永磁調速器在泵與風機節能中的應用

賀運初，潘樹林，王 滿

（1.湖南眾合節能環保有限公司，湖南長沙410205；2.廣西大學化學化工學院，廣西南寧530004）

永磁調速器在泵與風機節能中的應用

賀運初1，潘樹林2，王 滿2

（1.湖南眾合節能環保有限公司，湖南長沙410205；2.廣西大學化學化工學院，廣西南寧530004）

闡述了永磁調速器的工作原理，分析了永磁調速相對于變頻調速的優勢。通過泵與風機永磁調速的應用實例，對永磁調速系統進行了節能分析。應用結果表明，永磁調速器具有可靠性高、節能效果好、成本低、無伴生危害等優點。

永磁調速器；節能；原理；效果；計算；應用；泵；風機

0 概 述

泵與風機在國民經濟中占有重要地位，泵的電能消耗占全國電能消耗總量的21%以上，風機的電力消耗占全國發電總量的10%以上［1］。設計時，因選用的泵與風機裕量過大，或者無相匹配的泵與風機，而選用了性能參數較高的泵與風機。在實際運行中負荷的變化較大，設計時只能按最大需求選用泵與風機的參數。因此，在系統工況下，泵與風機性能不匹配的現象十分突出，泵與風機長時間偏離高效區運行。僅采用節流或回流的方法，對泵或風機的流量、壓力等進行調節，均會造成系統的能量損失。例如，火力發電廠設計技術規程規定：采用三分倉空氣預熱器正壓直吹式制粉系統的冷一次風機的風量裕量宜不小于35%，另增的溫度裕量，可按“夏季通風室外計算溫度”進行確定。風機的壓頭裕量宜為30%［2］。采用調速裝置對泵或風機的運行參數進行調節，可以改善系統的匹配狀態及運行彈性，從而使設備運行在最佳工況下。永磁傳動技術是指在外力的作用下，利用傳動部件中主、從動永磁場所產生的耦合力（包括吸引力和排斥力），實現力或轉矩（功率）無接觸傳遞的一種新興的傳動技術［3］。永磁調速技術屬于永磁傳動技術的一個分支，可以進行在線無級平滑調速。《國家重點節能技術推廣目錄（第五批）》推薦了永磁調速技術。《工業節能“十二五”規劃》，要求采用永磁調速技術，改善風機、泵類電機系統調節方式，逐步淘汰閘板、閥門等機械節流調節方式，提高電機系統的運行效率。

1 永磁調速器的基本組成與工作原理

1.1 基本組成

永磁調速器主要由導體轉子、永磁轉子、氣隙調整機構、執行器等組成，如圖1所示。導體轉子固定在電機軸上，永磁轉子固定在負載軸上，導體轉子與永磁轉子之間有間隙（稱為氣隙），各轉子均可獨立旋轉。1.2 工作原理

圖1永磁調速器的基本組成

在啟動負載之前，空載啟動電動機。旋轉的電機軸帶動導體轉子在永磁轉子的強磁場中切割磁力線，在導體轉子中產生渦電流，該渦電流在導體轉子上產生反向感應磁場，與永磁轉子的強磁場相互作用形成磁轉矩，從而帶動永磁轉子沿著與導體轉子相同方向旋轉，實現電機與負載之間的轉矩傳遞。永磁調速器傳遞的轉矩，隨著導體轉子與永磁轉子之間氣隙的減小而增加。調整永磁轉子與導體轉子之間的氣隙，就可改變永磁調速器輸出轉矩的大小，從而獲得可調整、可控制的負載轉速。在電機轉速恒定不變的情況下，實現負載轉速的調節。氣隙的調節，如圖2所示。

2 永磁調速系統的節能分析

圖2永磁調速器的氣隙調整示意圖

動力相似的情況下，遵循比例定律。

式（1）～式（3）中：

Q1、H1、P1分別是轉速為n1時負載的流量、揚程（全壓）、軸功率；

Q2、H2、P2分別是轉速為n2時負載的流量、揚程（全壓）、軸功率。

2.2 有靜揚程系統比例定律的數學修正

靜揚程即泵或風機系統在管網性能曲線中流量為零時的揚程（全壓）。對于水泵，靜揚程為水泵提升液體的位置高度（即位置勢能）Z與水泵管道進出的壓力差（p1-p2）/γ之和［4］。對于風機，在管道輸送氣體時，若管道入口壓力為大氣壓，氣體通過風機后仍排入大氣，或者風機前后2個容器的壓力差很小，則管道性能曲線只取決于管路壓力損失，它是一條通過坐標原點的拋物線［1］，即靜揚程為零。

