变频控制永磁同步电动机在梅钢冷却塔的应用

朱注潮

（上海梅山钢铁有限公司能环部 江苏南京 210039）

前言

近年来，随着集成电路芯片、稀土永磁材料、交流同步电动机制造和控制技术的发展，越来越多的工业领域采用变频控制的永磁同步电动机直驱工作机（如皮带机、风机、水泵、搅拌机等）代替传统的异步电动机经减速器驱动负载的模式。2020 年梅钢首次在一热轧净循环3#冷却塔成功实施了用变频控制永磁同步电动机直驱风机的改造，取得良好效果。

1 变频控制永磁同步电动机（PMSM）工作原理

永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）是以永磁铁替代转子励磁绕组，主要组成部件包括定子铁芯、定子线圈、永磁体、转子铁芯和轴及其支撑部件等。它与使用绕组励磁的同步电动机相比，不需要复杂的加工和装配，结构简单，没有集电环和电刷，工作可靠性高，也没有励磁电流，不存在励磁损耗，工作效率高。

与直流电动机、异步电动机相比，PMSM 起动性能优、额定运行点峰值效率高、高低速转矩波动和质量功率密度小、恒功率速度范围和高效运行区宽、振动噪声舒适性好。［1］

在工频电源供电条件下，PMSM 没有自起动能力。同步电动机常用的起动方法有3 种，即辅助动力起动、变频起动、异步起动。［2］其中变频起动具有软起动等优点，考虑到冷却塔风机是季节性设备，可以变转速适应天气、水温的变化以满足生产工艺对温度需求，因此，变频起动和控制是最佳选择。使用变频电源向PMSM 供电，电源频率从低值逐渐升高到同步电动机的额定频率。频率的变化使PMSM 的转子始终与定子旋转磁场保持相对静止，产生平均电磁转矩拖动转子旋转。当加速到电机的同步转速时，再将电机并入电网运行。稳定运行时，通过改变定子频率从而改变PMSM 主磁场的运行速度以实现无级变频调速。［3］其工作原理见图1。

图1 变频控制永磁电机调速装置工作原理图

2 冷却塔风机变频控制PMSM改造

2.1 改造前设备状态

梅钢一热轧净循环3#冷却塔用于地下油库循环水冷却。冷却塔的主要参数为型号LF80，风机转速149 r/min，风量255×104 m3/h，全压167 Pa，叶片安装角度12°，叶片数6 片，风机效率86%。配用电机功率为160 kW，设计冷却水量1 400 m3/h，淋水密度20.66 m3/（m2·h），进水温度43 ℃，出水温度33 ℃，冷却幅值4.8 ℃（出水温度33 ℃与空气湿球温度28.2 ℃之差）。机械通风采用塔外电机经中间传动轴驱动减速机，由减速机输出轴带动轮毂与风叶旋转。电机与中间轴、中间轴与减速箱采用链条联轴器联接。

冷却塔风机正常工作时，驱动电机运行电流在180 A 左右，当联轴器、减速箱等设备劣化后，电流最大值达230 A以上，振动异常剧烈。

2.2 主要改造内容

（1）确定永磁同步电机功率和极对数

根据改造前冷却塔风机的运行参数和机械效率等估算原电机的最大输出转矩（等于直接驱动风机的永磁同步电动机的输出转矩）。

式中：P——原三相异步电动机输出的最大有功功率，即冷却塔风机需要的最大输入功率，kW；

P电机——原三相异步电动机的有功功率，kW;

UL——三相异步电动机定子线电压，380 V；

IL——三相异步电动机定子线电流，取冷却塔风机驱动电机运行电流的历史最大值240 A；

cosφ——三相异步电动机定子功率因数，取0.85；

η电机——电机效率，取0.90；

η联轴器——风机联轴器传动效率，取0.90；

η减速机——两级减速器传动效率取0.90。

式中：T——需要PMSM 输出的电磁转矩，即直驱冷却塔风机需要的输入转矩，N·m；

P——PMSM 的负载功率，取冷却塔风机需要的最大功率，kW；

n——PMSM的输出转速，149 r/min。

式中：n——PMSM的同步转速，即输出的额定转速，r/min；

f1——PMSM定子电流频率，50 Hz；

p——PMSM定子的极对数，取18。

166.67r/min＞149 r/min（冷却塔风机的额定转速），满足工作需要。

考虑到一定裕量，并参考永磁电机产品手册，选取额定功率为132 kW、极对数为18 的永磁同步电动机，其额定输出转矩7 800 N·m＞6 273.52 N·m（需要的永磁同步电机转矩计算值）。

原减速器输出转速为149 r/min，考虑到一定调节裕量，电动机的极对数p取18，对应的在工频电源下同步转速为166.67 r/min，留有11.9%转速升值裕量。

