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罗茨鼓风机永磁调速改造

罗茨鼓风机永磁调速改造

山东锦工有限公司是一家专业生产罗茨风机罗茨鼓风机等机械设备公司,位于有“铁匠之乡”之称的山东省章丘市相公镇,近年来,锦工致力于新产品的研发,新产品双油箱罗茨鼓风机、水冷罗茨鼓风机、油驱罗茨鼓风机、低噪音罗茨鼓风机,赢得了市场好评和认可。此类产品已广泛应用于电力、污水处理、环保、化工、钢铁、建材、农药、制药等行业。产品和服务远销全国各地及东南亚,深受客户好评。

当前在冶金行业中,罗茨鼓风机类负载占了很大一部分比例,而在罗茨鼓风机系统中,特别是一些大功率罗茨鼓风机,大部分时间都不是运行在最佳工作点,设备运行大部分也是手动操作,存在相当大的改造和节能空间,设备和系统运行中存在着以下诸多问题,亟待更完善的调速设备来实现系统的调速节能且避免不必要的副作用。
1)流量通过挡板调节,工作效率低,能量损失大;
2)罗茨鼓风机与电机之间为硬联结:振动相互传递,相互影响,振动大;
3)电机带负载启动,启动电流大,时间长,对电网有冲击;
4)风门挡板磨损严重,增加系统故障率和维护成本。
针对罗茨鼓风机类离心负载调速节能,永磁调速是一个不错的选择。它具有高可靠性、高效节能、低故障率、可在恶劣环境下运行、无刚性连接、减少罗茨鼓风机系统维护、减少罗茨鼓风机系统振动和延长设备适用寿命等特点。特别是永磁调速在运行中不产生高次谐波的优良调速特性而使该技术成为罗茨鼓风机类设备节能技术改造的首选。
1、永磁调速的结构组成及工作原理
1.1永磁调速器
永磁调速器是通过气隙来传递扭矩的设备,所以电机与负载之间没有机械性连接,电动机旋转时带动导磁盘在永磁盘产生的磁场中切割磁力线,这样就在导磁盘中产生了涡电流,进而产生感应磁场形成强力磁转矩,拉动永磁盘产生相对运动,从而实现电机与负载之间的柔性传动。
其基本结构如下:
1)永磁转子:内嵌永磁体(强力稀土磁铁)的铝盘,连接于负载轴;2)导磁转子:导磁盘,与电动机轴连接;3)气隙调节机构:调节永磁盘与导磁盘之间气隙大小的设备。
永磁调速的工作原理基于楞次定律:当磁体N极靠近导体板时,在导体板上会产生一个与N极磁场来抵抗磁体N极接近的磁场,该磁场由逆时针旋转的感应电流所产生,这就是著名的楞次定律。同理当磁体N极平行与导体板移动时,导体板上会产生抵抗磁体N极前进的磁场,即产生两个相反方向的磁场,在前进的磁体N极前方产生N极磁场阻碍磁体前进,在前进的磁体N极后方产生S极磁场吸引磁铁棒向后,并且磁体和导体板距离越近时,导体板上阻碍磁体相对运动的力量越大。
1)对于磁体和导体板,静止不动时不起作用;2)当有相对运动时,导体板中会产生涡电流,从而产生感应磁场,进而产生扭矩;3)和两者之间的相对距离和相对运动有密切关系,越远离时,磁力线密度越松散,感应效应越弱,扭矩越小;相对运动越慢,转差越小,产生扭矩越小;反之亦然;4)永磁调速器通过气隙调节机构使永磁转子与导磁转子之间的气隙改变,即改变磁场的耦合度,进而改变磁转矩和负载转速。气隙越小,磁转矩越大,负载转速越高,反之亦然。
1.2永磁调速系统
永磁调速系统一般由负载、电机和永磁调速器三部分组成,永磁调速器的永磁体和负载连接,永磁调速器的导磁体和电机连接,这两个设备之间的气隙通过一个执行器来进行调整。执行器主要由伺服电机组成。通过执行机构推动气隙调节器来调节两个转子之间气隙,实现负载输出速度和扭矩的控制。
永磁调速器可处理设备信号,并与PLC系统相连接。压力等控制信号被PLC系统响应,然后给执行器信号。进而调节两个转子之间的气隙,从而负载速度得到调节。
1)传感器可检测负载流量、温度等受控制量;2)通过PLC将受控量进行PID调制,成为4~20mA模拟量信号以驱动执行机构,进而推动气隙调节器响应信号;3)通过人机界面客户可设定和监视负载输出量;4)该系统为全自动控制,当PLC故障时,可手动调节气隙;5)通过PLC可实现远程“四遥”;
2、永磁调速系统的节能原理
2.1特性曲线节能分析
