變頻控制永磁同步電動機在梅鋼冷卻塔的應用

朱注潮

（上海梅山鋼鐵有限公司能環部 江蘇南京 210039）

前言

近年來，隨著集成電路芯片、稀土永磁材料、交流同步電動機制造和控制技術的發展，越來越多的工業領域采用變頻控制的永磁同步電動機直驅工作機（如皮帶機、風機、水泵、攪拌機等）代替傳統的異步電動機經減速器驅動負載的模式。2020 年梅鋼首次在一熱軋凈循環3#冷卻塔成功實施了用變頻控制永磁同步電動機直驅風機的改造，取得良好效果。

1 變頻控制永磁同步電動機（PMSM）工作原理

永磁同步電動機（Permanent Magnet Synchronous Motor，簡稱PMSM）是以永磁鐵替代轉子勵磁繞組，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相比，不需要復雜的加工和裝配，結構簡單，沒有集電環和電刷，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、異步電動機相比，PMSM 起動性能優、額定運行點峰值效率高、高低速轉矩波動和質量功率密度小、恒功率速度范圍和高效運行區寬、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點，考慮到冷卻塔風機是季節性設備，可以變轉速適應天氣、水溫的變化以滿足生產工藝對溫度需求，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的額定頻率。頻率的變化使PMSM 的轉子始終與定子旋轉磁場保持相對靜止，產生平均電磁轉矩拖動轉子旋轉。當加速到電機的同步轉速時，再將電機并入電網運行。穩定運行時，通過改變定子頻率從而改變PMSM 主磁場的運行速度以實現無級變頻調速。［3］其工作原理見圖1。

圖1 變頻控制永磁電機調速裝置工作原理圖

2 冷卻塔風機變頻控制PMSM改造

2.1 改造前設備狀態

梅鋼一熱軋凈循環3#冷卻塔用于地下油庫循環水冷卻。冷卻塔的主要參數為型號LF80，風機轉速149 r/min，風量255×104 m3/h，全壓167 Pa，葉片安裝角度12°，葉片數6 片，風機效率86%。配用電機功率為160 kW，設計冷卻水量1 400 m3/h，淋水密度20.66 m3/（m2·h），進水溫度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）。機械通風采用塔外電機經中間傳動軸驅動減速機，由減速機輸出軸帶動輪轂與風葉旋轉。電機與中間軸、中間軸與減速箱采用鏈條聯軸器聯接。

冷卻塔風機正常工作時，驅動電機運行電流在180 A 左右，當聯軸器、減速箱等設備劣化后，電流最大值達230 A以上，振動異常劇烈。

2.2 主要改造內容

（1）確定永磁同步電機功率和極對數

根據改造前冷卻塔風機的運行參數和機械效率等估算原電機的最大輸出轉矩（等于直接驅動風機的永磁同步電動機的輸出轉矩）。

式中：P——原三相異步電動機輸出的最大有功功率，即冷卻塔風機需要的最大輸入功率，kW；

P電機——原三相異步電動機的有功功率，kW;

UL——三相異步電動機定子線電壓，380 V；

IL——三相異步電動機定子線電流，取冷卻塔風機驅動電機運行電流的歷史最大值240 A；

cosφ——三相異步電動機定子功率因數，取0.85；

η電機——電機效率，取0.90；

η聯軸器——風機聯軸器傳動效率，取0.90；

η減速機——兩級減速器傳動效率取0.90。

式中：T——需要PMSM 輸出的電磁轉矩，即直驅冷卻塔風機需要的輸入轉矩，N·m；

P——PMSM 的負載功率，取冷卻塔風機需要的最大功率，kW；

n——PMSM的輸出轉速，149 r/min。

式中：n——PMSM的同步轉速，即輸出的額定轉速，r/min；

f1——PMSM定子電流頻率，50 Hz；

p——PMSM定子的極對數，取18。

166.67r/min＞149 r/min（冷卻塔風機的額定轉速），滿足工作需要。

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

原減速器輸出轉速為149 r/min，考慮到一定調節裕量，電動機的極對數p取18，對應的在工頻電源下同步轉速為166.67 r/min，留有11.9%轉速升值裕量。

