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1采用永磁传动器和调速器可行性分析及改造技术方案Xx股份有限公司20年月2一、概述电厂大部分水泵、风机的额定参数大于实际需求，而且水泵、风机常年处于恒速运行状态，通常都是以阀门或风门挡板调节所需流量与压力,大量能源耗损于阀门或风门所增加的阻力上,极不经济更不合乎国家节能检排的号召.若采用调速技术根据需求风量与风压不同而调节相应转速，则可达到显着节能效果。永磁驱动技术近年来国际上开发的一项突破性新技术，是专门针对风机、泵类离心负载调速节能的适用技术。它具有高效节能、高可靠性、无刚性连接传递扭矩、可在恶劣环境下应用、极大减少整体系统振动、减少系统维护和延长系统使用寿命等特点。尤其是其不产生高次谐波且低速下不造成电机发热的优良调速特性更使其成为风机及泵类设备节能技术改造的首选。待改设备选用水平安装永磁调速器如下:设备名称电机功率额定转速选用永磁设备名称规格工业水泵132KW1480rpm永磁调速器ASDM18.53二、设备描述工业水泵电机铭牌数据风机铭牌数据额定功率132KW额定功率额定电压380V额定流量342~540m³/h额定电流240.4A额定压力0.6MPa额定转速1490rpm工作效率功率因数0.88目前的工作状态单价电费0.4692实际流量：220~260m³/h，电机电流120A三、方案描述(一)系统构成与工作原理永磁调速器是透过气隙传递转矩的革命性传动设备,电机与负载设备转轴之间无需机械连结,电机旋转时带动导磁盘在装有强力稀土磁铁的磁盘所产生的强磁场中切割磁力线，因而在导磁盘中产生涡电流(EddyCurrent),该涡电流在导磁盘上产生反感磁场，拉动导磁盘与磁盘的相对运动，从而实现了电机与负载之间的转矩传输。永磁调速器由四个部件组成：永磁转子:镶有永磁体(强力稀土磁铁)的铝盘,与负载轴连接导磁转子:导磁体盘(铜或铝),与电机轴连接气隙执行机构:调整磁盘与导磁盘之间气隙的机构转轴连接壳与紧缩盘:以专利紧缩盘装置与电机及负载轴连结从上面的原理图中看出，电机与负载之间的扭矩传输，不同于常规的硬机械连接方式，是通过气隙连接的，它不仅可以通过调整气隙实现转速调整，还带来很多其它调速方式所不具备的优点。永磁转子转轴连接壳与紧缩盘导磁体盘(铜或铝)气隙调整机构(未显示执行器)4安装于系统中，永磁调速器PMD可响应于过程信号。压力、流量、液位、或其它过程控制信号被控制系统接收和处理，然后提供到PMD的执行器。该执行器调整气隙，从而调整负载速度以满足控制要求。流量/压力/温度传感器检测负载受控制量通过逻辑控制器PLC将检测量通过PID调节，变成4～20mA信号驱动角度执行机构，推动PMD的气隙调节动作人机界面用于客户设定负载输出量的界面整个控制系统为全自动，当自动系统故障时，可通过执行器手动调节气隙也可通过人机界面和/或PLC实现远程遥控或直接由中央控制系统(DCS)进行远程遥控使用永磁调速的优点1.调节范围:永磁调速可在0~98%的范围内对负载进行无级调速。2.可实现过程控制，响应速度快PMD永磁调速接收标准4~20mA信号，根据输入信号调节负载转速，满足系统需求，响应速度快。3.空载启动，启动电流冲击小PMD在启动时，将气隙调节到最大，实现空载启动，可极大的降低电机启电流所需时间。4.减少振动：由于PMD永磁调速是非机械连接的调速装置，泵和电机没有机械硬连接，完全是通过气控制/反馈信号电机PLC现场控制器(或直接到DCS)压力,流量或其它控制信号风机水泵或其它负载设备執行器永磁调速器控制/反馈信号(4–20mA反馈遥控转速人机界面5隙传递扭矩的，这样的好处是隔离了振动的传递，减低振动。消除振动能力最高可达80%5.可靠性高，维护少:设备结构简单，故障率底，维护成本低。6.使用寿命长:PMD永磁调速的使用寿命可达30年7.节能:通过调节负载转速，提高效率，减少管路损失，减低电机负荷，节能效果明显。8.