電廠永磁傳動器和調(diào)速器改造方案

1、采用永磁傳動器和調(diào)速器可行性分析及改造技術(shù)方案X x股份有限公司20 年 月ii亠、概述電廠大部分水泵、風(fēng)機(jī)的額定參數(shù)大于實(shí)際需求，而且水泵、風(fēng)機(jī)常年處于恒速運(yùn)行狀 態(tài)，通常都是以閥門或風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)所需流量與壓力 ，大量能源耗損于閥門或風(fēng)門所增加的 阻力上，極不經(jīng)濟(jì)更不合乎國家節(jié)能檢排的號召若采用調(diào)速技術(shù)根據(jù)需求風(fēng)量與風(fēng)壓不同 而調(diào)節(jié)相應(yīng)轉(zhuǎn)速，則可達(dá)到顯著節(jié)能效果。永磁驅(qū)動技術(shù)近年來國際上開發(fā)的一項(xiàng)突破性新技術(shù)，是專門針對風(fēng)機(jī)、泵類離心負(fù)載 調(diào)速節(jié)能的適用技術(shù)。它具有高效節(jié)能、高可靠性、無剛性連接傳遞扭矩、可在惡劣環(huán)境下 應(yīng)用、極大減少整體系統(tǒng)振動、減少系統(tǒng)維護(hù)和延長系統(tǒng)使用壽命等特點(diǎn)。尤其是

2、其不產(chǎn)生 高次諧波且低速下不造成電機(jī)發(fā)熱的優(yōu)良調(diào)速特性更使其成為風(fēng)機(jī)及泵類設(shè)備節(jié)能技術(shù)改造 的首選。待改設(shè)備選用水平安裝永磁調(diào)速器如下設(shè)備名稱電機(jī)功率額定轉(zhuǎn)速選用永磁設(shè)備名稱規(guī)格工業(yè)水泵132KW1480rpm永磁調(diào)速器ASDM 18.5#3、設(shè)備描述永磁轉(zhuǎn)子'-氣隙調(diào)整機(jī)構(gòu)導(dǎo)磁體盤（銅或鋁）（未顯示執(zhí)行器）工業(yè)水泵電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)風(fēng)機(jī)銘牌數(shù)據(jù)額定功率132KW額定功率額定電壓380 V額定流量342540m 3/h額定電流240.4A額定壓力0.6MPa額定轉(zhuǎn)速1490rpm工作效率功率因數(shù)0.88目前的工作狀態(tài)單價電費(fèi)0.4692實(shí)際流量：220260m3/h，電機(jī)電流120A三、方案

3、描述（一）系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理永磁調(diào)速器是透過氣隙傳遞轉(zhuǎn)矩的革命性傳動設(shè)備，電機(jī)與負(fù)載設(shè)備轉(zhuǎn)軸之間無需機(jī)械連結(jié) 電機(jī)旋轉(zhuǎn)時帶動導(dǎo)磁盤在裝有強(qiáng)力稀土磁鐵的磁盤所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場中切割磁力線，因而在導(dǎo) 磁盤中產(chǎn)生渦電流（Eddy Current）,該渦電流在導(dǎo)磁盤上產(chǎn)生反感磁場， 拉動導(dǎo)磁盤與磁盤的 相對運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)與負(fù)載之間的轉(zhuǎn)矩傳輸。轉(zhuǎn)軸連接殼與緊縮盤永磁調(diào)速器由四個部件組成：永磁轉(zhuǎn)子：鑲有永磁體（強(qiáng)力稀土磁鐵）的鋁盤,與負(fù)載軸連接 導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子：導(dǎo)磁體盤（銅或鋁），與電機(jī)軸連接氣隙執(zhí)行機(jī)構(gòu)：調(diào)整磁盤與導(dǎo)磁盤之間氣隙的機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)軸連接殼與緊縮盤：以專利緊縮盤裝置與電機(jī)及負(fù)載軸連結(jié)從上面的原理圖中看

