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1、节能型风机传动系统的设计选型分析赵玉良，郭居奇，崔 冬（中国重型机械研究院有限公司，陕西省西安 710032）摘 要：本文对应用于恒流量及变流量风机的传动系统类型进行了介绍，在此基础上对可保证其节能运行的传动系统设计选型进行了分析并提出了相应的建议。关键词：风机；传动系统；节能；设计选型1 风机的工作特点及传动系统类型风机是应用极其普遍的通用机械产品，广泛应用于水泥、石化、电力、煤炭、冶金等各个行业。风机的工作特点一般为带载起动，且随着转速的增加，载荷迅速增加，因而使得驱动电机的电流也增长很快。此外对应用于某些设备上的风机，例如水泥厂的回转窑窑尾及球磨机或立磨磨尾的排风机、钢厂的高炉风机及转炉
2、风机、矿井通风机等，还经常需要根据工艺要求对其流量及风压进行调节。随着各行业对风机运行品质的要求不断提高和开展节能减排工作的实际需要，目前仍大量使用的传统传动方式已逐渐暴露出如下所述的一系列缺点：(1)流量调节方式落后，能量浪费严重。目前水泥厂实际应用中仍大量采用旁路放空或管道闸阀节流调节流量，从而导致能源的极大浪费。采用调节导向叶片倾斜角度的方法调节流量，也存在着机构复杂、可靠性差等缺点，易经常出现故障或失效。(2)由于设计选型原因及外部工艺条件变化，且系统又缺乏有效调节手段，致使风机长时间运行于低效区，由此也会造成极大的能源浪费。(3)传动系统采用电机直接起动常导致起动电流高、起动冲击大、
3、容易烧坏系统元器件和损坏传动系统零部件，同时也直接使得起动过程中能耗较大。针对上述情况，根据风机的工作特点及应用要求，结合传动技术的最新进展和开展节能工作的需要，设计选用适用的的各种风机传动装置已变得十分必要和迫切。基于改善传动品质和节能调速等方面的考虑，本文对此进行分析和探讨。由于通常的风机大体上可分为恒流量及变流量两种类型，下面即对这两种类型风机的传动系统设计选型分别进行讨论。2 恒流量风机的传动系统当风机的输出流量恒定时，其传动系统一般可分为电机直接驱动型和电机通过齿轮箱驱动型两大类。前一种类型一般用于风机工作转速与电机工作转速一致时，而后一种类型则用于风机工作转速低于或高于电机转速的情
4、况下，因而齿轮箱可为减速箱，亦可为增速箱。但无论对哪一种传动型式，其传动系统设计时要考虑的主要问题均为如何有效降低起动转矩及减小电机起动时的电流。因为随着起动过程中转速的迅速升高，风机叶轮上的阻力矩也迅速增加，如采用电机直接起动的型式，必然使得起动转矩大和起动电流高，这不仅使得选型时因考虑这一因素而加大电机规格，导致系统功率因数低，无功损耗大，而且使得起动过程中整个传动系统都承受过大冲击。较高起动电流也容易烧坏控制系统元器件，降低整个系统工作的可靠性。为有效解决上述问题，可在电机与风机间或电机与齿轮箱间采用钢球联轴器、液力偶合器、液粘软起动装置等，以实现电机空载或轻载起动。应用实践表明，采用上
5、述产品可收到非常明显的效果，不仅可大大减小起动冲击和起动电流，而且亦可有助于更合理选取电机规格及类型，避免出现大马拉小车现象，达到经济节能运行之目的。钢球联轴器是利用起动过程中逐步增加的钢球离心力所产生的摩擦力矩而驱动工作机的，因而在起动瞬间电机无载运行，非常易于电机的升速，并进而逐步驱动负载。加之钢球联轴器的过载保护功能和免维护及效率高等优点，目前在球磨机、混合机及堆取料机等已得到普遍应用，其最大传递功率可达到数千千瓦。根据对一电机功率为470KW的磨机所进行的测试，原先直接起动时，起动电流为400A，峰值时间为9秒，使用钢球联轴器后，起动电流为200A，峰值时间为5秒，启动时声音也变得柔和
6、，噪声也明显降低。峰值时间的大幅缩短也大大降低了启动时的能耗，同时也有利于保护控制系统的相关部件，延长其使用寿命。钢球联轴器的缺点是仅适用于700r/min以上的传动系统，且功率较大时体积较大。液力偶合器用于传动系统中对其传动品质的改善，这已为大家所熟知，不再重复。液粘软起动装置的工作原理及特点将在后面有进一步的说明，一般而言，两者都用于中、大功率或高转矩的驱动系统中。3 变流量风机的传动系统变流量风机传动系统的设计不仅要考虑系统的起动问题，而且亦要考虑系统流量及风压的经济及节能调节问题。对采用变流量风机的某些工艺系统，还要考虑与此相关联的一系列其它问题。如对矿渣粉磨系统，在系统调试或磨机工作
