Zusammenfassung: Die Probleme der ursprünglichen Antriebsstruktur von Kühlturmlüftern werden analysiert, die Vorteile des Permanentmagnet-Direktantriebsmotors vorgestellt und dessen Auswahl und Steuerung erläutert. Durch die Umstellung des Kühlturmlüfterantriebssystems auf einen Permanentmagnet-Direktantrieb werden Probleme wie Ölleckagen und starke Vibrationen behoben, der Wartungsaufwand reduziert, die Betriebseffizienz gesteigert und eine deutliche Energieeinsparung erzielt. Eine einzelne Einheit kann jährlich ca. 98,000 kWh Strom einsparen, was eine hohe Wirtschaftlichkeit gewährleistet.

Das Umlaufwasserkühlsystem zur Stromerzeugung aus Abwärme nutzt zwei 75-kW-Kühlturmventilatoren zur Umlaufwasserkühlung. Der Getriebeteil des Kühlgebläses übernimmt die traditionelle Antriebsstruktur der Ausrüstung aus Motor + Getriebewelle + Untersetzungsgetriebe. Die Eingangswelle des Motors und des Untersetzungsgetriebes ist mit einer Übertragungswelle aus Stahl verbunden.

1. Probleme mit herkömmlichen Antriebsstrukturen

(1) Das Reduzierstück des Kühlgebläses ist im Kühlturm installiert. Die Getriebewelle ist 4 m lang. Aufgrund der sehr feuchten Umgebung ist die Getriebewelle stark korrodiert. Durch den ungleichmäßigen Abwurf der Rostschicht verliert die Getriebewelle ihr dynamisches Gleichgewicht, was zu starken Vibrationen der Ausrüstung und der Getriebewelle führt. Regelmäßiges Entrosten und dynamisches Auswuchten sind kostspielig.

(2) Mit zunehmender Laufzeit des Kühlgebläse-Untersetzungsgetriebes verschleißt die Öldichtung der Eingangswelle stark, was zu Öllecks führt, ein regelmäßiges Ölnachfüllen erforderlich macht und die Umwelt verschmutzt.

(3) Das Reduzierstück hat eine kompakte Struktur, erzeugt viel Wärme und verfügt über eine schwache Wärmeableitungsfähigkeit, was zu einer hohen Temperatur des Reduzierstücks, einer kurzen Lebensdauer von Öldichtungen und Schmiermitteln und der Notwendigkeit einer häufigen Wartung führt.

2. Permanentmagnet-Direktantriebsstruktur und Vorteile

Der Permanentmagnet-Direktantriebsmotor nutzt Frequenzumrichter-Vektorsteuerung, Direktantrieb mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment sowie intelligente Steuerungstechnik. Er zeichnet sich durch eine vereinfachte Struktur, hohe Effizienz und geringen Verbrauch, niedrige Drehzahl und hohes Drehmoment, hohe Zuverlässigkeit und Wartungsfreiheit, hohe Steifigkeit und schnelles Ansprechverhalten sowie den Verzicht auf Schmierung aus. Die niedrige Drehzahl, der ruhige Lauf und die geringen Vibrationen reduzieren den Aufwand für Wartung und Reparatur erheblich und sparen somit Personal- und Materialkosten. Geeignet für den Einsatz in Lüfteranwendungen.

Die wichtigsten Vorteile:

(1) Der Permanentmagnet-Direktantriebsmotor treibt die Last direkt an, sodass kein Untersetzungsgetriebe erforderlich ist. Es ist einfach und zuverlässig aufgebaut und grundsätzlich wartungsfrei.

(2) Das Untersetzungsgetriebe und die Getriebewelle werden entfernt und der Übertragungswirkungsgrad des Systems beträgt 0.93. Beim Betrieb unterhalb der Nennfrequenz verfügt es über konstante Drehmomenteigenschaften, die den Hochlast-Anlaufanforderungen der Anlage gerecht werden und den Betrieb der Anlage energiesparender machen.

(3) Die Ausrüstung nimmt wenig Platz ein und verbraucht kein Schmieröl und keine Ersatzteile für Untersetzungsgetriebe.

(4) Durch die Frequenzumrichtersteuerung kann ein sanfter Start erreicht werden, wodurch die Auswirkungen auf die Lastausrüstung verringert und deren Lebensdauer verlängert wird.

(5) Bei geringer Last kann die Betriebsfrequenz entsprechend reduziert werden, um bessere Energiespareffekte zu erzielen.