4、出，電機(jī)與負(fù)載之間的扭矩傳輸，不同于常規(guī)的硬機(jī)械連接方式， 是通過氣隙連接的，它不僅可以通過調(diào)整氣隙實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)整，還帶來很多其它調(diào)速方式所不 具備的優(yōu)點(diǎn)。安裝于系統(tǒng)中，永磁調(diào)速器 PMD可響應(yīng)于過程信號。壓力、流量、液位、或其它過程 控制信號被控制系統(tǒng)接收和處理，然后提供到 PMD的執(zhí)行器。該執(zhí)行器調(diào)整氣隙，從而調(diào) 整負(fù)載速度以滿足控制要求。流量/壓力/溫度傳感器檢測負(fù)載受控制量通過邏輯控制器PLC將檢測量通過PID調(diào)節(jié)，變成420mA信號驅(qū)動角度執(zhí)行機(jī)構(gòu)，推 動PMD的氣隙調(diào)節(jié)動作人機(jī)界面用于客戶設(shè)定負(fù)載輸出量的界面整個控制系統(tǒng)為全自動，當(dāng)自動系統(tǒng)故障時，可通過執(zhí)行器手動調(diào)節(jié)氣隙也可通過人機(jī)

5、界面和/或PLC實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控或直接由中央控制系統(tǒng)（DCS）進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控電機(jī)永磁調(diào)速器執(zhí)行器1風(fēng)機(jī)水泵或其它負(fù)載設(shè)備轉(zhuǎn)速人機(jī)界面控制/反饋信號（4 -20 mAPLC現(xiàn)場控制器 （或直接到DCS）反饋：，遙控 ;壓力,流量或其它控制信號控制/反饋信號使用永磁調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)1. 調(diào)節(jié)范圍：永磁調(diào)速可在098%的范圍內(nèi)對負(fù)載進(jìn)行無級調(diào)速。2. 可實(shí)現(xiàn)過程控制，響應(yīng)速度快PMD永磁調(diào)速接收標(biāo)準(zhǔn)420mA信號，根據(jù)輸入信號調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)速，滿足系統(tǒng)需求，響 應(yīng)速度快。3. 空載啟動，啟動電流沖擊小PMD在啟動時，將氣隙調(diào)節(jié)到最大，實(shí)現(xiàn)空載啟動，可極大的降低電機(jī)啟電流所需時間4. 減少振動：由于PMD永磁調(diào)速是非

6、機(jī)械連接的調(diào)速裝置，泵和電機(jī)沒有機(jī)械硬連接，完全是通過氣隙傳遞扭矩的，這樣的好處是隔離了振動的傳遞，減低振動。消除振動能力最高可達(dá)80%5. 可靠性高，維護(hù)少：設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，故障率底，維護(hù)成本低。6. 使用壽命長:PMD永磁調(diào)速的使用壽命可達(dá)30年7. 節(jié)能：通過調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)速，提高效率，減少管路損失，減低電機(jī)負(fù)荷，節(jié)能效果明顯。8. 適應(yīng)于各種嚴(yán)酷工作環(huán)境電網(wǎng)電壓波動較大，諧波含量較高，易燃、易爆，潮濕，粉塵含量高，高溫、低溫等場所。9. 無諧波干擾：非接觸性的機(jī)械聯(lián)結(jié)，不產(chǎn)生諧波干擾。（二）配套工程1基礎(chǔ)設(shè)計(jì)永磁調(diào)速器與永磁傳動器的安裝方式簡單，工程量小，它是安裝在電機(jī)與負(fù)載之間的位置。 為

