高压永磁同步变频电机在风机系统节能应用.pdf

30.使用与维护使用与维护第41卷2 0 2 3年第4期（总第2 2 6 期）高压永磁同步变频电机在风机系统节能应用梁鑫鑫，贺圣茗，王成玉，毕研雷1，袁陆陆1，陈义云（1日照钢铁有限公司；2 汉威广园（广州）机械设备有限公司，山东日照2 7 6 8 0 0）【摘要】本文根据风机变频运行特性曲线特点及永磁同步变频电机节电理论的计算结果，以水泥产线循环风机系统节能改造应用为实例，采用了“变频器+高压永磁同步变频电机”双重节能改造方案，有效降低了能源消耗，起到更好的节能效果，可在风机节能系统中推广应用。【关键词】变频器；永磁同步变频电机；改造方案；节能Application of High-voltage Permanent Magnetic Synchronous VariableFrequency Motor in the Fan System Energy-savingLiang Xinxin,He Shengming,Wang Chengyu,Bi Yanlei,Yuan Lulu,Chen Yiyun(1 Rizhao Iron and Steel Co.,Ltd.;2 Hanwei Goyo(Guangzhou)Mechanical Equipment Co.,Ltd.,RizhaoShandong 276800)Abstract According to the characteristics of the fan s variable frequency operation characteristic curve and thecalculation results of the power saving theory of permanent magnetic synchronous variable frequency motor,this paper takes theapplication of energy-saving transformation of cement production line circulating fan system as an example,and adopts the dualenergy-saving transformation scheme of“frequency converter+high-voltage permanent magnetic synchronous variablefrequency motor,which effectively reduces energy consumption and plays a better energy-saving effect,and can be popularizedand applied in the fan energy-saving system.Key Words frequency converter;permanent magnetic synchronous variable frequency motor;transformation scheme;energy-saving1前言工业节能在整个工艺流程中，最大限度地利用能源，提高产品产量、质量，制造节能型装备。企业的风机选型一般按照风机满负荷工作需用量来选型，但往往在正常生产的过程中风机并非处于满负荷运转状态，而是通过调节风门开度调节风机风量，达到改变流量的目的。不管负荷如何变化，风机均维持在最高转速运行，故浪费电量很严重，因此对风机进行节能改造是很有必要的。风机系统变频改造在工业中应用比较广泛，采用风机系统变频化手段取消风机阀门的风量调节方式，同时也可将原有工频运行的三相异步电机改造为永磁同步变频电机，这样不仅降低了能源消耗，也大大提高了设备运行性能，从而达到节约电能的效果。2节能原理及节能计算2.1变频风机运行时的特点采用变频器调速控制，通过改变风机的转速，从而改变风机风量以适应生产工艺的需要。风机变频运行特性曲线见图1。P4R.P.R.AR.EDBCFHF3Q.Q.Q.Q风量值/（mh)图1风机变频运行特性曲线图1中F、F、F为风机压力与风量关系曲线；R.、R、R.为管网阻力与风量关系曲线；n1、n2、n,为风机效率曲线；A、E、B、C、D、F为31使用与维护第41卷2 0 2 3年第4期（总第2 2 6 期）工作点，坐标轴之间与坐标轴面积为电机功率能耗。（1）F、F是指F性能曲线下方偏左的一系列曲线族，即随着工作频率的变化，（Q-p）性能曲线就沿着管网阻力曲线向左下方滑动形成不同的（Q-p）曲线族F.。（2）F变化时，工作点A、E、B也分别沿着管网阻力曲线R，R，R.变化到C、D、F。效率曲线,也随着向左推移，并且形成高效扇形区。