（2）确定控制方案

交流永磁同步电动机变压变频调速系统分为他控变频和自控变频［4］，冷却塔交流永磁同步电机的变频调速系统属于他控变频。考虑到风机的负载转矩与转速平方成正比，低速时负载转矩较小，加之冷却塔风机对转速精度要求不高，故其调速和控制方式采用无位置反馈的全数字开环同步矢量控制。根据电机功率并参照有关标准，变频器选择160 kW。

（3）电机的保护性设计

由于交流永磁同步电机置于冷却塔风筒内，正常运行时，其定子绕组温度、轴承温度、振动等工况参数无法进行直观测量和点检，因此，有必要对这些参数进行实时监测。为此，在电机设计时，设置了定子绕组温度、电机上、下端轴承温度和电机径向振动传感器，将监测值上传至控制柜PLC 系统，进行实时状态监控。

考虑到冷却塔工作环境湿度大，腐蚀性强，因此对电机定子绕组进行了整体浸漆、真空脱气后烘干处理，电机外壳用耐腐蚀油漆喷涂，电机接线盒和引出线进行防水密封处理。

考虑到电机可能因长期处于低频工作状态而产生不利于转子永磁体的高温，为确保电机安全使用，在交流永磁同步电机设置了外部冷却水接口，采用冷却水对电机定子进行冷却散热。

（4）实施改造

拆除原有的冷却塔减速机及底座、中间传动轴、联轴器、驱动电机等。在原减速机基础上安装新的永磁电机底座，并根据电机高度和风叶在风筒的位置，确定底座顶面标高。待新机座安装固定并灌浆养护合格后，安装立式交流永磁同步电动机和轮毂风叶、外接冷却水管、动力和控制线缆、变频柜等。

3 改造前后对比分析

3.1 电机主要参数比较

改造后电动机额定功率减少了28 kW，额定转矩是原先的7倍，功率因数提高了近10%，重量是原先的3倍。具体参数见表1。

表1 永磁直驱电机与原冷却塔电机性能比较

3.2 传动效率比较

改造前冷却塔风机的驱动由三相交流异步电机经两个链传动联轴器和二级减速器，传动总效率约81%，永磁直驱电机的效率为93%，比原系统提高了约12个百分点。

3.3 控制功能比较

改造后的风机驱动系统增加了振动、温度和转速状态监测，增加了变频调速功能，风机运行能更好地适应冷却塔温度变化的需要。具体数据见表2。

3.4 功耗比较

改造后，永磁直驱电机消耗有功功率计算值约50 kW，比原冷却塔电机减少了82 kW，具有显著的节能效果。

3.5 设备费用比较

原冷却塔风机的驱动电机及控制柜、中间传动轴、联轴器、减速器、风叶和轮毂等机电设备总费用约22.5 万元，而永磁电机直驱系统的机电设备总费用约40.5 万元，约为前者的1.8倍。

3.6 检修内容比较

永磁电机直驱系统与冷却塔风机原系统相比，检修工作内容和数量显著减少，维护简便，详见表3。

表3 永磁直驱电机与冷却塔原系统的检修内容比较

由表4 可知，新驱动方案检修工作量和检修内容显著减少。

4 冷却塔风机改造效果

梅钢一热轧净循环3#冷却塔风机自2020 年末改造至今，无任何故障，也不需要维护，设备稳定，改造效果明显，其优点主要有以下3点。

（1）变频控制的永磁同步电动机（PMSM）直驱冷却塔风机不仅大大简化了机械通风冷却塔风机的传动结构，而且提高了风机传动效率，降低了能耗，减少了故障点，提高了系统的可靠性。

（2）与传统的固定转速异步电动机或多速异步电动机相比，变频控制的PMSM 直驱冷却塔风机能更好适应循环水系统回水温度、气温变化对冷却塔风机转速变化的要求，使冷却塔低能耗精益运行成为可能。

（3）变频控制的PMSM 直驱风机没有油浴润滑的减速机，解决了润滑油泄漏对环境和循环水的污染问题。

5 结语

实践证明，采用变频控制的交流永磁同步电机直驱冷却塔风机取代传统的异步电动机驱动装置是可行的，它具有传动效率高、结构简单、故障少、检修维护量少、节能环保的优点。同时，改变变频电源的频率，就可以改变交流永磁同步电动机的输出转速。运行人员可以根据冷却塔的环境气温和用户供回水温度等情况来调节电机的工作频率，这也为进一步开发和建立冷却塔水温自动控制调节的节能工作模型提供了可能性。

虽然该系统具有上述诸多优点，但潜在的风险也必须认识到。首先，一旦变频器故障，它不能像变频控制的交流异步电动机切换到工频回路重启电动机。其次，与变频控制的交流异步电动机相比，PMSM 的单位功率成本较高。但随着材料技术和控制技术的发展，相信在不久的将来，以上问题都将得到有效解决，变频控制的PMSM 装置在冶金工业的应用领域会越来越广。