7、了安裝永磁調(diào)速驅(qū)動器，只需在電機(jī)與負(fù)載之間預(yù)留適當(dāng)空間，并將永磁調(diào)速驅(qū)動器安裝 于電機(jī)和負(fù)載之間即可。（若屬改造設(shè)備則需進(jìn)行部份基礎(chǔ)改造工程，延伸電機(jī)基座）2電動執(zhí)行器永磁調(diào)速器配套穩(wěn)定可靠之電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可充分滿足風(fēng)機(jī)調(diào)速和現(xiàn)場環(huán)境要求。執(zhí)行器防護(hù)等級為IP55或NEMA 4X,使用220V電源，接受DC 420 mA 模擬信號可 實(shí)現(xiàn)比例控制。所接受來自甲方 DCS系統(tǒng)的控制信號應(yīng)包括速度調(diào)節(jié)信號及故障狀態(tài)下使 永磁調(diào)速器氣隙推至最大的信號（AO）。永磁傳動器，在固定氣隙下工作，無需電動執(zhí)行器。3控制界面對用永磁調(diào)速器，可使用現(xiàn)場 PLC控制柜 或由中央控制式（DCS）系統(tǒng)進(jìn)行遙控。永磁調(diào)

8、速器附帶的控制器通過處理各種信號實(shí)現(xiàn)對負(fù)載調(diào)速，包括壓力、流量、等其它過程 控制信號。永磁調(diào)速驅(qū)動器可以方便地搭配一般標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)系統(tǒng)，不需要變頻專用電動機(jī)也不 須對供電電源進(jìn)行任何改動。 安裝永磁調(diào)速驅(qū)動器以后，對整個系統(tǒng)不產(chǎn)生諧波污染或電磁 波干擾。在大多數(shù)情況下，不需傳統(tǒng)的的過程控制硬件設(shè)備 （如控制閥），負(fù)載將在最優(yōu)化的 速度運(yùn)行，增加能源效率，減少運(yùn)行和維護(hù)成本。工業(yè)水泵加裝永磁調(diào)速器安裝示意圖:（三）節(jié)能原理在實(shí)際工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用中，為了保證負(fù)荷最大時風(fēng)機(jī)或水泵系統(tǒng)滿足輸出要求，通常需 要按系統(tǒng)的最大輸出能力配備風(fēng)機(jī)水泵系統(tǒng)，而真正實(shí)用中，絕大多數(shù)情況下并非需要系統(tǒng) 在滿負(fù)荷下使用，而是

9、根據(jù)負(fù)載的實(shí)際需要，通過流量控制元件如閥門或風(fēng)門擋板等實(shí)現(xiàn)流 量和/或壓力控制，以滿足生產(chǎn)過程的需要。最典型的控制流量和 /或壓力的方法是使用閥門 或風(fēng)門擋板。整個風(fēng)機(jī)或水泵系統(tǒng)的效率=電機(jī)效率X調(diào)節(jié)流量或轉(zhuǎn)速或壓力控制設(shè)備的效率X風(fēng)機(jī)或水泵效率X輸送管道的效率。如果其它效率恒定的情況下，系統(tǒng)效率取決于調(diào)節(jié)流量或轉(zhuǎn)速或壓力控制設(shè)備的效率。 由于閥門或風(fēng)門擋板通過調(diào)節(jié)開度實(shí)現(xiàn)輸出流量或壓力的調(diào)節(jié)，電機(jī)和負(fù)載的轉(zhuǎn)速并未發(fā)生 變化，從相似定律可以看出，輸入功率并不會因?yàn)殚y門開度變化而變化。當(dāng)閥門或風(fēng)門擋板 開度100%或調(diào)節(jié)器非直通型，流體經(jīng)過閥門或風(fēng)門擋板都會造成非常大的能量損失，同時 在閥門或風(fēng)