7、状态调整的过程中，无论是稳定产量、磨机通风量、磨机工况或是出磨气体温度，系统风量的调节使用频度最高，往往也最直接有效。但若主排风机无法通过自身调节来实现风量的调节，而是通过采取各种类型阀门的组合调节来实现风量调节，将直接导致系统调整操作过程的复杂、低效和系统的高能耗，因而应寻求更经济、高效、便捷的调整方法。传统的流量调节多采用旁路放空、管道闸阀节流调节或者是调节导向叶片倾斜角度等方法。分析表明，叶片式风机的流量与转速一次方成正比，功耗则与转速三次方成正比，由此可见采用传统方法进行流量调节时，由于转速不变，功耗仍然较大，而通过改变转速调节时，则可大大减小功耗。采用改变风机的转速进行流量或风压的调
8、节是最经济节能的方法，这已成为一个公认的事实1。与此同时，降低风机的转速还有助于减轻风机叶轮及通风管道的磨损，降低噪声。不同的应用条件及环境，可采用不同的转速调节方法，下面对几种调速传动方案进行分析和讨论。(1)调速型液力偶合器 调速型液力偶合器主要由泵轮、涡轮及相应的液流循环控制元件构成，它是利用控制由泵轮和涡轮组成的工作腔内循环油液的动量矩来实现输出转速调节的。工作时，电动机通过液力偶合器的输入轴驱动泵轮，对工作液体进行加速，被加速的工作油再带动从轮涡轮进而使风机或泵旋转。当工作腔内工作油液的数量发生变化时，输出转速亦随之发生变化，且输出转速的调节是无级进行的。 调速型液力偶合器适用于各种
9、工作环境，调速过程中由于电机转速不发生变化，因而对电网功率因数的影响不大，此外还具有良好的软起动性能及对过载冲击有较好的减缓功能。缺点是效率低，有滑差损失，调速过程中其自身需消耗一定的能量，且需大量冷却水循环冷却。另外调速区内还存在一低效发热区间，液力偶合器不适宜于长时间在此区域工作。用于传动系统时传动链显得较长，占地面积稍大。调速型液力偶合器已有系列产品可选用，其传递功率最大可达7500KW，输入转速7503000r/min。(2) 变频调速传动装置 变频调速是通过变频器来改变异步电机定子端输入电源的频率，从而改变电机转速。目前常用的变频器有电流型、电压型等多种型式。低压变频器在一般中、小功
10、率风机或泵的调速运行中已应用的十分成熟。近些年来，随着高压大功率变频技术的发展，变频调速在高压大功率领域的应用亦取得一定进展，也积累了一定的使用经验。 变频调速的优点是占地面积小，调速范围宽，响应速度快，系统保护功能完善，可实现电机的软起动，但其缺点为造价昂贵，有高次谐波污染，且对电网功率因数影响较大，为此一般需增添无功补偿及谐波吸收装置。此外对运行环境也有一定要求，维护检修复杂，发热严重，受造价影响其大面积应用尚有一定困难。（3）内反馈高频斩波调速 内反馈高频斩波调速实质上是一种新形式的串级调速，其主要原理是在转子回路中串入附加反电动势，等效电势大小由高频斩波器调节，调节斩波器导通时间与斩波
11、周期的比率来改变附加反电动势的大小，从而改变转子电流，进而改变电磁转矩和转速。它的最大特点是控制电压低的转子侧，其变流功率仅为转子回路的转差功率。由于在电动机的定子绕组嵌槽中同槽嵌放一个反馈绕组，该反馈绕组和定子绕组替代了逆变变压器，转差功率通过反馈绕组和定子绕组回馈至电网，此即所谓的内反馈高频斩波调速。相对于高压变频调速，内反馈高频斩波调速的突出优点为控制容量小（仅为转差功率），控制电压低，因而构成简单，造价低，谐波污染小。但其缺点为需配套使用绕线式内反馈电机，且存在滑环碳刷的维护问题。此外发热仍然严重，需辅助空调散热。调速精度及范围虽不及高压变频调速，但对风机的调速已足以满足使用要求。(4
12、)直流调速传动装置利用直流电机调速是传统的调速方法，它具有调速范围宽、效率高、调速方便等优点。但由于存在辅助设备多、结构复杂等缺点，在常压范围内，近些年来许多情况下已被变频调速所取代。 (5) 液粘调速传动装置采用液粘传动技术开发的液粘传动装置可分为两类，即液粘软起动装置和液粘调速传动装置，其中前者一般只用于实现起动过程的软起动，例如用于前面所述的恒流量风机及泵的传动系统中。而液粘调速传动装置则可用于既要实现软起动又需调速的传动系统中。所谓液粘传动技术，它是以粘性液体作为介质，依靠主从动摩擦片之间的油膜剪切力来传递运动及动力。无论是用于实现软起动还是调速，它均是依靠调整系统的控制油压，进而控制