當水泵管道系統的靜揚程為零時，管道性能曲線是一條通過坐標原點的拋物線，改變泵的轉速會得到不同的泵性能曲線。在不同轉速下，泵的運行工況點是相似工況點，可直接用比例定律計算調節流量所需的轉速和節能效果。若管道系統有靜揚程，管道水頭損失不再為零，管道性能曲線已不再是通過坐標原點的拋物線，轉速變化前后的工況點不再是相似工況點，流量、揚程與轉速的關系不符合比例定律，不能簡單地套用比例定律來計算流量調節所需的轉速和節能效果，而需采用對比例定律進行數學修正后的公式來計算流量調節所需的轉速和估算節能效果［5］。

2.1 離心負載的比例定律

離心式風機、水泵在滿足幾何相似、運動相似、

式（5）、式（6）中：Ha—水泵管道系統的靜揚程，m；

Hso—泵關死點的揚程，m。（額定轉速下泵性能曲線中流量為零時的揚程）

2.3 泵與風機的調速節能原理

在大部分運行時間里，系統的實際需求流量小于風機、水泵的最大設計流量。由比例定律可知，調速泵或風機的運行轉速如果比額定轉速低，輸出的軸功率也隨之降低。水泵系統的Q-H曲線，如圖3所示。水泵常使用節流調節和轉速調節。曲線1、曲線1′為不同轉速下水泵的性能曲線，曲線2、曲線2′為不同流量下水泵的性能曲線。A2為額定工況點，在流量降至Q1時，A1為使用轉速調節的工況點，A′為使用節流調節的工況點，H′A′A1H1所圍面積就反映了轉速調節比節流調節節約的軸功率。2.4 永磁調速系統的電機輸出功率

圖3水泵系統的Q-H曲線

當電機與負載剛性聯接時，電機轉速等于負載轉速即n1，電機輸出功率N1等于負載軸功率P1。在電機與負載之間設置永磁調速器時，電機轉矩等于負載轉矩，電機轉速恒定不變，即恒等于n1，負載轉速為n2。

式（7）～式（10）中：η、MT、MF分別為永磁調速器傳動效率、電機轉矩、負載轉矩；

N1、N2分別是負載轉速為n1、n2時的電機輸出功率。

2.5 永磁調速系統的綜合節能率

式（11）中：ξ為泵或風機永磁調速系統在統計報告期內的綜合節能率；

N1i、N2i分別是包含泵或風機的工程裝置在第i種工況運行時，泵或風機在采用永磁調速前后配套電機的輸出功率；

Nxi為包含泵或風機的工程裝置在第i種工況運行時，泵或風機的永磁調速器冷卻裝置消耗的功率；

m為統計報告期內包含泵或風機的工程裝置系統工況（工藝）的數量；

Ti為包含泵或風機的工程裝置在第i種工況的運行時間。

空冷型永磁調速器冷卻裝置消耗的功率可以忽略不計，其Nxi值一般取為零。液冷型永磁調速器的Nxi值約為電機功率的0.5%，Nxi值占電機功率的比例與電機功率負相關。

3 永磁調速與變頻調速比較

永磁調速與變頻調速的比較情況，如表1所示。

4 適用永磁調速的條件

4.1 工況方面的條件

風機、泵的運行工況點偏離高效區，可通過調速使運行工況點處于高效區。壓力、流量變化幅度較大，運行時間較長的系統；中、低流量變化類型的風機、泵負載及全流量間歇類型的風機、泵，在滿足壓力時，宜符合下列要求：流量變化幅度≥30%、變化工況時間率≥40%、年運行時間≥3000h；流量變化幅度≥20%、變化工況時間率≥30%、年運行時間≥4000h；流量變化幅度≥10%、變化工況時間率≥30%、年運行時間≥5000h［4］。

4.2 設備方面的條件

電機轉速為750～3000r/min；額定功率為5.5～4500kW，可采用永磁調速器。額定功率小于或等于400kW時，一般采用空冷型永磁調速器。大于400kW時，可采用液冷型永磁調速器。

表1永磁調速與變頻調速比較表

5 工程應用實例

5.1 泵的應用實案

某型泵的額定功率為250kW，流量為180 m3/h，轉速為2970r/min。在2010年，該泵采用了永磁調速技術后，節電率達34.11%，每年節約電費71萬元，降低設備維護費用10萬元，節約蒸汽消耗費用42萬元［6］。某水力除灰系統的1號灰漿泵，額定功率為220kW，流量為290m3/h，轉速為1480 r/min。將電機與泵之間的剛性聯軸器改換為永磁調速器后，實現了灰漿的進出自動平衡，不再需要人為干預，平均節電率達30.86%，泵的振動幅度，僅為改造前的15%～40%，在距防護罩表面0.5m處，改造前后磁場強度最高值分別為320mG和380 mG，在距防護罩表面1m處，改造前后磁場強度最高值分別為12mG和7mG［7］。某型立式凝結水泵的額定功率為2000kW，流量為1627m3/h，轉速為1493r/min。采用永磁調速器后，平均節電率為33.8%，且凝結水管道振動得到徹底消除［8］。又如某熱網的母管制循環水系統，所用的循環泵流量為2236m3/h，揚程為130m，配套電機功率為1000 kW，電壓為6kV，轉速為1485r/min，實際供水流量約8200m3/h。原系統中，1臺泵變頻調速運行，3臺泵工頻定速運行，將其中1臺工頻定速運行的泵改為永磁調速運行。改造后，4臺水泵電機運行總功率，由3828kW降為3372kW，節電率為11.9%［9］。