10、門擋板兩端產(chǎn)生很大的壓差，特別是在風(fēng)機(jī)或水泵的輸出端的壓力增高，使得風(fēng) 機(jī)或水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)偏離最佳效率點(diǎn)，因此，閥門開度減小時，電機(jī)輸入功率不會顯著減小， 很多能量由此浪費(fèi)掉。采用永磁調(diào)速器技術(shù)，可以通過調(diào)節(jié)氣隙實(shí)現(xiàn)流量和/或壓力的連續(xù)控制，取代原系統(tǒng)中 控制流量和/或壓力的閥門或風(fēng)門擋板，在電機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)或水泵的轉(zhuǎn)速。風(fēng)機(jī)水泵等離心負(fù)載符合相似定律：Q1/Q2 = ni/n2（流量變化與轉(zhuǎn)速變化成正比）H1/H2 = （ni/n2）2 （壓力變化與轉(zhuǎn)速變化的平方成正比）P1/P2 = （n i/n2）（負(fù)載功率變化與轉(zhuǎn)速變化的立方成正比）T1/T2 = （n 1/n2）2 （負(fù)

11、載扭矩變化與轉(zhuǎn)速變化的平方成正比） 電機(jī)輸出功率P = T x功率=扭矩x轉(zhuǎn)速）7所以電機(jī)輸出功率P1/P2 = (n i/n2)2丄/速匿'*降20驗(yàn)流:&也 C 下降20%,壓力下降. c翻，而功率下降50%3 p1 1 1 1 1 11.20.80.20*流量 勵 孵00 I cm m卜 O門96TTT«=18#從上面公式及圖表可以看出，當(dāng)輸出流量和/或壓力減少時，按照離心負(fù)載的相似定律， 電機(jī)功率急劇下降，減少了能源需求，從而大大地節(jié)約了能源。例如，當(dāng)輸出流量需求僅降 低20%滿負(fù)荷流量，輸出壓力降低到滿負(fù)荷的 38%，而能源需求降低了將近50%!如果不考 慮

12、調(diào)速裝置的能耗，節(jié)能效果可達(dá) 50%。當(dāng)然，任何一種調(diào)速裝置都是需要耗能的，但這種 能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于輸入能耗的降低，因此可以實(shí)現(xiàn)很好的節(jié)能效果。必須指出：節(jié)能效果主要取決于風(fēng)機(jī)水泵系統(tǒng)實(shí)際持續(xù)運(yùn)行的工況。合理的工作點(diǎn)設(shè)置 是系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)的基點(diǎn)。n：水泵性能曲線 R:管網(wǎng)特性曲線風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時，其工作點(diǎn)是風(fēng)機(jī) H-Q曲線與管網(wǎng)H-Q曲線的交點(diǎn)。風(fēng)機(jī)的正常工作點(diǎn) 為A，當(dāng)風(fēng)量需要從Q1調(diào)到Q2時，采用閥門調(diào)節(jié)時，管網(wǎng)特性曲線由 R1改變?yōu)镽2,其工作點(diǎn)A調(diào)至B點(diǎn)，其功率為 OQ2BH2'所圍成的面積，其功率變化很小，而其效率卻隨之降低。采用調(diào)速調(diào)節(jié)時，可按需要調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變設(shè)備的性能曲線，圖

13、中n1到n2,其工作點(diǎn)A調(diào)至C點(diǎn)，使其參數(shù)滿足工藝要求，其功率為 OQ2CH2所圍成的面積，同 時其效率曲線也隨之平移，依然工作在高效區(qū)。由于功率隨轉(zhuǎn)速 3次方變化，故節(jié)能 效果顯著。節(jié)能量P=( H2' H2) X Q29（四）、節(jié)能量化分析1.工業(yè)水泵節(jié)能分析電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)風(fēng)機(jī)銘牌數(shù)據(jù)額定功率132KW額定功率額定電壓380 V額定流量342540m 3/h額定電流240.4A額定壓力0.6MPa額定轉(zhuǎn)速1490rpm工作效率功率因數(shù)0.88目前的工作狀態(tài)單價電費(fèi)0.4692實(shí)際流量：220260n3/h，電機(jī)電流120A工業(yè)水泵的額定流量=（342+540）/2=440m3/h工業(yè)

