朱注潮

（上海梅山鋼鐵有限公司能環(huán)部 江蘇南京 210039）

前言

近年來，隨著集成電路芯片、稀土永磁材料、交流同步電動機(jī)制造和控制技術(shù)的發(fā)展，越來越多的工業(yè)領(lǐng)域采用變頻控制的永磁同步電動機(jī)直驅(qū)工作機(jī)（如皮帶機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵、攪拌機(jī)等）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的異步電動機(jī)經(jīng)減速器驅(qū)動負(fù)載的模式。2020 年梅鋼首次在一熱軋凈循環(huán)3#冷卻塔成功實(shí)施了用變頻控制永磁同步電動機(jī)直驅(qū)風(fēng)機(jī)的改造，取得良好效果。

1 變頻控制永磁同步電動機(jī)（PMSM）工作原理

永磁同步電動機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，簡稱PMSM）是以永磁鐵替代轉(zhuǎn)子勵磁繞組，主要組成部件包括定子鐵芯、定子線圈、永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯和軸及其支撐部件等。它與使用繞組勵磁的同步電動機(jī)相比，不需要復(fù)雜的加工和裝配，結(jié)構(gòu)簡單，沒有集電環(huán)和電刷，工作可靠性高，也沒有勵磁電流，不存在勵磁損耗，工作效率高。

與直流電動機(jī)、異步電動機(jī)相比，PMSM 起動性能優(yōu)、額定運(yùn)行點(diǎn)峰值效率高、高低速轉(zhuǎn)矩波動和質(zhì)量功率密度小、恒功率速度范圍和高效運(yùn)行區(qū)寬、振動噪聲舒適性好。［1］

在工頻電源供電條件下，PMSM 沒有自起動能力。同步電動機(jī)常用的起動方法有3 種，即輔助動力起動、變頻起動、異步起動。［2］其中變頻起動具有軟起動等優(yōu)點(diǎn)，考慮到冷卻塔風(fēng)機(jī)是季節(jié)性設(shè)備，可以變轉(zhuǎn)速適應(yīng)天氣、水溫的變化以滿足生產(chǎn)工藝對溫度需求，因此，變頻起動和控制是最佳選擇。使用變頻電源向PMSM 供電，電源頻率從低值逐漸升高到同步電動機(jī)的額定頻率。頻率的變化使PMSM 的轉(zhuǎn)子始終與定子旋轉(zhuǎn)磁場保持相對靜止，產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。當(dāng)加速到電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速時，再將電機(jī)并入電網(wǎng)運(yùn)行。穩(wěn)定運(yùn)行時，通過改變定子頻率從而改變PMSM 主磁場的運(yùn)行速度以實(shí)現(xiàn)無級變頻調(diào)速。［3］其工作原理見圖1。

圖1 變頻控制永磁電機(jī)調(diào)速裝置工作原理圖

2 冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻控制PMSM改造

2.1 改造前設(shè)備狀態(tài)

梅鋼一熱軋凈循環(huán)3#冷卻塔用于地下油庫循環(huán)水冷卻。冷卻塔的主要參數(shù)為型號LF80，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速149 r/min，風(fēng)量255×104 m3/h，全壓167 Pa，葉片安裝角度12°，葉片數(shù)6 片，風(fēng)機(jī)效率86%。配用電機(jī)功率為160 kW，設(shè)計冷卻水量1 400 m3/h，淋水密度20.66 m3/（m2·h），進(jìn)水溫度43 ℃，出水溫度33 ℃，冷卻幅值4.8 ℃（出水溫度33 ℃與空氣濕球溫度28.2 ℃之差）。機(jī)械通風(fēng)采用塔外電機(jī)經(jīng)中間傳動軸驅(qū)動減速機(jī)，由減速機(jī)輸出軸帶動輪轂與風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)。電機(jī)與中間軸、中間軸與減速箱采用鏈條聯(lián)軸器聯(lián)接。

冷卻塔風(fēng)機(jī)正常工作時，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行電流在180 A 左右，當(dāng)聯(lián)軸器、減速箱等設(shè)備劣化后，電流最大值達(dá)230 A以上，振動異常劇烈。

2.2 主要改造內(nèi)容

（1）確定永磁同步電機(jī)功率和極對數(shù)

根據(jù)改造前冷卻塔風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和機(jī)械效率等估算原電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩（等于直接驅(qū)動風(fēng)機(jī)的永磁同步電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩）。

式中：P——原三相異步電動機(jī)輸出的最大有功功率，即冷卻塔風(fēng)機(jī)需要的最大輸入功率，kW；

P電機(jī)——原三相異步電動機(jī)的有功功率，kW;