（2）確定控制方案

交流永磁同步電動機變壓變頻調速系統分為他控變頻和自控變頻［4］，冷卻塔交流永磁同步電機的變頻調速系統屬于他控變頻?？紤]到風機的負載轉矩與轉速平方成正比，低速時負載轉矩較小，加之冷卻塔風機對轉速精度要求不高，故其調速和控制方式采用無位置反饋的全數字開環同步矢量控制。根據電機功率并參照有關標準，變頻器選擇160 kW。

（3）電機的保護性設計

由于交流永磁同步電機置于冷卻塔風筒內，正常運行時，其定子繞組溫度、軸承溫度、振動等工況參數無法進行直觀測量和點檢，因此，有必要對這些參數進行實時監測。為此，在電機設計時，設置了定子繞組溫度、電機上、下端軸承溫度和電機徑向振動傳感器，將監測值上傳至控制柜PLC 系統，進行實時狀態監控。

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

考慮到電機可能因長期處于低頻工作狀態而產生不利于轉子永磁體的高溫，為確保電機安全使用，在交流永磁同步電機設置了外部冷卻水接口，采用冷卻水對電機定子進行冷卻散熱。

（4）實施改造

拆除原有的冷卻塔減速機及底座、中間傳動軸、聯軸器、驅動電機等。在原減速機基礎上安裝新的永磁電機底座，并根據電機高度和風葉在風筒的位置，確定底座頂面標高。待新機座安裝固定并灌漿養護合格后，安裝立式交流永磁同步電動機和輪轂風葉、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 電機主要參數比較

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

表1 永磁直驅電機與原冷卻塔電機性能比較

3.2 傳動效率比較

改造前冷卻塔風機的驅動由三相交流異步電機經兩個鏈傳動聯軸器和二級減速器，傳動總效率約81%，永磁直驅電機的效率為93%，比原系統提高了約12個百分點。

3.3 控制功能比較

改造后的風機驅動系統增加了振動、溫度和轉速狀態監測，增加了變頻調速功能，風機運行能更好地適應冷卻塔溫度變化的需要。具體數據見表2。

3.4 功耗比較

改造后，永磁直驅電機消耗有功功率計算值約50 kW，比原冷卻塔電機減少了82 kW，具有顯著的節能效果。

3.5 設備費用比較

原冷卻塔風機的驅動電機及控制柜、中間傳動軸、聯軸器、減速器、風葉和輪轂等機電設備總費用約22.5 萬元，而永磁電機直驅系統的機電設備總費用約40.5 萬元，約為前者的1.8倍。

3.6 檢修內容比較

永磁電機直驅系統與冷卻塔風機原系統相比，檢修工作內容和數量顯著減少，維護簡便，詳見表3。

表3 永磁直驅電機與冷卻塔原系統的檢修內容比較

由表4 可知，新驅動方案檢修工作量和檢修內容顯著減少。

4 冷卻塔風機改造效果

梅鋼一熱軋凈循環3#冷卻塔風機自2020 年末改造至今，無任何故障，也不需要維護，設備穩定，改造效果明顯，其優點主要有以下3點。

（1）變頻控制的永磁同步電動機（PMSM）直驅冷卻塔風機不僅大大簡化了機械通風冷卻塔風機的傳動結構，而且提高了風機傳動效率，降低了能耗，減少了故障點，提高了系統的可靠性。

（2）與傳統的固定轉速異步電動機或多速異步電動機相比，變頻控制的PMSM 直驅冷卻塔風機能更好適應循環水系統回水溫度、氣溫變化對冷卻塔風機轉速變化的要求，使冷卻塔低能耗精益運行成為可能。

（3）變頻控制的PMSM 直驅風機沒有油浴潤滑的減速機，解決了潤滑油泄漏對環境和循環水的污染問題。

5 結語

實踐證明，采用變頻控制的交流永磁同步電機直驅冷卻塔風機取代傳統的異步電動機驅動裝置是可行的，它具有傳動效率高、結構簡單、故障少、檢修維護量少、節能環保的優點。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的輸出轉速。運行人員可以根據冷卻塔的環境氣溫和用戶供回水溫度等情況來調節電機的工作頻率，這也為進一步開發和建立冷卻塔水溫自動控制調節的節能工作模型提供了可能性。

雖然該系統具有上述諸多優點，但潛在的風險也必須認識到。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切換到工頻回路重啟電動機。其次，與變頻控制的交流異步電動機相比，PMSM 的單位功率成本較高。但隨著材料技術和控制技術的發展，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 裝置在冶金工業的應用領域會越來越廣。