14、水泵額靜揚(yáng)程按照25m估計(jì)工業(yè)水泵的軸功率=Q*H*9.8/ n （水泵效率按0.6估計(jì)）=440*60*9.8/0.65/3600 =110kw改造前電機(jī)的功率=1.732*380V*120A*0.88*0.948（電機(jī)效率）=66kw根據(jù)工業(yè)水泵參數(shù)，模擬出的水泵性能曲線如下圖：由模擬曲線可計(jì)算出，在流量 240m3/h時，對應(yīng)的電機(jī)功率約為51kw節(jié)電率=（66-51）/66=22.7%年節(jié)電費(fèi)=（66-51）*7000 小時*0.4692=5 萬詳細(xì)節(jié)能分析見附件。（五）、安全生產(chǎn)分析1. 電壓敏感性變頻調(diào)速：變頻調(diào)速是將輸入電壓通過變頻器輸入整流器變?yōu)楦邏褐绷麟妷?，之后通過 能改變頻

15、率的逆變器變換成頻率可變的高壓交流電來驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行的，是變頻率的調(diào)速技術(shù)。因?yàn)樽冾l器輸入端直接連接到電網(wǎng)，對電網(wǎng)電壓更為敏感，電壓變化、電流變化、雷擊浪涌 等，直接影響變頻器電子設(shè)備的可靠性，容易造成變頻器的絕緣擊穿、控制器件的損壞等， 因此其安全性最低，極大地降低了原系統(tǒng)的可靠性，為提高可靠性，一般應(yīng)安裝避雷裝置。永磁調(diào)速：永磁調(diào)速設(shè)備為精密的純機(jī)械的設(shè)備，采用的負(fù)載滑差調(diào)速技術(shù)。因?yàn)樵撛O(shè) 備與電無關(guān)，因此對電網(wǎng)電壓不敏感，不影響原系統(tǒng)的可靠性。2. 對原系統(tǒng)電機(jī)的改造及要求變頻調(diào)速：盡管變頻器調(diào)速不需要改造電機(jī)本身，由于變頻器的輸出電壓是由許多方波 疊加而成的正弦波，存在著很大的諧波分量，

16、高次諧波電流很大，容易導(dǎo)致電機(jī)過熱（因?yàn)橼吥w效應(yīng)），因此嚴(yán)格說來，電機(jī)應(yīng)該使用絕緣等級為 H級的電機(jī)，才能保證原有電機(jī)的設(shè)計(jì) 壽命，一般現(xiàn)有改造忽略了變頻器對電機(jī)壽命的影響而直接采用現(xiàn)有電機(jī)，是非常不合理的。永磁調(diào)速：不改變原有系統(tǒng)的可靠性。3. 環(huán)境要求變頻調(diào)速：變頻器為復(fù)雜的電力電子裝置，其控制回路采用可控硅或IGBT實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)，半導(dǎo)體元件通常要求在040C環(huán)境下工作，同時對環(huán)境濕度也有要求，一般為相對濕度 6090%，因此，必須為調(diào)速設(shè)備提供專用房間并安裝空調(diào)。永磁調(diào)速：永磁調(diào)速裝置為精密的純機(jī)械裝置，允許在 -50+100C環(huán)境下工作，甚至可 以在0100%相對濕度環(huán)境下工作，一般不