罗茨风机系统中,整个罗茨鼓风机系统的效率=调节风压设备的效率*电机效率*输送管道的效率*罗茨鼓风机效率。当其他效率不变时,系统效率决定于调节风压设备的效率。风力挡板调节是通过调节挡板开度大小来实现输出风压的调节,罗茨鼓风机的转速自始至终没有发生变化。在风门挡板没有全开或调节器为弯通型时,气体经过风门挡板时能量损失非常大,同时风门挡板两端产生压差也很大,尤其是罗茨鼓风机出口的风压变大,致使罗茨鼓风机偏离了最佳运转效率点,综上所述,挡板开度变小时,电机输入功率变化不大,这样造成了很大的能量浪费。
罗茨鼓风机在实际运行中,工作点是管网H-Q曲线与罗茨鼓风机H-Q曲线的交汇点。罗茨鼓风机在A点正常工作,当风量由Q1调至Q2,采用挡板调节风量时,管网特性曲线发生改变(由R1改变为R2),其工作点也发生改变(由A调至B),进而其功率也发生微小的变化(由OQ1AH1所围成的面积改变为OQ2BH2`所围成的面积),从上图可看出罗茨鼓风机功率变化微小,而其效率降低很大;当采用永磁调速调节时,可按需要调整罗茨鼓风机转速,改变罗茨鼓风机系统的特性曲线,图中n1到n2,其工作点由A调至C,使其风量满足工艺要求,其功率变为OQ2CH2所围成的面积,而其效率没有大的改变,依然在高效区工作。节能量ΔP=(H2`-H2)*Q2。
采用永磁调速器技术,可以代替原来的风门挡板,通过调节两个转子之间的气隙进而调节罗茨鼓风机的转速。实现流量或压力的连续控制,达到上述节电效果。
2.2节能调节公式
实际计算中,经常依据流体机械的相似定律(Affinity Law)做近似计算。对于离心罗茨鼓风机负载有:流量变化与转速变化成正比(Q1/Q2=n1/n2);压力变化与转速变化的平方成正比(H1/H2=(n1/n2)2);负载功率变化与转速变化的立方成正比(P1/P2=(n1/n2)3)。   上述公式因转速变化范围不同而有相当的误差。然而,由于设备的实际运行数据很难准确获取,节能计算一般来说均为大致计算。所以,计算中使用这些公式造成的误差可以容忍。
又因负载功率P=Kp*T*n(功率=扭矩*转速),则P1/P2=(T1/T2)*(n1/n2),与P1/P2=(n1/n2)3联立得:T1/T2=(n1/n2)2(负载转矩变化与转速变化的平方成正比)。
对于永磁调速系统,工作过程中电机输出到永磁调速器的转矩和永磁调速器输出到负载的转矩相等。负载转速改变,但电机转速保持不变,电机转速减去负载转速即为永磁调速器上的滑差。理论上,永磁调速属滑差调速。
电机输出功率Pe=K*T*ne(功率=扭矩*转速);因电机转速保持不变,容易推导出Pe1/Pe2=T1/T2=(n1/n2)2;即Pe1/Pe2=(n1/n2)2(电机输出功率变化与转速变化的平方成正比)。
从上图可得出结果,当输出风量减少时,按照相似定律,负载所需功率减少显著,从而电机输出功率下降明显,对能源节约量很大。当输出风量仅仅减少20%时,需要的能源已经降低了38%。
3、永磁调速节能实际应用
下面是某冶金企业采用永磁调速技术对一台罗茨鼓风机进行节能改造的案例。
3.1罗茨鼓风机技术参数
3.2节能效益计算
1)目前实际功耗:电机功率=1.732*6(kV)*30(A)*0.84=261kW
2)加装永磁调速器后功耗估算:50-30%风门开度下,从经验曲线查取:实际流量与罗茨鼓风机额定流量平均比为60%。
由相似定律可知,转速与流量为正比关系,将挡板全开后,罗茨鼓风机转速下降至60%即可输出所需要的风量,为维持必要的富余量以75%估算,则罗茨鼓风机输入功率与转速平方成正比,加计永磁调速器效率(97%)修正,所以理论功耗将降为:280*(75%)2/0.97=162kW(280kW为罗茨鼓风机满负荷制动功率)。
3)加装永磁调速器与未装前相比的节电情况
3.3改造结果对比
4、结论
根据该项目的实施情况,永磁调速技术节电效果良好。该技术可以根据罗茨鼓风机风量的变化实行平滑变速调节,该项技术具有以下技术特点:
1)电机和负载没有直接的物理连接,不会传递振动,对于冲击型负载和有可能堵转的过程具有通过滑差实现缓冲和自动保护功能,大大减少故障的发生。
2)电机完全是空载启动,启动电流得到大幅降低。
3)谐波污染消除,不伤害电机,不影响电网。
4)容忍较大的对中误差(5mm),安装调试过程得到简化。
5)该项技术在现场应用中需要一定的技术条件。改造罗茨鼓风机需要有连轴器,同时电机和罗茨风机之间要有适当的安装空间。

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