适应于各种严酷工作环境电网电压波动较大，谐波含量较高，易燃、易爆，潮湿，粉尘含量高，高温、低温等场所。9.无谐波干扰:非接触性的机械联结，不产生谐波干扰。（二）配套工程1基础设计永磁调速器与永磁传动器的安装方式简单，工程量小，它是安装在电机与负载之间的位置。为了安装永磁调速驱动器，只需在电机与负载之间预留适当空间，并将永磁调速驱动器安装于电机和负载之间即可。(若属改造设备则需进行部份基础改造工程,延伸电机基座)2电动执行器永磁调速器配套稳定可靠之电动执行机构,可充分满足风机调速和现场环境要求。执行器防护等级为IP55或NEMA4X,使用220V电源,接受DC4~20mA模拟信号可实现比例控制。所接受来自甲方DCS系统的控制信号应包括速度调节信号及故障状态下使永磁调速器气隙推至最大的信号（AO）。永磁传动器，在固定气隙下工作，无需电动执行器。3控制界面对用永磁调速器，可使用现场PLC控制柜或由中央控制式(DCS)系统进行遥控。永磁调速器附带的控制器通过处理各种信号实现对负载调速，包括压力、流量、等其它过程控制信号。永磁调速驱动器可以方便地搭配一般标准电机系统，不需要变频专用电动机也不须对供电电源进行任何改动。安装永磁调速驱动器以后，对整个系统不产生谐波污染或电磁波干扰。在大多数情况下，不需传统的的过程控制硬件设备(如控制阀)，负载将在最优化的速度运行，增加能源效率，减少运行和维护成本。工业水泵加装永磁调速器安装示意图:6(三)节能原理在实际工程设计与应用中，为了保证负荷最大时风机或水泵系统满足输出要求，通常需要按系统的最大输出能力配备风机水泵系统，而真正实用中，绝大多数情况下并非需要系统在满负荷下使用，而是根据负载的实际需要，通过流量控制元件如阀门或风门挡板等实现流量和/或压力控制，以满足生产过程的需要。最典型的控制流量和/或压力的方法是使用阀门或风门挡板。整个风机或水泵系统的效率＝电机效率×调节流量或转速或压力控制设备的效率×风机或水泵效率×输送管道的效率。如果其它效率恒定的情况下，系统效率取决于调节流量或转速或压力控制设备的效率。由于阀门或风门挡板通过调节开度实现输出流量或压力的调节，电机和负载的转速并未发生变化，从相似定律可以看出，输入功率并不会因为阀门开度变化而变化。当阀门或风门挡板开度100%或调节器非直通型，流体经过阀门或风门挡板都会造成非常大的能量损失，同时在阀门或风门挡板两端产生很大的压差，特别是在风机或水泵的输出端的压力增高，使得风机或水泵的运转点偏离最佳效率点，因此，阀门开度减小时，电机输入功率不会显着减小，很多能量由此浪费掉。采用永磁调速器技术，可以通过调节气隙实现流量和/或压力的连续控制，取代原系统中控制流量和/或压力的阀门或风门挡板，在电机转速不变的情况下，调节风机或水泵的转速。风机水泵等离心负载符合相似定律：Q1/Q2=n1/n2(流量变化与转速变化成正比)H1/H2=(n1/n2)2(压力变化与转速变化的平方成正比)P1/P2=(n1/n2)3(负载功率变化与转速变化的立方成正比)T1/T2=(n1/n2)2(负载扭矩变化与转速变化的平方成正比)电机输出功率P=Txω(功率=扭矩x转速)电机风机7所以电机输出功率P1/P2=(n1/n2)2从上面公式及图表可以看出，当输出流量和/或压力减少时，按照离心负载的相似定律，电机功率急剧下降，减少了能源需求，从而大大地节约了能源。例如，当输出流量需求仅降低20%满负荷流量，输出压力降低到满负荷的38%，而能源需求降低了将近50%！如果不考虑调速装置的能耗，节能效果可达50%。当然，任何一种调速装置都是需要耗能的，但这种能耗远远低于输入能耗的降低，因此可以实现很好的节能效果。必须指出：节能效果主要取决于风机水泵系统实际持续运行的工况。合理的工作点设置是系统节能设计的基点。n：水泵性能曲线R：管网特性曲线风机在运行时，其工作点是风机H-Q曲线与管网H-Q曲线的交点。