（3）随着频率F的降低，当管网阻力一定时（假设为R.），变频运行风机的出口压力逐渐降低为P-D或D-G，变频后流量从Q.快速减少为Q，工作点G的所需要的扬程也随着降低。而频率增加时，风机的出口压力也上升，使流量Q也增加，直至到Q。如果要继续增加流量，此时必须把挡风板全部打开，流量最大可以达到Q，此时要防止工频风机过载。由此可见，改变电机转速相当于改变风机的压力与流量的关系，不改变管网的阻抗特性，但随着转速的降低，风机的特性曲线下移，电机能耗随之降低。变频运行时，频率不能调的过低，因为过低的频率运行，将满足不了工艺要求。2.2永磁同步变频电机节能特点高压永磁同步变频电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等特点，在变频矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，高压永磁同步变频电机较普通高压三相异步电机相比，其运行参数如下：功率因数达0.9 6 0.9 9；额定效率可提高1.5%9%；高压电机系统节能提高4%15%；运行电流可降低10%14%。2.3变频改造节能计算水泥产线循环风机为水泥粉状物料输送提供风量动力，风量大小通过阀门进行调节，电机采用转子串水阻柜启动方式。生产过程中循环风机阀门开度仅开到31%40%的范围，循环风机电机就处于满负荷运行状态，存在大量浪费电能的问题，故采用“变频器+高压永磁同步变频电机”双重节能方式，以降低能源消耗。节能计算如下：（1）变频改造节能计算以水泥产线循环风机电机运行参数为例，额定电压U为10 kV，运行电流I为39 A，功率因数cos为0.8，电机额定效率na为0.9 5，水泥循环风机电机的实际输出功率P为：P=/3 Ulcos n a=1.732 10 39 0.8 0.95=513.36kW电动机的输出功率即循环风机的输人功率，联轴器的传动效率n，按照0.9 8 计算则风机输人功率P,为：P=P m,=513.36 0.98=503.09 kW根据现场电动机运行时风门开度为40%，风机实际流量与风机额定流量比值K取经验值为0.975，节电率入为：K3入=0.5 100%15%0.25+0.75K2风机节电量为：N=P=50 3.0 9 15%=7 5.46 k W（2）高压永磁同步变频电机改造节能计算：高压永磁同步变频电机较普通高压三相异步电机节能可提升至4%15%，考虑风机系统并非满负荷运转，按照提升4%计算，节电量为：P=P 4%=503.9 4%=20.53kW通过以上计算得出，水泥循环机风机采用“变频器+高压永磁同步变频电机”双重节能方式，小时可节电约7 5.46+2 0.53=9 5.9 9（kWh），水泥循环风机系统有较大的节能空间3系统改造方案3.1系统整体设计取消原有水泥产线循环风机系统水阻柜启动、阀门调节风量的控制方式，改进为高压变频器启动及风量调节的控制方式；拆除水阻柜进相器，通过对高压变频器选型、安装及调试，将三相绕线式高压电机更换为高压永磁同步变频电机，利用原有高压电缆，重新制作高压电缆接头，改进水泥产线循环风机系统。系统整体设计如图2。高压母线高开柜硬接线远程控制系统变频系统（食旁路）DC系统通讯/硬接线M负载高压永磁同步电机循环风机图2 变频调速+永磁电机整体系统图32下转第35页使用与维护第41卷2 0 2 3年第4期（总第2 2 6 期）3.2变频器选型采用变频调速控制方式控制高压永磁同步变频电机，控制方式主要有压频比控制、闭环磁通矢量控制、开环磁通矢量控制三种方式；本改造方案中，选择闭环磁通矢量控制方式，具有转矩响应快，转速精度高，低速性能良好等特点，因此在变频器选型时应考虑具备此功能。变频器的控制方式以及旁路设计方案如下：（1）配置本地以及远程两路控制方式。本地控制为触摸屏可进行变频器的启停、复位、频率给定等基本操作，也可以查看具体的趋势曲线、单元状态、运行日志、故障报警详情等。远程控制，可以通过PLC对变频器进行远程的控制及状态的查看。（2）变频器采用“一拖一”自动旁路方案旁路柜含2 把隔离刀闸和3个真空接触器。高压变频控制系统采用自动旁路设计图3，实现手、自动进行变频转工频及工频转变频切换，母线QFKM1QS1UKM3QS2KM2MS电动机图3高压变频控制系统自动旁路设计简图自动旁路由2 把隔离刀QS1、Q S2 和3个真空接触器KM1、K M 2、K M 3组成，在变频运行时，QS1、Q S2、K M 1、K M 2 闭合，变频器运行带动电机M及负载，当变频器内部发生故障时（可设定），KM1与KM2分断，KM3合闸，实现电机变频转工频运行，变频器发出工频运行信号，故障时同时发出变频器故障信号。当检修完毕后，可手动实现工频转变频运行。所有的控制按钮等均安装于旁路柜上。