劉學/高級技師
永磁驅動技術是近年來國際上開發的一項突破性新技術,是專門針對風機、泵類離心負載調速節能的適用技術，它具有高效節能、高可靠性、無剛性連接傳遞扭矩、可在惡劣環境下應用、極大減少整體系統振動、減少系統維護和延長系統使用壽命等特點。尤其是其不產生諧波且低速下不造成電動機發熱的優良調速特性,更使其成為風機及泵類設備節能技術改造的首選。變頻調速技術是在電動機供電電源與電動機定子間加入一個可改變電動機供電電源頻率的變流裝置,將通常50Hz工頻交流電源變為頻率可調的交流電源的調速技術。
引言
風機、泵類和空壓機是工廠最重要的耗電設備,應用範圍較廣,耗電量巨大,做好此類負荷的節能工作十分必要。一般風機常年處於恆速運行狀態，以風門開度調節風量,大量能源耗損於風門所增加的阻力上,極不經濟,更不合乎國家節能減排的號召。通過高效的電動機調速來滿足運行中負荷的變化,是提高風機和水泵運行效率和降低工廠用電量的主要手段。根據公式:轉速n=(1-s)60/p,傳統的調速方法主要有:改變磁極對數p,調轉差率s和改變電源頻率/三種方法。變頻器是通過改變電源頻率的方式來改變電動機轉速的,軸功率會大大降低,從而實現節能;永磁調速器是通過改變電動機與負載之間的滑差實現調速的,打破了傳統的調速觀念,作為近幾年來最先進的交流調速技術,有著調節方便，節能效果好，沒有諧波汙染或電磁干擾等優點，得到了廣泛的應用。
1.永磁調速與變頻調速原理
1.1永磁調速原理
永磁調速器是通過氣隙傳遞轉矩的革命性傳動設備,電動機與負載設備轉軸之間無須機械連接,電動機旋轉時帶動導磁盤在裝有強力稀土磁鐵的磁盤所產生的強磁場中切割磁力線,因而在導磁盤中產生渦電流。該渦電流在導磁盤上產生反感磁場,拉動導磁盤與磁盤的相對運動,從而實現了電動機與負載之間的轉矩傳輸。
如圖1所示,電動機與負載之間的轉矩傳輸,不同於常規的硬機械連接方式,而是通過氣隙連接的。它不僅可以通過調整氣隙實現轉速調整,還帶來很多其他調速方式所不具備的優點。
如圖2所示，永磁調速系統的可編程邏輯控制器PLC現場控制器採集如壓力、流量和液位等過程信號以及其他相關的控制信號，進行相關的調速計算處理，然後將計算結果提供給執行器。該執行器調整氣隙，從而調整負載速度以滿足控制要求。
1.2變頻調原理
變頻調速技術是在電動機供電電源與電動機定子間加入一個可改變電動機供電電源頻率的變流裝置,將通常50hz工頻交流電源變為頻率可調的交流電源,實現變頻調速的裝置稱為變頻器。
目前國內大都使用交一直一交變頻器,變頻器一般由整流器、濾波器、驅動電路、保護電路以及控制器等部分組成。首先將單相或三相交流電源通過整流器並經電容濾波後,形成幅值基本固定的直流電壓加在逆變器上,利用逆變器功率元件的通斷控制,使逆變器輸出端獲得一定形狀的知形脈衝波形。通過改變矩形脈衝的高度控制其電壓幅值;通過改變調製週期控制其輸出頻率,從而在逆變器上同時進行輸出電壓和頻率的控制，從而滿足變頻器調速對協調控制的要求。
2.兩類調速系統的優缺點比較
2.1永磁調速系統
第一車間7#送風機所採用的永磁調速裝置，可以進行遠端和就地控制，運行操作方便，有一定的節電效果。永磁調速器是通過氣隙傳遞轉矩的，從而實現了電動機與負載之間的轉矩傳輸,減少了電動機由於風機造成的振動問題。在實現軟起動過程中,永磁調速器的起動過程是先將氣隙調節到最大,這時電動機與負載是完全脫開的,實現電動機的空載起動,然後通過慢慢加速起動負載,當永磁調速器自動系統出現故障時,可以通過執行器手動調節。
