Resumen: Se analizan los problemas existentes en la estructura original del sistema de accionamiento del ventilador de la torre de refrigeración, se presentan las ventajas del motor de accionamiento directo de imanes permanentes y se analiza su selección y control. El sistema de accionamiento del ventilador de la torre de refrigeración se transforma en un sistema de accionamiento directo con motor de imanes permanentes, lo que resuelve problemas como fugas de aceite y vibraciones excesivas. Además, se reduce el mantenimiento, se mejora la eficiencia operativa del equipo y se logra un ahorro energético significativo. Una sola unidad puede ahorrar aproximadamente 98 000 kWh de electricidad al año, lo que demuestra su eficiencia.

El sistema de refrigeración por agua circulante para generación de energía térmica residual utiliza dos ventiladores de torre de refrigeración de 75 kW para la refrigeración por agua circulante. La parte de transmisión del ventilador de refrigeración adopta la estructura de accionamiento del equipo tradicional de motor + eje de transmisión + reductor. El eje de entrada del motor y el reductor están conectados a un eje de transmisión de acero.

1. Problemas con las estructuras de accionamiento tradicionales.

(1) El reductor del ventilador de refrigeración está instalado dentro de la torre de refrigeración. El eje de transmisión tiene 4 m de largo. Debido al ambiente muy húmedo, el eje de transmisión sufre una fuerte corrosión. El eje de transmisión pierde su equilibrio dinámico debido al desprendimiento desigual de la capa de óxido, lo que provoca graves vibraciones en el equipo y en el eje de transmisión. Se requiere una eliminación regular del óxido y un equilibrio dinámico, lo que resulta caro.

(2) A medida que aumenta el tiempo de funcionamiento del reductor del ventilador de refrigeración, el sello de aceite del eje de entrada se desgasta gravemente, lo que provoca fugas de aceite, requiere un reabastecimiento regular de aceite y contamina el medio ambiente.

(3) El reductor tiene una estructura compacta, genera mucho calor y tiene una débil capacidad de disipación de calor, lo que resulta en una alta temperatura del reductor, una corta vida útil de los sellos de aceite y lubricantes y la necesidad de un mantenimiento frecuente.

2. Estructura y ventajas de accionamiento directo de imán permanente

El motor de accionamiento directo de imán permanente adopta tecnología de control vectorial de frecuencia variable, tecnología de accionamiento directo de baja velocidad y alto par, y tecnología de control inteligente. Posee una estructura simplificada y se caracteriza por su alta eficiencia y bajo consumo, baja velocidad y alto par, alta fiabilidad y ausencia de mantenimiento, alta rigidez y respuesta rápida, sin necesidad de lubricación. Su baja velocidad, funcionamiento suave y mínima vibración reducen considerablemente la carga de trabajo de mantenimiento y reparación diarios, ahorrando mano de obra y costes de materiales. Es adecuado para su uso en aplicaciones de ventiladores de refrigeración.

Ventajas principales:

(1) El motor de accionamiento directo de imán permanente impulsa directamente la carga, eliminando la necesidad de un reductor. Tiene una estructura simple y confiable y básicamente no requiere mantenimiento.

(2) Se retiran el reductor y el eje de transmisión y la eficiencia de transmisión del sistema es 0.93. Cuando funciona por debajo de la frecuencia nominal, tiene características de par constante, que cumplen con los requisitos de arranque de carga pesada del equipo y hacen que la operación del equipo ahorre más energía.

(3) El equipo ocupa un espacio reducido y no consume aceite lubricante ni repuestos de reductores.

(4) El control del convertidor de frecuencia puede lograr un arranque suave, reduciendo el impacto en el equipo de carga y extendiendo su vida útil.

(5) En condiciones de carga baja, la frecuencia de funcionamiento se puede reducir adecuadamente para lograr mejores efectos de ahorro de energía.

3. Selección de motor de accionamiento directo de imán permanente.

3.1 Comparación de eficiencia y factor de potencia de operación de carga

Antes de la transformación, la potencia del ventilador de la torre de enfriamiento era de 75 kW, la corriente nominal era de 160 A, la corriente operativa máxima era de aproximadamente 76 A y la tasa de carga era de aproximadamente el 56 %. En la Figura 1 se muestra la comparación de la eficiencia y el factor de potencia de motores asíncronos y motores de imanes permanentes bajo diferentes cargas operativas.

El motor de accionamiento directo de imán permanente tiene la misma velocidad del impulsor que el ventilador de la torre de enfriamiento, n0=n=155 r/min (n es la velocidad del ventilador), la potencia del eje requerida P=1.732UIcosφη1η2η3=1.732×0.38×76×0.855× 0.86× 0.95×0.96≈33.5 (kW), el par requerido T=9 550P/n0=9 550×33.5÷155= 2 064 (N·m).

El modelo real después de la modificación se muestra en la Figura 2.

3.2 Desventajas de los motores de imanes permanentes

Los motores síncronos de imanes permanentes suelen utilizar materiales de tierras raras (neodimio-hierro-boro) como imanes permanentes. Actualmente, estos materiales son relativamente caros y la inversión inicial es elevada. Cuando la temperatura de un motor síncrono de imanes permanentes de tierras raras es demasiado alta, puede sufrir una desmagnetización irreversible debido a la reacción de la armadura causada por la corriente de impacto o durante vibraciones mecánicas severas, lo que provoca una degradación del rendimiento del motor o incluso su inutilización. Por lo tanto, en el entorno de uso, se debe prestar especial atención a la formulación de planes de refrigeración del motor y a las medidas para prevenir las vibraciones.

4. Análisis de efectos después de la transformación.

Después de que el motor del ventilador de la torre de enfriamiento adopta dos motores de accionamiento directo de imán permanente de 55 kW, en las mismas condiciones de funcionamiento, la corriente por hora de un solo motor de imán permanente disminuye en aproximadamente 35 A en otoño e invierno en promedio, y el voltaje medido durante el funcionamiento es aproximadamente 340 V. Tome U = 340 V, cosφ = 0.97, η = 0.95, entonces la potencia es P = 1.732 UIcosφη = 1.732 × 0.34 × 35 × 0.97 × 0.95 = 18.9 (kW), y se espera ahorrar 18.9 kWh por hora. La disminución de corriente promedio por hora es de aproximadamente 28 A en primavera y verano, y el voltaje real medido durante el funcionamiento es de aproximadamente 370 V. Tomando U=370 V, cosφ=0.97, η=0.95, la potencia es: P=1.732UIcosφη=1.732 ×0.37×28×0.97× 0.95=16.5 (kW), se espera ahorrar 16.5 kWh por hora. Según la comparación de los datos de medición del contador de energía antes y después de la transformación, un solo motor puede ahorrar 17 kWh por hora en otoño e invierno, y un solo motor puede ahorrar 15 kWh por hora en primavera y verano. Calculado sobre la base de una tasa de funcionamiento anual del 70%, un solo motor puede ahorrar 17 kWh por hora en otoño e invierno. El ahorro de electricidad es de unos 98,000 kWh.

5. Conclusión

Después de que el sistema de accionamiento del ventilador de la torre de enfriamiento se transformó en un sistema de accionamiento directo con motor de imán permanente, se resolvieron los problemas de fugas de aceite y grandes vibraciones del equipo, se mejoró la eficiencia operativa del equipo y el efecto de ahorro de energía fue obvio, ahorrando alrededor de 15 ~ 17 kWh por hora y la tasa de ahorro de energía del 40%, al tiempo que se reduce el mantenimiento, se mejora la tasa de operación del sistema y se extiende la vida útil del equipo.