羅茨鼓風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)、羅茨鼓風(fēng)機(jī)等機(jī)械設(shè)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(fēng)機(jī)、水冷羅茨鼓風(fēng)機(jī)、油驅(qū)羅茨鼓風(fēng)機(jī)、低噪音羅茨鼓風(fēng)機(jī)，贏得了市場好評和認(rèn)可。此類產(chǎn)品已廣泛應(yīng)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(wù)遠(yuǎn)銷全國各地及東南亞，深受客戶好評。

當(dāng)前在冶金行業(yè)中，羅茨鼓風(fēng)機(jī)類負(fù)載占了很大一部分比例，而在羅茨鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，特別是一些大功率羅茨鼓風(fēng)機(jī)，大部分時(shí)間都不是運(yùn)行在最佳工作點(diǎn)，設(shè)備運(yùn)行大部分也是手動操作，存在相當(dāng)大的改造和節(jié)能空間，設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行中存在著以下諸多問題，亟待更完善的調(diào)速設(shè)備來實(shí)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(fēng)機(jī)與電機(jī)之間為硬聯(lián)結(jié)：振動相互傳遞，相互影響，振動大；
3）電機(jī)帶負(fù)載啟動，啟動電流大，時(shí)間長，對電網(wǎng)有沖擊；
4）風(fēng)門擋板磨損嚴(yán)重，增加系統(tǒng)故障率和維護(hù)成本。
針對羅茨鼓風(fēng)機(jī)類離心負(fù)載調(diào)速節(jié)能，永磁調(diào)速是一個(gè)不錯(cuò)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(yùn)行、無剛性連接、減少羅茨鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)維護(hù)、減少羅茨鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)振動和延長設(shè)備適用壽命等特點(diǎn)。特別是永磁調(diào)速在運(yùn)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(fēng)機(jī)類設(shè)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(shè)備，所以電機(jī)與負(fù)載之間沒有機(jī)械性連接，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動導(dǎo)磁盤在永磁盤產(chǎn)生的磁場中切割磁力線，這樣就在導(dǎo)磁盤中產(chǎn)生了渦電流，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)磁場形成強(qiáng)力磁轉(zhuǎn)矩，拉動永磁盤產(chǎn)生相對運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)與負(fù)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(qiáng)力稀土磁鐵）的鋁盤，連接于負(fù)載軸；2）導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子：導(dǎo)磁盤，與電動機(jī)軸連接；3）氣隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)：調(diào)節(jié)永磁盤與導(dǎo)磁盤之間氣隙大小的設(shè)備。
永磁調(diào)速的工作原理基于楞次定律：當(dāng)磁體N極靠近導(dǎo)體板時(shí)，在導(dǎo)體板上會產(chǎn)生一個(gè)與N極磁場來抵抗磁體N極接近的磁場，該磁場由逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的感應(yīng)電流所產(chǎn)生，這就是著名的楞次定律。同理當(dāng)磁體N極平行與導(dǎo)體板移動時(shí)，導(dǎo)體板上會產(chǎn)生抵抗磁體N極前進(jìn)的磁場，即產(chǎn)生兩個(gè)相反方向的磁場，在前進(jìn)的磁體N極前方產(chǎn)生N極磁場阻礙磁體前進(jìn)，在前進(jìn)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(dǎo)體板距離越近時(shí)，導(dǎo)體板上阻礙磁體相對運(yùn)動的力量越大。
1）對于磁體和導(dǎo)體板，靜止不動時(shí)不起作用；2）當(dāng)有相對運(yùn)動時(shí)，導(dǎo)體板中會產(chǎn)生渦電流，從而產(chǎn)生感應(yīng)磁場，進(jìn)而產(chǎn)生扭矩；3）和兩者之間的相對距離和相對運(yùn)動有密切關(guān)系，越遠(yuǎn)離時(shí)，磁力線密度越松散，感應(yīng)效應(yīng)越弱，扭矩越??；相對運(yùn)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(jī)構(gòu)使永磁轉(zhuǎn)子與導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子之間的氣隙改變，即改變磁場的耦合度，進(jìn)而改變磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)速。氣隙越小，磁轉(zhuǎn)矩越大，負(fù)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(fù)載、電機(jī)和永磁調(diào)速器三部分組成，永磁調(diào)速器的永磁體和負(fù)載連接，永磁調(diào)速器的導(dǎo)磁體和電機(jī)連接，這兩個(gè)設(shè)備之間的氣隙通過一個(gè)執(zhí)行器來進(jìn)行調(diào)整。執(zhí)行器主要由伺服電機(jī)組成。通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)推動氣隙調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間氣隙，實(shí)現(xiàn)負(fù)載輸出速度和扭矩的控制。
永磁調(diào)速器可處理設(shè)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(yīng)，然后給執(zhí)行器信號。進(jìn)而調(diào)節(jié)兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間的氣隙，從而負(fù)載速度得到調(diào)節(jié)。