UL——三相異步電動機(jī)定子線電壓，380 V；

IL——三相異步電動機(jī)定子線電流，取冷卻塔風(fēng)機(jī)驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行電流的歷史最大值240 A；

cosφ——三相異步電動機(jī)定子功率因數(shù)，取0.85；

η電機(jī)——電機(jī)效率，取0.90；

η聯(lián)軸器——風(fēng)機(jī)聯(lián)軸器傳動效率，取0.90；

η減速機(jī)——兩級減速器傳動效率取0.90。

式中：T——需要PMSM 輸出的電磁轉(zhuǎn)矩，即直驅(qū)冷卻塔風(fēng)機(jī)需要的輸入轉(zhuǎn)矩，N·m；

P——PMSM 的負(fù)載功率，取冷卻塔風(fēng)機(jī)需要的最大功率，kW；

n——PMSM的輸出轉(zhuǎn)速，149 r/min。

式中：n——PMSM的同步轉(zhuǎn)速，即輸出的額定轉(zhuǎn)速，r/min；

f1——PMSM定子電流頻率，50 Hz；

p——PMSM定子的極對數(shù)，取18。

166.67r/min＞149 r/min（冷卻塔風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速），滿足工作需要。

考慮到一定裕量，并參考永磁電機(jī)產(chǎn)品手冊，選取額定功率為132 kW、極對數(shù)為18 的永磁同步電動機(jī)，其額定輸出轉(zhuǎn)矩7 800 N·m＞6 273.52 N·m（需要的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩計算值）。

原減速器輸出轉(zhuǎn)速為149 r/min，考慮到一定調(diào)節(jié)裕量，電動機(jī)的極對數(shù)p取18，對應(yīng)的在工頻電源下同步轉(zhuǎn)速為166.67 r/min，留有11.9%轉(zhuǎn)速升值裕量。

（2）確定控制方案

交流永磁同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)分為他控變頻和自控變頻［4］，冷卻塔交流永磁同步電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)屬于他控變頻?？紤]到風(fēng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成正比，低速時負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，加之冷卻塔風(fēng)機(jī)對轉(zhuǎn)速精度要求不高，故其調(diào)速和控制方式采用無位置反饋的全數(shù)字開環(huán)同步矢量控制。根據(jù)電機(jī)功率并參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，變頻器選擇160 kW。

（3）電機(jī)的保護(hù)性設(shè)計

由于交流永磁同步電機(jī)置于冷卻塔風(fēng)筒內(nèi)，正常運(yùn)行時，其定子繞組溫度、軸承溫度、振動等工況參數(shù)無法進(jìn)行直觀測量和點(diǎn)檢，因此，有必要對這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。為此，在電機(jī)設(shè)計時，設(shè)置了定子繞組溫度、電機(jī)上、下端軸承溫度和電機(jī)徑向振動傳感器，將監(jiān)測值上傳至控制柜PLC 系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時狀態(tài)監(jiān)控。

考慮到冷卻塔工作環(huán)境濕度大，腐蝕性強(qiáng)，因此對電機(jī)定子繞組進(jìn)行了整體浸漆、真空脫氣后烘干處理，電機(jī)外殼用耐腐蝕油漆噴涂，電機(jī)接線盒和引出線進(jìn)行防水密封處理。

考慮到電機(jī)可能因長期處于低頻工作狀態(tài)而產(chǎn)生不利于轉(zhuǎn)子永磁體的高溫，為確保電機(jī)安全使用，在交流永磁同步電機(jī)設(shè)置了外部冷卻水接口，采用冷卻水對電機(jī)定子進(jìn)行冷卻散熱。

（4）實(shí)施改造

拆除原有的冷卻塔減速機(jī)及底座、中間傳動軸、聯(lián)軸器、驅(qū)動電機(jī)等。在原減速機(jī)基礎(chǔ)上安裝新的永磁電機(jī)底座，并根據(jù)電機(jī)高度和風(fēng)葉在風(fēng)筒的位置，確定底座頂面標(biāo)高。待新機(jī)座安裝固定并灌漿養(yǎng)護(hù)合格后，安裝立式交流永磁同步電動機(jī)和輪轂風(fēng)葉、外接冷卻水管、動力和控制線纜、變頻柜等。

