永磁調速技術在水泥工業的應用

謝蓉，石巍，許聰，郭玉興

1 前言

永磁調速技術是近年來國際上開發的一項突破性新技術，是專門針對水泵、風機類離心式負載調速節能的適用技術。它具有高效節能、高可靠性、無剛性連接傳遞扭矩、可在惡劣環境下應用、極大減少整體系統振動、減少系統維護和延長系統使用壽命等特點。尤其是其不產生高次諧波并且低速下不造成電機發熱的優良調速特性，更使其成為水泵、風機類離心式負載節能技術改造的首選。

2 永磁調速驅動器的工作原理及特點

2.1 工作原理

永磁調速器主要由導體轉子、永磁轉子和控制器三部分組成，其中導體轉子和永磁轉子的故障率幾乎為零，執行機構的可靠性決定了設備乃至系統的可靠性。根據調節方式主要分為氣隙調節和嚙合面調節兩種。根據冷卻方式主要分為空冷型永磁調速驅動器和水冷型永磁調速驅動器。

（1）氣隙調節（第一代永磁調速驅動器）

氣隙調節是將永磁調速驅動器中的導體轉子固定在電動機軸上，永磁轉子固定在負載轉軸上，導體轉子和永磁轉子之間無接觸，有間隙（稱為氣隙）。這樣電動機和負載由原來的硬（機械）接轉變為軟（磁）連接，通過調節永磁體和導體之間的氣隙就可實現負載軸上的輸出轉矩變化，從而實現負載轉速變化。通過調整氣隙獲得可調整的、可控制的、可以重復的負載轉速（圖1、圖2）。

（2）嚙合面調節（第二代永磁調速驅動器）

嚙合面調節是根據嚙合面的大小來控制相應的磁場大小，從而實現負載轉速變化。即導體轉子安裝在輸入軸上，永磁轉子安裝在輸出軸上，當導體轉子轉動時，導體轉子與永磁轉子產生相對運動，永磁場在導體轉子上產生渦流，同時渦流又產生感應磁場與永磁場相互作用，從而帶動永磁轉子沿著與導體轉子相同的方向轉動，將輸入軸的轉矩傳遞到輸出軸上；輸出轉矩的大小與嚙合面積相關，嚙合面積越大，扭矩越大，反之亦然。

永磁轉子在調節器作用下，沿軸向往返移動時，永磁轉子與導體轉子之間的嚙合面積發生變化。嚙合面積大，傳遞的扭矩大，負載轉速高；嚙合面積小，傳遞的扭矩小，負載轉速低；嚙合面積為零，傳遞扭矩為零，永磁轉子與導體轉子完全脫開，永磁轉子轉速為零，負載轉速也為零（圖3、圖4）。

（3）空冷型永磁調速驅動器

空冷型永磁調速驅動器由銅導體轉子上的散熱片帶動冷卻氣流來冷卻轉子與銅導體轉子之間因轉差所產生的熱量，該轉差與傳動的扭矩相關，且轉差由調整磁轉子與銅導體轉子之間的氣隙來達成。通常情況下，空冷型永磁調速適用于功率范圍在315kW以內的電機。

（4）水冷型永磁調速驅動器

水冷型永磁調速驅動器由磁轉子與銅導體轉子轉動的離心力去驅動冷卻水流來冷卻磁轉子與銅導體轉子之間因轉差所產生的熱量。水冷型永磁調速驅動器適用于315kW（含）以上電機以及當電機轉速較低以致空氣冷卻不足時的情況。