儘管永磁調速存在著許多優點,但在實際應用中還存在一些缺陷。由於永磁在調速過程中力的作用,造成對電動機軸承的磨損加大。同時永磁調速在運行時,噪聲相對較大,影響環境,且運行中溫度高。另外永磁調速在安裝時,電動機要向後移動,對電動機基礎要加以改造,並對其加裝剛性支座,相對於變頻調速改造時間較長同時還要求電動機的軸向竄動要在一定範圍內以保證運行平穩。
2.2變頻調速系統
變頻調速是通過改變定子電源的頻率來改變同步頻率實現電動機調速的。在調速的整個過程中,從高速到低速可以保持有限的轉差率,理論上來講具有高效、調速範圍寬(10%-100%)和準確度高等性能,節電效果可達到30%-40%。變頻器技術運用時間較長,技術相對成熟,設備運行平穩,故障率較低。
由於變頻器的變流過程都是由半導體電力電子器件進行整流及逆變而實現的。而變流過程需要電力電子器件能承受相應工作電壓(這是電力電子器件最重要的),同時在變流過程中產生功率損耗。功率損耗與通過變流裝置的電能功率成正比,在一定程度上影響了節電率。另外,變頻器的壽命約為8年,且隨著使用年限的增加,故障率逐年提高,同時,變頻器運行維護費用高,廠家配件貴,維護保養難度較大。
3.兩類調速系統在運用中的改進建議
綜上所述,兩類調速在第一熱電車間應用總體狀況良好,但各自也存在一些問題和缺陷,通過總結安裝和運行中的一些實際經驗,提出了改進建議,以確保設備安穩運行。
3.1針對永磁調速系統,建議以下幾點：
1) 選擇永磁調速裝置時應注意設備容量在它的使用範圍內(安裝時注意永磁調速裝置的形式
2) 永磁調速裝置應安裝在通風且寬敞的場地,最好不要安裝在狹小的廠房內,建議安裝水冷型永磁調速裝置。
3) 安裝過程中建議加裝支座,有條件加裝軸瓦式基座。
4) 在安裝時要檢查電動機軸承軸向竄動情況,使其在規定範圍內,防止造成磁盤吸合的故障。
5) 對投入運行的設備,加強設備巡檢,做好檢測振動、溫度工作,同時做好維護工作,定期檢查、維護,做好潤滑加脂工作,以確保裝置穩定運行。
3.2針對變頻調速系統,建議以下幾點：
1) 為抑制變頻器整流和逆變產生的諧波,可在變頻器前加裝電抗器或電源濾波器。這種方法可使電磁干擾電流降至原來的1/10,效果較明顯;現在如施耐德、ABB公司的大多數產品已在內部加裝了電抗器,用以減小諧波汙染。
2) 變頻器在安裝時應注意:電源電纜採用屏蔽電纜,屏蔽電纜穿鐵管並接地,輸出電纜也穿鐵管並接地,屏蔽層應在接變頻器處和電動機處兩端都接地。
3) 變頻器安裝地點環境衛生,通風要好,做好防護,通風措施,變頻器運行半年應進行內部徹底的清掃檢查,防止內部積灰造成半導體元器件損壞的變頻器故障。
4) 對運行時間8年以上的變頻器制定計劃及時進行更換。
4.結束語
近年來,由於對節能的迫切需要和對產品質量不斷提高的要求,各種調速裝置技術成熟,同時其操作簡單、節電效果明顯,並可以實現高功能化等特點,因而採用各種調速裝置逐步取代風門、擋板和閥門的控制方案。
通過實際使用發現:變頻調速裝置雖然能達到良好的節電效果,但大型的電動機高壓變頻器安裝環境要求較高,需要設置配電間隔,考慮到其散熱問題要安裝空調器等散熱裝置。特別是其產生的諧波電流和諧波電壓,對公用電網是一種汙染,使用電設備所處的環境惡化,給周圍的通信系統和公用電網以外的設備帶來危害。
永磁調速在傳遞效率、調節準確度和響應速度方面略低於變頻調速。根據以上兩種調速裝置在實際應用的總結,建議對於一些低壓、中小型電動機,採用變頻調速裝置;而對於一些高壓、350kW以下的電動機,採用永磁調速的調節方式;對一些功率較大的重要電動機和一些調節範圍較小的電動機慎用調速裝置。在確保生產設備平穩運行的同時,再考慮採用先進的節能措施,只有這樣才能做好生產設備的安全經濟運行工作。
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