变频永磁驱动系统在脱硫风机上的应用分析

高剑飞 扈建华 刘辉雪 朱毅杰

摘要：本文以某大型钢铁厂1120kW脱硫风机为例，设计永磁驱动改造方案，对比异步电动机驱动系统进行永磁驱动系统替代方案分析。对比分析主要包含：基本参数，经济性、传动链组成、结构复杂程度、系统可靠性、维护量、维护成本、占地面积、环境影响等方面。结果显示，将永磁驱动系统运用于工业风机驱动，在诸多方面优势明显。

关键词：工业风机;永磁电动机;异步电动机;可行性分析

0引言

大功率风机在工业领域应用十分广泛，目前，基于液力耦合器的异步电动机的驱动系统在大型风机驱动领域上的有着重要地位。

异步电动机的驱动系统由“异步电动机+液力耦合器”组成。这种驱动方式的特点是：采用调速型液力耦合器调速，实时控制风机叶片转速来调整风量，但液耦故障率高，维护量大，维护成本高。

随着电力电子技术与材料科学的发展以及制造工艺的进步，变频永磁直驱技术正在助力工业驱动的升级。该系统特点有：

A、变频永磁直驱系统的驱动模式为“永磁电动机—负载”，取代传统“异步电动机—耦合器—负载”，传动链得以简化，可靠性有了很大提高。

B、高效率永磁电动机采用永磁材料励磁，可在25%～120%额定负载范围保持高效率，高功率因数。

C、永磁电机体积小、重量轻、结构简单、运行可靠、形状灵活多样，适应性强。

D、采用变频器构成变频调速系统，可实现电气软起软停、低速重载起动、无极调速。

本文以某大型钢铁厂1120kW脱硫风机驱动系统为例，就此系统使用变频永磁直驱技术的优势进行论述。

驱动系统参数

该异步电动机驱动系统由一台YKK型异步电动机、一台调速型液力耦合器组成。其中异步电动机额定电压10kV、额定功率1120kW、额定转速750r/min、额定效率93.9%、额定功率因数0.81，单台价格约29万元。调速型液力耦合器传动效率93%，单台价格约10万元，系统年维护费用约11220元。

永磁电动机驱动系统由一台高压变频器、一台永磁直驱电动组成。其中永磁电动机额定电压10kV、额定功率1120kW、额定转速750r/min、额定效率96%、额定功率因数0.95，单台价格约54万元。变频器运行效率98%、价格约35万元，系统年维护费用约2220元.

两种驱动方式对比分析

电动机效率、功率因数特性对比：

永磁驱动系统高效区宽，即轻负载运行时仍具很有高效率、功率因数，节能效果明显。

该风机工作点运行电流78A，其输入功率：√3×10kV×78A=1350kW。参考异步电动机负载特性曲线相关标准，异步电动机此工作点效率为92.5%，功率因数0.75，计算其输出功率： 1350kW×91%×0.75=922kW。异步电动机负载率为992kW/1120kW=0.82。以此工作点液力耦合器效率为89%计算，负载轴功率：922kW×89%=820.5kW，即为变频永磁直驱系统输出功率为820.5kW。计算结果见表1。

按日工作24小时计算，平均输入有功功率为996.7kW，经计算得负载轴功率772kW。采用变频永磁直驱系统，输入功率为890.4kW，可较原系统减少106.3kW。

按日工作24小时，年工作330天，每度电0.48元计算，年节能106.3×24×330=841，896（kW·h），节约电费841，896×0.48=404，110（元）。按照电源有功功率计算，年节约电能84.2万千瓦时，合人民币约40.2万元。同时，节约检修维护及停机影响费用9，000元/年。

其他对比

调速型液力耦合器是结构相对复杂的机械设备，油冷管易老化，过滤器需定期清洗，冷却系统在使用偏酸性水质时易发生锈蚀，影响生产。

永磁直驱方式取消了液力耦合器，简化了传动链，机械结构更为简单，基本实现免维护，整机寿命可达30年，可靠性高。

异步电动机与调速型液力耦合器构成的传动链长，占地面积大。相比而言，变频永磁直驱电动机体，直接驱动负载，节省大量占地面积，空间利用率高。

液力耦合器内部充满大量油液，油液的补充更换、箱体及外部冷却装置，易发生渗漏或泄露，污染工作现场环境。变频永磁直驱系统无液体油，生产现场干净、整洁。

永磁直驱系统结构简单紧凑，振动低，减少了噪声源。

永磁电动机转子由永磁体励磁，这样，电动机稳定运行时无转子铜耗，效率、功率因数显著提高;由于定转子磁场同步运行，不存在转差，运行过程没有轴电流产生。

安装条件

风机用永磁电动机在外形尺寸及机械电气安装接口可设计与相应异步电动机保持一致，但整机重量更轻。对于改造项目，只需将调速型液力耦合器基础撤下，原电动机基础前移即可。变频器可灵活放置，不占用传动链空间。

结论

异步电动机驱动系统采购成本较低，但其效率低、功率因数低，在低负载率时下降更为明显;采用调速型液力耦合器虽然可实现无极调速，但其效率低、可靠性低、维护量大。变频永磁直驱系统取消液力耦合器，简化了传动链;系统结构简单、可靠性高;在宽负载率范围保持高效率、高功率因数;环境友好;基本实现免维护。

一套异步电动机驱动系统采购成本约39万元，变频永磁直驱系统采购成本为89万元，采购成本差40万元。采用变频永磁直驱系统每年至少节省维护费、能源费40.4万元，通过节省运行费用，1年可收回采购成本差，享拥长期节能效益。

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