永磁直驱电机在冷却塔风机上的应用
李鹏飞（济源中联水泥有限公司，河南 济源 459000）
中图分类号：tq172.6 文献标志码：b 文章编号：1002-9877（2022）11-0072-02 doi：10.13739/j.cnki.cn11-1899/tq.2022.11.024
摘要
分析原冷却塔风机驱动结构存在的问题，介绍永磁直驱电机的优势，并对其选型和控制进行了分析，冷却塔风机驱动系统改造成永磁电机直驱系统，解决了设备漏油及振动大等问题，减少了维护量，提高了设备运行效率，节电效果明显，单台年可节约用电约9.8万kwh，使用效果良好。
关键词
冷却塔风机；永磁直驱电机；高效节电
我公司余热发电循环水冷却系统采用2台75 kw冷却塔风机供循环水冷却，冷却风机传动部分采用的是电机传动轴减速机的传统设备驱动结构，电机和减速机输入轴之间用钢制传动轴连接。
1、传统驱动结构存在的问题
（1）冷却风机的减速机安装在冷却塔内部，传动轴长达4 m，由于环境非常潮湿，传动轴锈蚀严重，传动轴因锈蚀层不均衡脱落失去动平衡，引起设备振动严重，传动轴需要定期除锈校动平衡，费用高。
（2）冷却风机减速机随着运行时间的增加，输入轴油封磨损严重，导致漏油，需要定期补油，也污染环境。
（3）减速机设计的结构较紧凑，发热量很大，散热能力弱，导致减速机温度高，油封和润滑油寿命短，需要经常保养。
（4）驱动部分电机启动方式为直接启动，设备运行负载率低，效率仅0.78，能耗高。
2、永磁直驱结构及优势
永磁直驱电动机采用变频矢量控制技术、低速大扭矩直驱技术、智能控制技术，结构简化，具有高效低耗、低速大扭矩、高可靠免维护、高刚度快响应、无须润滑等特点，由于转速低运行平稳，振动小，极大减少了日常维护检修工作量，节省了人力物力成本。适合在冷却风扇场景使用。
主要优势：
（1）永磁直驱电机直接驱动负载，去除了减速机，结构简单可靠，基本实现免维护。
（2）去除了减速机和传动轴，系统传动效率在0.93，在额定频率以下运行时为恒转矩特性，满足设备重载启动要求，设备运行更节能。
（3）设备占用空间小，没有润滑油及减速机备品备件等消耗。
（4）变频器控制可实现软启动，减少了对负载设备的冲击，延长其使用寿命。
（5）低负载情况下，可以适当降低运行频率，达到更好的节能效果。
3、永磁直驱电机的选型
3.1 负载运行功率因数、效率对比
冷却塔风机改造前功率为 75 kw，额 定 电 流160 a，运行电流最大为76 a左右，负载率约为56%，异步电机与永磁电机不同运行负载下效率、功率因数对比见图1。
永磁直驱电机跟冷却塔风扇直连叶轮转速一 致，n0=n=155 r/min（n为 风 扇 转 速），所 需 轴 功 率p=1.732uicosφη1η2η3=1.732×0.38×76×0.855×0.86×0.95×0.96≈33.5 （kw），所需扭矩t=9 550p/n0=9 550 ×33.5÷155= 2 064（n·m）。
永磁直驱电机性能参数见表1，改造后实物见图2。
3.2 永磁电机的缺点
永磁同步电机一般都选择稀土永磁材料（钕铁硼）作为永磁体，目前稀土材料价格比较昂贵，前期的投资成本较高。稀土永磁同步电机在温度过高时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或者在剧烈的机械振动时可能产生不可逆退磁，使电机性能下降，甚至无法使用。所以使用环境上要注意电机散热方案的制订和防止振动的措施。
4、改造后效果分析
冷却塔风机电机采用 2 台 55 kw永磁直驱电机后，在相同运行工况下，单台永磁电机秋冬季每小时电流平均降低约35 a，运行中实测电压340 v左 右，取u=340 v，cosφ=0.97，η=0.95，则 功 率 为p=1.732uicosφη=1.732×0.34×35×0.97×0.95=18.9（kw），预 计 每 小 时 可 节 电 18.9 kwh。春夏季每小时电流平均降低约 28 a，运 行 中 实 测 电 压 370 v左 右，取u=370 v，cosφ=0.97，η=0.95，则 功 率 为：p=1.732uicosφη=1.732×0.37×28×0.97×0.95=16.5（kw），预 计 每 小 时 可 节 电 16.5 kwh。根据改造前后电能计量表计量数据对比，秋冬季单台电机每小时可节电17 kwh，春夏季单台电机每小时可节电15 kwh，按照全年70%运转率计算，单台电机年节电约9.8万kwh。
5、结束语
冷却塔风机驱动系统改造成永磁电机直驱系统后，解决了设备漏油及振动大等问题，提高了设备运行效率，节电效果明显，每小时节电约15~17 kwh，节电率40%，同时减少了维护量，提高了系统运转率，延长了设备使用寿命。
（编辑 张 迪）
文章引用水泥杂志