13、摩擦片间的膜厚来实现输出转速的调节及平稳起动。有关该类产品结构及工作原理的详细说明参见12，限于篇幅，不再重复。液粘调速传动装置用于风机传动时，一般将其置于电机后面，利用其调速功能实现对工作机的流量调节，该类装置既可用于高速，亦可用于低速，常用传递功率160-3500KW，转速以不高于2500r/min为宜。该类传动装置稳态运行时有较高的传动效率，优良的综合传动性能、缺点是不够紧凑，占地面积大，调速运行时能量损失率也较高。签于此，液粘传动装置最适宜用于实现带载系统的软起动及调速运行时间较短的传动系统中。(6) 紧凑型液粘调速传动装置为克服液粘调速传动装置结构不紧凑、占地面积大的缺点，当传动系统
14、中还应用有齿轮箱时，可将两者复合为一体，这就使得传动链可大大缩短，占地面积明显减小。这类产品即为紧凑型液粘调速传动装置。(7) 紧凑型液力传动装置所谓紧凑型液力传动装置，它是将传动系统中的液力偶合器与传动齿轮箱复合为一体，并应用于风机的传动系统中，它亦具有紧凑、占地面积小的优点，但缺点是效率较低。(8) 差动调速传动装置差动调速是利用差动齿轮箱来实现对传动系统转速的调节，其主要构成主要为一台差速器、一台主电机和一台功率较小的辅电机。正常工作时既可只开主电机，亦可两个电机同时工作。为实现输出转速在一定范围内的无级调节，辅电机一般选用直流机或变频调速。双电机同时工作时，由于差速器的输出转速分别是主
15、、辅电机单独工作时输出转速的迭加，因而可通过改变辅电机的转速，使输出转速在一定范围内变化，以适应工作机的不同要求。进一步的分析还表明，差动调速两个输入电机的功率Pb/Pa可在2.5-5间调整，这说明用于调速的辅电机的功率远小于主电机的功率，亦即用一较小功率的电机即可实现大功率传动系统的调速，较之直接进行大功率电机的调速，技术难度、造价均大大降低，可靠性则大大提高。对水泥厂风机类产品，一般其输出转速的调速范围为额定转速的30%左右，利用差动技术调速完全可满足这一要求。差动调速系统的结构分析和调速原理详见3，其优点主要为：1、结构简单、使用可靠、造价低。2、可方便实现对流量及风压的调节，节能效果明
16、显。3、可优化动力配置，减小电机功率，提高系统功率因数和传动效率。缺点亦为不够紧凑、传动链显得较长。综合前面的介绍，对最为常用的几种调速方法，即高压变频调速、内反馈高频斩波调速、液力偶合器调速及差动调速，从原理、特点、节能效果及投资等方面予以综合比较，具体结果如表1示，这可有助于更直观全面地了解及评判选用这几种调速方法。表1 几种调速方法的综合比较变频调速/内反馈调速液力偶合器调速差动调速造价高中中调速范围宽/中中中复杂程度高/中中中总效率高中高节能效果高中高技术成熟度中高高维护保养复杂一般一般功率因数低高高应用环境要求高中中综合效益中中高4 结论通过对风机工作特性及其常用调速传动装置的特点介
17、绍，现对不同情况下传动系统的设计提出如下优先选择建议：（1）对一般中小功率的恒流量风机，可直接选用钢球联轴器来改善系统的起动性能。对中大功率恒流量风机，建议选用液粘软起动装置或紧凑型液粘软起动装置，亦可选用差动调速传动装置，以此来达到系统平稳起动的目的，降低起动能耗。（2）对变流量风机，小功率时可选用变频电机来实现调速，进而调节流量或风压。对中大功率风机，当对起动品质要求不严，冷却条件不好，冷却介质如冷却水供应受限且需控制投资时，宜选用差动调速传动装置。对进行现场改造的风机系统，若受厂地限制无法使用差动调速系统时，建议选用内反馈高频斩波调速或中高压变频调速系统。对超大功率风机，当对系统起动性能要求较高，且用于宽大空间，有较好的冷却介质供应条件时，可采用液粘调速装置或紧凑型液粘或液力传动装置，相应地此类装置的造价要高些，维护工作量也要多一些。参考文献:1 杨乃乔，姜丽英.液力调速与节能M.北京:国防工业出版社,2000.2 赵玉良，庞杭洲.可控起动传动装置设计原理初探J.重型机械,2001（增刊）:45-47.3 赵玉良，庞杭洲，左金荣.大功率风机及泵的节能调速装置J.节能与环保，2005（6）:32-34.