3. Auswahl des Permanentmagnet-Direktantriebsmotors

3.1 Vergleich von Leistungsfaktor und Wirkungsgrad im Lastbetrieb

Vor der Umgestaltung betrug die Leistung des Kühlturmventilators 75 kW, der Nennstrom 160 A, der maximale Betriebsstrom etwa 76 A und die Auslastung etwa 56 %. Der Vergleich der Effizienz und des Leistungsfaktors von Asynchronmotoren und Permanentmagnetmotoren bei unterschiedlichen Betriebslasten ist in Abbildung 1 dargestellt.

Der Permanentmagnet-Direktantriebsmotor hat die gleiche Laufradgeschwindigkeit wie der Kühlturmventilator, n0=n=155 U/min (n ist die Ventilatorgeschwindigkeit), die erforderliche Wellenleistung P=1.732UIcosφη1η2η3=1.732×0.38×76×0.855× 0.86× 0.95×0.96≈33.5 (kW), das erforderliche Drehmoment T=9 550P/n0=9 550×33.5÷155= 2 064 (N·m).

Das tatsächliche Modell nach der Änderung ist in Abbildung 2 dargestellt.

3.2 Nachteile von Permanentmagnetmotoren

Permanentmagnet-Synchronmotoren verwenden üblicherweise Seltenerd-Permanentmagnete (Neodym-Eisen-Bor). Diese sind derzeit relativ teuer, was hohe Anfangsinvestitionen zur Folge hat. Bei zu hoher Temperatur kann es in einem Seltenerd-Permanentmagnet-Synchronmotor durch die Ankerreaktion aufgrund des Stoßstroms oder bei starken mechanischen Vibrationen zu irreversibler Entmagnetisierung kommen. Dies kann die Motorleistung beeinträchtigen oder den Motor sogar unbrauchbar machen. Daher ist es wichtig, im Einsatzumfeld auf die Kühlung des Motors und Maßnahmen zur Vibrationsdämpfung zu achten.

4. Wirkungsanalyse nach der Transformation

Nachdem der Kühlturmventilatormotor zwei 55-kW-Permanentmagnet-Direktantriebsmotoren übernommen hat, sinkt unter gleichen Betriebsbedingungen der Strom pro Stunde eines einzelnen Permanentmagnetmotors im Herbst und Winter im Durchschnitt um etwa 35 A und die gemessene Spannung während des Betriebs beträgt etwa 340 V. Nehmen wir U = 340 V, cosφ = 0.97, η = 0.95, dann beträgt die Leistung P = 1.732 Ucosφη = 1.732 × 0.34 × 35 × 0.97 × 0.95 = 18.9 (kW), und es wird erwartet, dass 18.9 eingespart werden kWh pro Stunde. Der durchschnittliche stündliche Stromabfall beträgt im Frühling und Sommer etwa 28 A, und die tatsächlich gemessene Spannung während des Betriebs beträgt etwa 370 V. Bei U = 370 V, cosφ = 0.97, η = 0.95 beträgt die Leistung: P = 1.732 Ucosφη = 1.732 × 0.37 × 28 × 0.97 × 0.95 = 16.5 (kW), es wird erwartet, dass 16.5 kWh pro Stunde eingespart werden. Laut Vergleich der Messdaten des Energiezählers vor und nach der Umstellung kann ein einzelner Motor im Herbst und Winter 17 kWh pro Stunde einsparen, und ein einzelner Motor kann im Frühjahr und Sommer 15 kWh pro Stunde einsparen. Berechnet auf eine Jahresbetriebsrate von 70 % kann ein einzelner Motor im Herbst und Winter 17 kWh pro Stunde einsparen. Die Stromeinsparung beträgt ca. 98,000 kWh.

5. Fazit

Nachdem das Antriebssystem des Kühlturmventilators in ein Direktantriebssystem mit Permanentmagnetmotor umgewandelt wurde, wurden die Probleme von Öllecks und starken Vibrationen der Ausrüstung gelöst, die Betriebseffizienz der Ausrüstung verbessert und der Stromspareffekt war offensichtlich, was Einsparungen bedeutete ca. 15–17 kWh pro Stunde und eine Energieeinsparungsrate von 40 % bei gleichzeitiger Reduzierung des Wartungsaufwands, Verbesserung der Systembetriebsrate und Verlängerung der Gerätelebensdauer.