1）傳感器可檢測負(fù)載流量、溫度等受控制量；2）通過PLC將受控量進(jìn)行PID調(diào)制，成為4～20mA模擬量信號以驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)而推動氣隙調(diào)節(jié)器響應(yīng)信號；3）通過人機(jī)界面客戶可設(shè)定和監(jiān)視負(fù)載輸出量；4）該系統(tǒng)為全自動控制，當(dāng)PLC故障時(shí)，可手動調(diào)節(jié)氣隙；5）通過PLC可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，整個(gè)羅茨鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的效率=調(diào)節(jié)風(fēng)壓設(shè)備的效率*電機(jī)效率*輸送管道的效率*羅茨鼓風(fēng)機(jī)效率。當(dāng)其他效率不變時(shí)，系統(tǒng)效率決定于調(diào)節(jié)風(fēng)壓設(shè)備的效率。風(fēng)力擋板調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)擋板開度大小來實(shí)現(xiàn)輸出風(fēng)壓的調(diào)節(jié)，羅茨鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速自始至終沒有發(fā)生變化。在風(fēng)門擋板沒有全開或調(diào)節(jié)器為彎通型時(shí)，氣體經(jīng)過風(fēng)門擋板時(shí)能量損失非常大，同時(shí)風(fēng)門擋板兩端產(chǎn)生壓差也很大，尤其是羅茨鼓風(fēng)機(jī)出口的風(fēng)壓變大，致使羅茨鼓風(fēng)機(jī)偏離了最佳運(yùn)轉(zhuǎn)效率點(diǎn)，綜上所述，擋板開度變小時(shí)，電機(jī)輸入功率變化不大，這樣造成了很大的能量浪費(fèi)。
羅茨鼓風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，工作點(diǎn)是管網(wǎng)H-Q曲線與羅茨鼓風(fēng)機(jī)H-Q曲線的交匯點(diǎn)。羅茨鼓風(fēng)機(jī)在A點(diǎn)正常工作，當(dāng)風(fēng)量由Q1調(diào)至Q2，采用擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量時(shí)，管網(wǎng)特性曲線發(fā)生改變（由R1改變?yōu)镽2），其工作點(diǎn)也發(fā)生改變（由A調(diào)至B），進(jìn)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(fēng)機(jī)功率變化微小，而其效率降低很大；當(dāng)采用永磁調(diào)速調(diào)節(jié)時(shí)，可按需要調(diào)整羅茨鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，改變羅茨鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的特性曲線，圖中n1到n2，其工作點(diǎn)由A調(diào)至C，使其風(fēng)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(fēng)門擋板，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間的氣隙進(jìn)而調(diào)節(jié)羅茨鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。實(shí)現(xiàn)流量或壓力的連續(xù)控制，達(dá)到上述節(jié)電效果。
2.2節(jié)能調(diào)節(jié)公式
實(shí)際計(jì)算中，經(jīng)常依據(jù)流體機(jī)械的相似定律（Affinity Law）做近似計(jì)算。對于離心羅茨鼓風(fēng)機(jī)負(fù)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(fù)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(dāng)?shù)恼`差。然而，由于設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)很難準(zhǔn)確獲取，節(jié)能計(jì)算一般來說均為大致計(jì)算。所以，計(jì)算中使用這些公式造成的誤差可以容忍。
又因負(fù)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(fù)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(jī)輸出到永磁調(diào)速器的轉(zhuǎn)矩和永磁調(diào)速器輸出到負(fù)載的轉(zhuǎn)矩相等。負(fù)載轉(zhuǎn)速改變，但電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變，電機(jī)轉(zhuǎn)速減去負(fù)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(jī)輸出功率Pe=K*T*ne（功率=扭矩*轉(zhuǎn)速）；因電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變，容易推導(dǎo)出Pe1/Pe2=T1/T2=（n1/n2）2；即Pe1/Pe2=（n1/n2）2（電機(jī)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(dāng)輸出風(fēng)量減少時(shí)，按照相似定律，負(fù)載所需功率減少顯著，從而電機(jī)輸出功率下降明顯，對能源節(jié)約量很大。當(dāng)輸出風(fēng)量僅僅減少20%時(shí)，需要的能源已經(jīng)降低了38%。
3、永磁調(diào)速節(jié)能實(shí)際應(yīng)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(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造的案例。
3.1羅茨鼓風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)
3.2節(jié)能效益計(jì)算
1）目前實(shí)際功耗：電機(jī)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(fēng)門開度下，從經(jīng)驗(yàn)曲線查取：實(shí)際流量與羅茨鼓風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降至60%即可輸出所需要的風(fēng)量，為維持必要的富余量以75%估算，則羅茨鼓風(fēng)機(jī)輸入功率與轉(zhuǎn)速平方成正比，加計(jì)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(fēng)機(jī)滿負(fù)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(xiàng)目的實(shí)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(fēng)機(jī)風(fēng)量的變化實(shí)行平滑變速調(diào)節(jié)，該項(xiàng)技術(shù)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：
1）電機(jī)和負(fù)載沒有直接的物理連接，不會傳遞振動，對于沖擊型負(fù)載和有可能堵轉(zhuǎn)的過程具有通過滑差實(shí)現(xiàn)緩沖和自動保護(hù)功能，大大減少故障的發(fā)生。
2）電機(jī)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(jī)，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(xiàng)技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用中需要一定的技術(shù)條件。改造羅茨鼓風(fēng)機(jī)需要有連軸器，同時(shí)電機(jī)和羅茨風(fēng)機(jī)之間要有適當(dāng)?shù)陌惭b空間。

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