5.2 風機的應用實例

某石化公司的鼓風機額定流量為201400 m3/h，功率為280kW，全壓為3.932VkPa，轉速為989r/min。采用永磁調速技術對鼓風機改造后，節電率達39.9%，只需1年半就可收回全部投資，且風機振動的振幅值由3.2mm降至0.3mm，每月停修時間由48小時降為0小時［10］。某型75t/h燃氣燃油鍋爐鼓風機的額定流量為54000m3/h，功率為220kW，全壓為8.3kPa，轉速為1450r/min。在風機與電機之間增設永磁調速器后，實現了系統風量的自動平衡，平均節電率達36.78%，風機軸、電機軸的振動幅度，分別降低了78.9%、60%，系統周圍環境磁場強度略有降低，但變化不大，噪音由102 dB降至91dB［11］。某石化工廠的冷卻塔設計能力為5000m3/h，配套風機的流量為2950000m3/h，軸功率為170kW，全壓為144.711Pa，轉速為1483 r/min。采用永磁調速技術后，風機運行1年的節電率約為15%［12］。某加熱爐助燃風機的額定風量為75000m3/h，額定風壓為12kPa，配套電機功率為400kW。采用永磁調速裝置后，助燃風機的節能率達25%，投資回收期只有1年零5個月［13］。某循環流化床鍋爐引風機的額定流量為158073m3/h，功率為355kW，轉速為980r/min，利用永磁調速技術改造后，每噸蒸汽的引風機耗電率下降34.2%，軸承的振幅下降77%，噪音下降6.38%［14］。某電廠5號機組鍋爐引風機的額定功率為220kW，流量為101903m3/h，風壓4508Pa，轉速1480r/min，配套電機的額定功率為220kW。引風機和電機之間改裝了永磁調速器后，在鍋爐最大負荷工況下，引風機的振幅從0.053mm隆至0.009mm，轉速從1480 r/min降至1058r/min，電機電流從25A降至14 A，降幅達44%，噪音由115dB降為75dB，每年還可節約維修費用9萬元［15］。

6 結 語

永磁調速器利用其主、從動永磁場所產生的耦合力，可實現轉矩的無接觸傳遞。通過調整永磁轉子與導體轉子之間的氣隙，實現負載在線無級平滑調速。永磁調速器的安裝和維護簡單，能適應各種惡劣的工況運行條件，不會引起電力諧波、電磁輻射、滾動軸承“電弧焊”效應、電機散熱性能下降等伴生危害的發生。無易損件，可靠性很高，節能效果好。

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簡訊

俄羅斯批準SVBR—100小型快堆技術的詳細設計

據報道，俄羅斯國家原子能集團公司（Rosatom）科學技術委員會（STC）近日批準下述兩項專家評審結果：SVBR-100小型快堆技術的詳細設計以及擬采用SVBR-100技術建設的試驗性發電機組（PPPU）設計。

PPPU將由俄原與私營公司Irkutsenergo的合資公司AKME工程公司（AKME-engineering）建造。擬采用的SVBR-100設計是一種100MW的鉛-鉍冷卻小型模塊快堆。首座原型堆預計于2019年投入運行。

摘自上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠技術部《信息簡訊》第205期

ApplicationofPermanentMagnetGovernorsonEnergy-saving forPumpsandFans

HEYun-chu1，PANShu-lin2，WANGMan2
（1.ZhongheEnergyConservationandEnvironmentalProtectionCo.，Ltd.，Changsha410205，Hunan，China；2.CollegeofChemistryandChemicalEngineering，GuangxiUniversity，Nanning530004，Guangxi，China）

Theworkingprinciplesofpermanentmagneticgovernorshasbeendescribedandtheadvantagesof permanentmagneticspeedregulationcomparedwithfrequencyconversionspeedregulationareanalyzed.Theenergysavingeffectofpermanentmagneticgoverningsystemhasbeenanalyzedthroughitsapplicationexampleinpumpsand fans.Engineeringapplicationsindicatethatthepermanentmagneticgovernorshavehighreliability，remarkable energy-savingeffectandlowcostandhavenoassociatedhazards.

permanentmagneticgovernor；energy-saving；principle；effect；calculation；application；pump；fan

TK263.7+2

A

1672-0210(2015)04-0047-04

2015-08-11

：2015-09-22

賀運初（1966-），男，畢業于湘潭大學化工機械專業，碩士，高級工程師，主要從事工業設備節能技術的研發與推廣。