此种方式的特点：在变频器出现严重故障时，负载能够自动转人工频电网中，切断变频器，并且负载不用停机；另外可以在旁路运行情况下断开QS1和QS2检修变频器3.3高压永磁同步变频电机选型原水泥循环风机电机为三相异步电机额定电压为10 kV、电机额定功率为6 30 kW、功率因数为0.8；在保证原有风机功率不变情况下更换为同型号高压永磁同步变频电机，即电机电压相同、中心高机座号相同、功率相同、电压及转速相同，同时取消转子接线，采用变频器与同步电机定子相连。更换的永磁同步电机功率因数由0.8 提升至0.96，与同型号电机相比提高电机工作效率。4实施后运行效果改造实施完毕后，在保证水泥产线台时相同的条件下，对改造前后的风机运行功率、运行参数进行了对比，循环风机改造前后节电统计表见表1。表1循环风机改造前后节电统计表小时电量对比台时/(t h-l)功率/kW/(kWh)改造前运行功率173513.36理论测算173417.3795.99改造后电表实测173420.0090.00根据上文中“2.3变频改造节能计算”可得，改造前风机运行功率P为513.36 kW，理论测算总节能功率为9 5.9 9 kW，可得出改造后风机运行功率为513.36-9 5.9 9=417.37 kW。为保证实际节电量数值的准确性，实际节能电量按照电能表的实际数值进行计算，本案例在循环风机电机高压柜处安装三相四线电能表，在保证改造前后产线平均台时产量17 3t/h条件下对循环风机改造前后运行功率、电量进行实测统计对比；实际抄表得出改造后运行功率为42 0（kWh），小时节电量为9 0（kWh）。以上结果得知，实测小时节电量较理论测算偏差为9 5.9 9-9 0=5.9 9（kWh），实际与理论节能数值比较接近，达到预期改造效果。水泥产线循环机风机年运转时间约1.12 10 h，年节电量1.00810(kWh)，按照工业用电0.52 元/kWh)，节电年效益52.42 万元。此改造方案实现了降低能源消耗，也节约了产线运行成本。4结束语变频器调节装置在工业风机上已有广泛的应用，不仅节约了能源，而且还可以大大提高控制35(2022-10-17收稿上接第32 页（2 0 2 3-0 6-16 收稿使用与维护第41卷2 0 2 3年第4期（总第2 2 6 期）接近开关支架，高度42 0 mm，焊接在接轴夹紧装置上，接近开关安装实物图见图6，在支架开条形槽30 mm100mm，方便接近开关位置调整，根据水平接轴工作时的位置以及事故状态下的断轴运动轨迹，调整接近开关距离主轴为50 mm。当轴折断时，将被接近开关检测到，并发出数字信号传送至PLC，接近开关信号读人PLC见图7。图6 接近开关安装实物图图7 接近开关信号读入PLC（3）在PLC中读取接近开关数字信号，编写逻辑控制程序，将逻辑结果加人到主电机的转车连锁条件中，即当该接近开关信号被检测到后，立即质量和运行条件。本文方案中采用的“变频器+高压永磁同步变频电机”双重节能方式，节能效果显著，建议推广使用；在工业领域上开展的节能降耗工作，不仅缓解能源瓶颈制约，而且在建设节能型社会和促进可持续发展的道路上起到举足轻重的地位。参考文献：1】陈磊，李洪章.永磁同步电动机的结构特点分析 J将主传动速度给定清零，封锁主传动逆变器使能，让主电机快速停止转动，减少一次损伤时间。（4）编写报警程序，形成报警信息。在PLC中给报警位赋予地址，同时在HMI中建立报警信息，当压力波动的差值大于1MPa时发出报警，提示专业点巡检进行现场检查，如发现问题及时处理。当保护接近开关信号被触发时，控制主电机停止运行，同时在HMI发出断轴报警信息，以此来提示生产操作人员，严禁操作主传动转车，避免设备的二次损伤。5结语轧机水平接轴受损预警及断轴保护技术，通过对水平方向接轴异常压力实时检测，对主轴断裂后的运行轨迹进行评估。利用铁磁性检测元件接近开关，对断裂的主轴进行及时检测，在停止主传动电机运行的同时发出报警，提示操作人员停止主传动设备运转，防止设备二次损伤，无论哪个环节起到作用，都会减少设备损坏程度，避免设备事故的扩大化。该技术投人使用以来成功预警了两次，解决了现场实际问题，避免了重大设备事故的发生，完全满足生产工艺要求，达到了预期效果。参考文献：1】娄世宇，郭鹏辉.17 8 0 轧机R2粗轧机主传动接轴及传动辊的断裂失效分析 J.机械强度，2 0 14.（5）：809-812.2贾锋.粗轧机接轴平衡装置的故障分析及改进 J.机械工程师，2 0 12.（9）：9 8-9 9.电站系统工程.2 0 11.7（0 4)：34.2陈伟，金辛海，胡志涛.高压永磁同步电机开环矢量控制系统研究 J.电气传动.2 0 16.（0 4)：8.3李学虎.浅谈变频与工频运行自动切换系统在一次风机上的应用J】.青年学科.2 0 14（0 7)：35.4大杜欣慧，王孝.风机变频节能及节能预算方法的研究 J.山西焦煤科技，2 0 0 8（0 1)：2 1.