风机的正常工作点为A，当风量需要从Q1调到Q2时，采用阀门调节时，管网特性曲线由R1改变为R2，其工作点A调至B点，其功率为OQ2BH2’所围成的面积，其功率变化很小，而其效率却随之降低。采用调速调节时，可按需要调整电机转速，改变设备的性能曲线，图中n1到n2，其8工作点A调至C点，使其参数满足工艺要求，其功率为OQ2CH2所围成的面积，同时其效率曲线也随之平移，依然工作在高效区。由于功率随转速3次方变化，故节能效果显著。节能量P＝（H2’－H2）×Q29（四）、节能量化分析1.工业水泵节能分析电机铭牌数据风机铭牌数据额定功率132KW额定功率额定电压380V额定流量342~540m³/h额定电流240.4A额定压力0.6MPa额定转速1490rpm工作效率功率因数0.88目前的工作状态单价电费0.4692实际流量：220~260m³/h，电机电流120A工业水泵的额定流量=(342+540)/2=440m³/h工业水泵额静扬程按照25m估计工业水泵的轴功率=Q*H*9.8/η(水泵效率按0.6估计)=440*60*9.8/0.65/3600=110kw改造前电机的功率=1.732*380V*120A*0.88*0.948(电机效率)=66kw根据工业水泵参数，模拟出的水泵性能曲线如下图：由模拟曲线可计算出，在流量240m³/h时，对应的电机功率约为51kw节电率=(66-51)/66=22.7%年节电费=（66-51）*7000小时*0.4692=5万10详细节能分析见附件。（五）、安全生产分析1.电压敏感性变频调速：变频调速是将输入电压通过变频器输入整流器变为高压直流电压，之后通过能改变频率的逆变器变换成频率可变的高压交流电来驱动电机运行的，是变频率的调速技术。因为变频器输入端直接连接到电网，对电网电压更为敏感，电压变化、电流变化、雷击浪涌等，直接影响变频器电子设备的可靠性，容易造成变频器的绝缘击穿、控制器件的损坏等，因此其安全性最低，极大地降低了原系统的可靠性，为提高可靠性，一般应安装避雷装置。永磁调速：永磁调速设备为精密的纯机械的设备，采用的负载滑差调速技术。因为该设备与电无关，因此对电网电压不敏感，不影响原系统的可靠性。2.对原系统电机的改造及要求变频调速：尽管变频器调速不需要改造电机本身，由于变频器的输出电压是由许多方波叠加而成的正弦波，存在着很大的谐波分量，高次谐波电流很大，容易导致电机过热(因为趋肤效应)，因此严格说来，电机应该使用绝缘等级为H级的电机，才能保证原有电机的设计寿命，一般现有改造忽略了变频器对电机寿命的影响而直接采用现有电机，是非常不合理的。永磁调速：不改变原有系统的可靠性。3.环境要求变频调速：变频器为复杂的电力电子装置，其控制回路采用可控硅或IGBT实现电流调节，半导体元件通常要求在0~40℃环境下工作，同时对环境湿度也有要求，一般为相对湿度60~90%，因此，必须为调速设备提供专用房间并安装空调。永磁调速：永磁调速装置为精密的纯机械装置，允许在-50~+100℃环境下工作，甚至可以在0~100%相对湿度环境下工作，一般不需要提供任何环境条件。4.电机启动变频调速：变频器可以从0转速启动，但启动过程中负载一直加载，启动时间很长，启动过程中电机处于低转速状态，电机发热厉害，但启动电流较小、管路压力平稳增加，不会造成管路压力突变。永磁调速：电机启动时，负载可以完全断开，实现零负载启动，当电机转速很快达到全速时，负载平滑启动，启动时间短，电流冲击小且管路压力平稳增加，不会造成管路压力突变。5.电力谐波和功率因素的影响变频调速：变频器直接串联在电网侧与电机之间，且通过整流方式输入，因此在电网中产生很高的、频率范围很广的谐波电流，通常由变频器产生的总谐波电流要超过60%以上；11由于谐波电流，经常使得功率因素补偿电容烧毁，熔断器熔断、空气开关跳闸、线路过载。为了防止上述故障，通常需要投资很昂贵的谐波治理设备。永磁调速：因与电网无关，因此不会产生谐波。6.调速的可靠性变频调速：变频器是由整流滤波电路+变频逆变电路+复杂的控制电子电路组成，特别是其主电路