3 改造前后對比分析

3.1 電機(jī)主要參數(shù)比較

改造后電動機(jī)額定功率減少了28 kW，額定轉(zhuǎn)矩是原先的7倍，功率因數(shù)提高了近10%，重量是原先的3倍。具體參數(shù)見表1。

表1 永磁直驅(qū)電機(jī)與原冷卻塔電機(jī)性能比較

3.2 傳動效率比較

改造前冷卻塔風(fēng)機(jī)的驅(qū)動由三相交流異步電機(jī)經(jīng)兩個鏈傳動聯(lián)軸器和二級減速器，傳動總效率約81%，永磁直驅(qū)電機(jī)的效率為93%，比原系統(tǒng)提高了約12個百分點(diǎn)。

3.3 控制功能比較

改造后的風(fēng)機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)增加了振動、溫度和轉(zhuǎn)速狀態(tài)監(jiān)測，增加了變頻調(diào)速功能，風(fēng)機(jī)運(yùn)行能更好地適應(yīng)冷卻塔溫度變化的需要。具體數(shù)據(jù)見表2。

3.4 功耗比較

改造后，永磁直驅(qū)電機(jī)消耗有功功率計算值約50 kW，比原冷卻塔電機(jī)減少了82 kW，具有顯著的節(jié)能效果。

3.5 設(shè)備費(fèi)用比較

原冷卻塔風(fēng)機(jī)的驅(qū)動電機(jī)及控制柜、中間傳動軸、聯(lián)軸器、減速器、風(fēng)葉和輪轂等機(jī)電設(shè)備總費(fèi)用約22.5 萬元，而永磁電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備總費(fèi)用約40.5 萬元，約為前者的1.8倍。

3.6 檢修內(nèi)容比較

永磁電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)與冷卻塔風(fēng)機(jī)原系統(tǒng)相比，檢修工作內(nèi)容和數(shù)量顯著減少，維護(hù)簡便，詳見表3。

表3 永磁直驅(qū)電機(jī)與冷卻塔原系統(tǒng)的檢修內(nèi)容比較

由表4 可知，新驅(qū)動方案檢修工作量和檢修內(nèi)容顯著減少。

4 冷卻塔風(fēng)機(jī)改造效果

梅鋼一熱軋凈循環(huán)3#冷卻塔風(fēng)機(jī)自2020 年末改造至今，無任何故障，也不需要維護(hù)，設(shè)備穩(wěn)定，改造效果明顯，其優(yōu)點(diǎn)主要有以下3點(diǎn)。

（1）變頻控制的永磁同步電動機(jī)（PMSM）直驅(qū)冷卻塔風(fēng)機(jī)不僅大大簡化了機(jī)械通風(fēng)冷卻塔風(fēng)機(jī)的傳動結(jié)構(gòu)，而且提高了風(fēng)機(jī)傳動效率，降低了能耗，減少了故障點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

（2）與傳統(tǒng)的固定轉(zhuǎn)速異步電動機(jī)或多速異步電動機(jī)相比，變頻控制的PMSM 直驅(qū)冷卻塔風(fēng)機(jī)能更好適應(yīng)循環(huán)水系統(tǒng)回水溫度、氣溫變化對冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的要求，使冷卻塔低能耗精益運(yùn)行成為可能。

（3）變頻控制的PMSM 直驅(qū)風(fēng)機(jī)沒有油浴潤滑的減速機(jī)，解決了潤滑油泄漏對環(huán)境和循環(huán)水的污染問題。

5 結(jié)語

實(shí)踐證明，采用變頻控制的交流永磁同步電機(jī)直驅(qū)冷卻塔風(fēng)機(jī)取代傳統(tǒng)的異步電動機(jī)驅(qū)動裝置是可行的，它具有傳動效率高、結(jié)構(gòu)簡單、故障少、檢修維護(hù)量少、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。同時，改變變頻電源的頻率，就可以改變交流永磁同步電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。運(yùn)行人員可以根據(jù)冷卻塔的環(huán)境氣溫和用戶供回水溫度等情況來調(diào)節(jié)電機(jī)的工作頻率，這也為進(jìn)一步開發(fā)和建立冷卻塔水溫自動控制調(diào)節(jié)的節(jié)能工作模型提供了可能性。

雖然該系統(tǒng)具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，但潛在的風(fēng)險也必須認(rèn)識到。首先，一旦變頻器故障，它不能像變頻控制的交流異步電動機(jī)切換到工頻回路重啟電動機(jī)。其次，與變頻控制的交流異步電動機(jī)相比，PMSM 的單位功率成本較高。但隨著材料技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，相信在不久的將來，以上問題都將得到有效解決，變頻控制的PMSM 裝置在冶金工業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域會越來越廣。