chǎn)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(chǎn)生抵抗磁體N極前進的磁場，即產(chǎn)生兩個相反方向的磁場，在前進的磁體N極前方產(chǎn)生N極磁場阻礙磁體前進，在前進的磁體N極后方產(chǎn)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(chǎn)生渦電流，從而產(chǎn)生感應磁場，進而產(chǎn)生扭矩；3）和兩者之間的相對距離和相對運動有密切關(guān)系，越遠離時，磁力線密度越松散，感應效應越弱，扭矩越?。幌鄬\動越慢，轉(zhuǎn)差越小，產(chǎn)生扭矩越小；反之亦然；4）永磁調(diào)速器通過氣隙調(diào)節(jié)機構(gòu)使永磁轉(zhuǎn)子與導磁轉(zhuǎn)子之間的氣隙改變，即改變磁場的耦合度，進而改變磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)速。氣隙越小，磁轉(zhuǎn)矩越大，負載轉(zhuǎn)速越高，反之亦然。
1.2永磁調(diào)速系統(tǒng)
永磁調(diào)速系統(tǒng)一般由負載、電機和永磁調(diào)速器三部分組成，永磁調(diào)速器的永磁體和負載連接，永磁調(diào)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(zhí)行器來進行調(diào)整。執(zhí)行器主要由伺服電機組成。通過執(zhí)行機構(gòu)推動氣隙調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)兩個轉(zhuǎn)子之間氣隙，實現(xiàn)負載輸出速度和扭矩的控制。
永磁調(diào)速器可處理設備信號，并與PLC系統(tǒng)相連接。壓力等控制信號被PLC系統(tǒng)響應，然后給執(zhí)行器信號。進而調(diào)節(jié)兩個轉(zhuǎn)子之間的氣隙，從而負載速度得到調(diào)節(jié)。
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(diào)制，成為4～20mA模擬量信號以驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，進而推動氣隙調(diào)節(jié)器響應信號；3）通過人機界面客戶可設定和監(jiān)視負載輸出量；4）該系統(tǒng)為全自動控制，當PLC故障時，可手動調(diào)節(jié)氣隙；5）通過PLC可實現(xiàn)遠程“四遙”；
2、永磁調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能原理
2.1特性曲線節(jié)能分析
在羅茨風機系統(tǒng)中，整個羅茨鼓風機系統(tǒng)的效率=調(diào)節(jié)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(tǒng)效率決定于調(diào)節(jié)風壓設備的效率。風力擋板調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)擋板開度大小來實現(xiàn)輸出風壓的調(diào)節(jié)，羅茨鼓風機的轉(zhuǎn)速自始至終沒有發(fā)生變化。在風門擋板沒有全開或調(diào)節(jié)器為彎通型時，氣體經(jīng)過風門擋板時能量損失非常大，同時風門擋板兩端產(chǎn)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(zhuǎn)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(wǎng)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(diào)至Q2，采用擋板調(diào)節(jié)風量時，管網(wǎng)特性曲線發(fā)生改變（由R1改變?yōu)镽2），其工作點也發(fā)生改變（由A調(diào)至B），進而其功率也發(fā)生微小的變化（由OQ1AH1所圍成的面積改變?yōu)镺Q2BH2`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(diào)速調(diào)節(jié)時，可按需要調(diào)整羅茨鼓風機轉(zhuǎn)速，改變羅茨鼓風機系統(tǒng)的特性曲線，圖中n1到n2，其工作點由A調(diào)至C，使其風量滿足工藝要求，其功率變?yōu)镺Q2CH2所圍成的面積，而其效率沒有大的改變，依然在高效區(qū)工作。節(jié)能量ΔP=（H2`-H2）*Q2。
采用永磁調(diào)速器技術(shù)，可以代替原來的風門擋板，通過調(diào)節(jié)兩個轉(zhuǎn)子之間的氣隙進而調(diào)節(jié)羅茨鼓風機的轉(zhuǎn)速。實現(xiàn)流量或壓力的連續(xù)控制，達到上述節(jié)電效果。
2.2節(jié)能調(diào)節(jié)公式
實際計算中，經(jīng)常依據(jù)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(zhuǎn)速變化成正比（Q1/Q2=n1/n2）；壓力變化與轉(zhuǎn)速變化的平方成正比（H1/H2=（n1/n2）2）；負載功率變化與轉(zhuǎn)速變化的立方成正比（P1/P2=（n1/n2）3）。 　　上述公式因轉(zhuǎn)速變化范圍不同而有相當?shù)恼`差。然而，由于設備的實際運行數(shù)據(jù)很難準確獲取，節(jié)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(zhuǎn)速），則P1/P2=（T1/T2）*（n1/n2），與P1/P2=（n1/n2）3聯(lián)立得：T1/T2=（n1/n2）2（負載轉(zhuǎn)矩變化與轉(zhuǎn)速變化的平方成正比）。
對于永磁調(diào)速系統(tǒng)，工作過程中電機輸出到永磁調(diào)速器的轉(zhuǎn)矩和永磁調(diào)速器輸出到負載的轉(zhuǎn)矩相等。負載轉(zhuǎn)速改變，但電機轉(zhuǎn)速保持不變，電機轉(zhuǎn)速減去負載轉(zhuǎn)速即為永磁調(diào)速器上的滑差。理論上，永磁調(diào)速屬滑差調(diào)速。
電機輸出功率Pe=K*T*ne（功率=扭矩*轉(zhuǎn)速）；因電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速變化的平方成正比）。
從上圖可得出結(jié)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(jié)約量很大。當輸出風量僅僅減少20%時，需要的能源已經(jīng)降低了38%。
3、永磁調(diào)速節(jié)能實際應用
下面是某冶金企業(yè)采用永磁調(diào)速技術(shù)對一臺羅茨鼓風機進行節(jié)能改造的案例。
3.1羅茨鼓風機技術(shù)參數(shù)
3.2節(jié)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(diào)速器后功耗估算：50-30%風門開度下，從經(jīng)驗曲線查?。簩嶋H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(zhuǎn)速與流量為正比關(guān)系，將擋板全開后，羅茨鼓風機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速平方成正比，加計永磁調(diào)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(diào)速器與未裝前相比的節(jié)電情況
3.3改造結(jié)果對比
4、結(jié)論
根據(jù)該項目的實施情況，永磁調(diào)速技術(shù)節(jié)電效果良好。該技術(shù)可以根據(jù)羅茨鼓風機風量的變化實行平滑變速調(diào)節(jié)，該項技術(shù)具有以下技術(shù)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(zhuǎn)的過程具有通過滑差實現(xiàn)緩沖和自動保護功能，大大減少故障的發(fā)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(wǎng)。
4）容忍較大的對中誤差（5mm），安裝調(diào)試過程得到簡化。
5）該項技術(shù)在現(xiàn)場應用中需要一定的技術(shù)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?shù)陌惭b空間。

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