2.2 永磁調速驅動器的特點

（1）平滑無級調速，節能效果顯著，調速范圍0～98%，實現高效節能。

（2）柔性啟動，減少電機的沖擊電流，延長電機使用壽命。

（3）控制精度可達到±1%。

（4）綠色環保，無諧波，無污染物、無電磁波干擾，對環境的噪音增量小于5dB。

（5）能適應各種惡劣環境，如電網電壓波動大、諧波嚴重、易燃易爆、潮濕、高粉塵等場所。

（6）無機械連接，隔離振動，傳動平穩、安全。

（7）安裝簡單，允許軸向竄量～10mm、對中誤差～1mm。

（8）延長傳動系統各主要部件(軸承、密封等)的使用壽命，降低維護成本。

3 四種調速方式性能對比（表1）

4 永磁調速技術的應用

風機的一個特點是負載轉矩與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。在水泥廠的設計和選型中，由于風機系統設計時富余系數過大，同時單機選型也寧大勿小，最終會造成系統負荷的增加。尤其風機采用閥門來節流，人為地增加管道的阻力以減小流量，因此阻力損失相應增加，而此時風機的特性曲線不變，葉片轉速不變，系統輸入功率并無太多減少。所以流量變化時，會浪費大量的電能。永磁調速驅動器的應用可有效緩解上述現象。永磁調速驅動器根據所需的流量調節轉速，可獲得很好的節電效果。

對5500 t/d規模水泥生產線，系統風機的裝機功率約為13250kW，占全廠總裝機功率（約33500kW）的35%。生產系統中窯頭排風機、窯尾排風機、生料磨廢氣處理排風機、篦冷機冷卻風機、煤磨系統通風機、水泥磨系統通風機、窯頭燃燒器用羅茨風機等設備通常需要根據工況調整風量，這些風機裝機功率約為7870kW，如采用永磁調速驅動器調速，節能效果相當顯著。

表2為水泥廠部分風機在不同功率參數下配備不同形式的調速系統投資費用估算表。由2表可以看出，對于單臺設備而言，第二代永磁調速系統前期投資（初裝費用）略高于高、低壓變頻器系統。水泥廠往往采用較多的高、低壓變頻器系統，常需加裝諧波治理裝置，其投資一般約100萬元，所以從水泥廠整體而言兩者前期投資相當。

表1 四種調速方式性能對比

2007年永磁耦合器與調速驅動器從美國引進我國，在美國已大量應用于冶金、石化、采礦、發電、紙漿、海運、軍艦等行業。目前國內應用案例主要有浙江嘉興電廠、山東海化自備熱電廠、華電東華電廠、華能南京電廠、中石化北京燕山石化、棗莊煤業集團蔣莊煤礦等大型企業集團。

表2 水泥廠部分風機在不同功率參數下配備不同形式的調速系統投資費用估算表

某石化公司根據系統工況采用永磁調速系統對灰漿泵進行轉速調整，當泵轉速由1470r/min逐級降低到720r/min時，電機電流相應降低。生產中最大轉速1400r/min左右時間只占總數的10%，轉速1200r/min左右時間約占總數的40%，轉速1300r/min左右時間約占總數的35%，轉速低于900r/min左右時間約占總數的10%，平均節電率為30.86%。同時不同轉速下振動幅值僅為改造前的15%～40%，振動降低60%～85%。在某礦業公司引風機改造中，引風系統調速平穩，運行穩定，節電效果明顯，達37%左右，而且對電網無任何干擾。

5 結語

第二代永磁調速驅動器與高、低壓變頻器系統一次性投入上相當，但其可靠性高、壽命長、投資回報快，其經濟收益是通過設備的無故障正常運行時間和一定時間內的節能效果來體現。從后期的維護費用、節能減排來說，第二代永磁調速驅動器較高低壓變頻器有明顯的優勢。

目前國內水泥行業中，工藝系統風機調速基本都使用普通變頻調速，隨著人們對永磁調速技術的認可及永磁調速技術的發展，在目前的節能環保的大環境要求下，永磁調速作為一種新型的節能環保產品，在水泥行業有著良好的應用前景。

［1］王向東,閆華光,高學田.永磁調速器在節能中的應用[C].第二屆工業企業節電技術研討會論文集.中國機械工程學會,2007.

［2］劉國華,王向東,永磁調速器在電廠灰漿泵系統中的應用和節能分析[J].電力設備,2008.10.

［3］錢廣華,高海山.永磁調速器應用在鼓風機上的節能效果分析[J].電氣節能,2009.11.■