永磁調速技術節能研究

李冬冬，劉建頻，匡 俊，馬玉順，吳義敏，陳永躍

（1.中船重工第702研究所上海分部,上海200011；2.上海市東方海事工程技術有限公司,上海200011）

目前，風機與泵類負載主要的調速方式有液力耦合調速、變頻調速和永磁調速，液力耦合調速的發展已經有上百年的時間，技術已經比較成熟。變頻調速從20世紀70年代出現，有近半個世紀的發展，其功能越來越全面，調速精度也越來越高。雖然液力耦合與變頻調速都有很多的優點，但是，其固有的缺點也是顯而易見的，液力耦合器調速精度差、響應慢、維護費用高，變頻器電子元器件眾多、可靠性差、電力諧波等問題都很難解決［1-2］。20世紀90年代末期，美國Ma g n a D r i v e公司在永磁調速方面取得突破性的進展，開發出了永磁調速器［3］。永磁調速具有節能、調速比大、可靠性高、穩定性好、無物理連接傳遞扭矩、環境適應性強、壽命長等優點，解決了液力耦合器和變頻器存在的一些固有缺陷，被不斷地推廣到各行各業。永磁調速在我國還處于起步階段，應用也比較少，因此本文將研究其原理和調速性能，并分析其節能原理，充分發揮優越性能。

1 永磁調速原理

永磁調速器(P MD)基本構成如圖1所示，主要由4部分組成：導體轉子、永磁轉子、氣隙調節機構、法蘭和脹緊套。導體轉子是在鋼盤上鑲嵌導電性能較好的銅盤或者鋁盤，通常有2個導體盤構成1個鼠籠形的導體轉子，導體轉子與電機軸通過法蘭和脹緊套連接；永磁轉子是在鋁盤中放置永磁體，通常也有2個鋁盤構成1個永磁轉子，它與負載軸同樣通過法蘭和脹緊套連接；氣隙調節機構可調整永磁轉子與導體轉子之間的氣隙，其調節方式可以采用手動或自動控制。

導體轉子和永磁轉子可以自由獨立旋轉，當導體轉子旋轉時，在永磁轉子中永磁體磁場的作用下，導體轉子中的銅盤或鋁盤將產生渦電流，由于渦電流的生產，將產生感應磁場，感應磁場與永磁體磁場相互作用，從而帶動永磁轉子旋轉，實現電機與負載之間的轉矩傳輸。

調節永磁體和銅導體之間的氣隙，氣隙磁場的磁阻將改變，使得傳遞的扭矩和速度改變，從而獲得可調整的、可控制的、可重復的負載轉速，實現負載速度的調節［3-5］。

圖1 永磁調速器組成原理圖

2 永磁調速特點

由永磁聯軸器的結構原理可知，其具有以下特點：

第一，永磁調速可在0%~97%的范圍內對負載進行無級調速，可滿足過程控制要求。

第二，可實現空載啟動，減小啟動電流沖擊大小與時間。P MD在啟動時，將氣隙調節到最大，即可實現空載啟動。

第三，振動沖擊小。電機和負載之間沒有機械硬連接，完全通過氣隙傳遞扭矩，避免了振動的傳遞，提高了系統運行的平穩性。

第四，可靠性高。P MD結構簡單，故障率低，維護保養成本低。第五，使用壽命長。P MD的使用壽命可達25年。

第六，可節約能耗。通過調節負載轉速，提高效率，減少管路損失，降低電機負荷，達到節能的目的。

第七，適應各種嚴苛環境。適應易燃、易爆，潮濕，粉塵含量高，高溫、低溫等場所。

第八，無諧波干擾。P MD為純機械聯結，不會導致變頻器工作時產生的諧波干擾。

3 節能分析

在實際工程設計與應用中，為滿足負荷最大時風機或水泵系統輸出要求，通常按系統的最大輸出能力配置系統，而實際使用過程中，絕大多數情況下系統并非滿負荷運轉，而是根據需要，通過控制閥門或風門擋板等實現流量/壓力控制，以滿足生產需要。圖2為風機/泵類負載調速節能原理圖，曲線n1為風機/泵在轉速為n1時的運行曲線，其與管網特性曲線的交點A為額定工況點，若流量從 減小到 時，采用閥門和調速調節的過程為：

第一，采用閥門調節時，管網特性曲線由 變為 ，風機/泵工作點由A調至B點，此時風機耗功為 ，與風機/泵在A點時的耗功 相比，其功耗變化很小，而此時風機/泵的效率從 降至 ，效率降低較大。

第二，采用調速調節時，可根據系統需要調整電機轉速，改變設備的性能曲線，若將電機轉速從n1調整為n2，風機/泵工作點將從A調至C點，此時風機/泵耗功為 ，從圖中可以看出，表明調速調節比閥門調節節能效果顯著，而且其效率C明顯比B大。

圖2 風機/泵類負載調速節能原理圖

風機和泵的系統效率可表示為：

式中： 為電機效率， 為調節流量或轉速或壓力控制設備的效率， 為風機或水泵效率， 為管道效率。

在其他效率一定的情況下，調節流量或轉速控制設備的效率決定了系統效率。采用閥門或風門擋板調節輸出流量或壓力時，電機和負載轉速不變，從相似定律可以看出，輸入功率不變。當閥門或風門擋板開度小于100%或調節器非直通型，流體經過閥門或風門擋板將造成很大的能量損失，同時在閥門或風門擋板兩端產生很大的壓差，特別是在風機或水泵的輸出端的壓力增高，使得風機或水泵的運轉點偏離最佳效率點時，因此，閥門開度減小時，電機輸入功率不會顯著減小，很多能量由此浪費掉。

風機和水泵類負載符合相似定律，在不同轉速下的流量 、壓力(揚程) 、功率 和轉速 之間的關系為［6-7］：

圖3為按照離心負載相似定律計算得到的理論節能值，從圖3可以看出，若轉速降低全速時的20%，輸出流量降低20%滿負荷流量，輸出壓力降低滿負荷的36%，而能源需求降低了49%，如果不考慮調速裝置的能耗，節能效果可達49%。當然，任何一種調速裝置都是需要耗能的，但這種能耗遠遠低于輸入能耗的降低，因此可以實現很好的節能效果。

圖3 理論節能效果

耗電量可表示為：

式中： 為電網輸入功率， 為運行時間。

電網輸入功率 可表示為：

式中： 為負載功率， 為調速裝置效率， 為電機效率， 為管道效率。

若1000k W風機風量從100%分別降低到90%和80%，年運行8000 h，單價電費0.4元/k w·h，電機效率m為0.85，管道效率p為0.95，分別采用液力耦合調速、變頻調速和永磁調速，則采用3種調節方式后其節能效率如表2所示。

表2 1000kW風機采用不同調速方式節能比較

從表2可以看出，在風機風量為90%時，液力耦合調速的效率最低，永磁調速效率最高，永磁調速節省的電費要比液力耦合調速每年多25萬元，比變頻調速節省的電費每年多4萬元，其節能效益相當可觀。在風機風量為80%，變頻調速和液力耦合調速的效率相當，兩者每年節省的電費都比液力耦合調速多47萬元。

4 結語

永磁調速技術具有高效節能、可靠性高、柔性連接傳遞扭矩，可在嚴苛環境下使用，極大減少系統振動、減少系統維護和延長系統使用壽命，比液力耦合調速與變頻調速具有更大的優勢，可大幅節省系統能耗，具有良好的應用前景。

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