17、需要提供任何環(huán)境條件。4. 電機(jī)啟動變頻調(diào)速：變頻器可以從0轉(zhuǎn)速啟動，但啟動過程中負(fù)載一直加載，啟動時間很長，啟 動過程中電機(jī)處于低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，電機(jī)發(fā)熱厲害，但啟動電流較小、管路壓力平穩(wěn)增加，不會 造成管路壓力突變。永磁調(diào)速：電機(jī)啟動時，負(fù)載可以完全斷開，實(shí)現(xiàn)零負(fù)載啟動，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速很快達(dá)到全 速時，負(fù)載平滑啟動，啟動時間短，電流沖擊小且管路壓力平穩(wěn)增加，不會造成管路壓力突 變。5. 電力諧波和功率因素的影響變頻調(diào)速：變頻器直接串聯(lián)在電網(wǎng)側(cè)與電機(jī)之間，且通過整流方式輸入，因此在電網(wǎng)中 產(chǎn)生很高的、頻率范圍很廣的諧波電流，通常由變頻器產(chǎn)生的總諧波電流要超過60%以上； 由于諧波電流，經(jīng)常使得功率因素

18、補(bǔ)償電容燒毀，熔斷器熔斷、空氣開關(guān)跳閘、線路過載 為了防止上述故障，通常需要投資很昂貴的諧波治理設(shè)備。永磁調(diào)速：因與電網(wǎng)無關(guān)，因此不會產(chǎn)生諧波6. 調(diào)速的可靠性變頻調(diào)速：變頻器是由整流濾波電路+變頻逆變電路+復(fù)雜的控制電子電路組成，特別是 其主電路，為了使用低壓高頻功率器件，不得不采取多級串聯(lián)變換的功率電路，電路元件數(shù) 量在數(shù)千只，因此其可靠性最低，通常 MTBF在10年以下。永磁調(diào)速：永磁調(diào)速裝置由三個部件組成，銅盤 +磁鐵盤+間隙調(diào)節(jié)伺服機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)十分 簡單，因此可靠性十分高，一般 MTBF可以超過25年。7. 振動對系統(tǒng)故障率的影響變頻器：該種技術(shù)并不改變原有風(fēng)機(jī)水泵系統(tǒng)的機(jī)械連接方式，

19、系統(tǒng)的震動、沖擊和噪 音完全取決于電機(jī)與風(fēng)機(jī)或水泵的機(jī)械安裝精度，也就是軸對準(zhǔn)精度。永磁調(diào)速：該技術(shù)采用了氣隙傳遞扭矩的方法，系統(tǒng)的震動、沖擊和噪音完全取決于電 機(jī)與風(fēng)機(jī)或水泵的自身精度，而與安裝精度關(guān)系很小，在極限情況下，可以降低振動80%;從而極大地減少了機(jī)械能耗和磨損，軸對準(zhǔn)精度的允差很大，安裝和維護(hù)十分方便快捷。8. 維護(hù)維修工作量及難度變頻器：如上述原因，這種系統(tǒng)的可靠性相對低及受工況的影響，故障幾率很高，又因 為其技術(shù)復(fù)雜，故障診斷難度大，維護(hù)技術(shù)要求高，因此維護(hù)時間及MTTR大大增加，維護(hù)維修費(fèi)用高昂，加之還需要原廠技術(shù)人員的協(xié)助，更使得系統(tǒng)的可用性降低。永磁調(diào)速：因?yàn)樵撓到y(tǒng)的可

20、靠性高，幾乎不受工況的影響，且能極大降低振動，因此故 障幾率很低，且因技術(shù)簡單，容易診斷故障，維護(hù)技術(shù)要求低，因此維護(hù)時間很短及MTTR很低，系統(tǒng)的可用性很高。12水泵調(diào)速節(jié)能分析計(jì)算報(bào)告13#陽西電廠工業(yè)水泵實(shí)際轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)數(shù)據(jù)已 1093已 14901400額定流量旳二4400.00.0証定揚(yáng)程（丫）=60:靜壓差舊=25Q.16Dynamic Head iA)=流量£404524521 -135.461.561.9陶門開度 =70%實(shí)際流量功率51,211«4116.4流量比二74%323節(jié)能比22 4%45.1%45.1%System Curve實(shí)際功率660 2120 2120Designed Curve設(shè)備能耗15.80.000Y 二25273446000104x =00110