對永磁調速技術用于離心式水泵的分析

王永標

（北方聯合電力包頭第一熱電廠，內蒙古 包頭 014030）

對永磁調速技術用于離心式水泵的分析

王永標

（北方聯合電力包頭第一熱電廠，內蒙古 包頭 014030）

永磁調速技術作為先進、可靠性高的新型調速節能技術，在近年來得到廣泛應用。本文將對永磁調速技術的原理與主要結構進行討論，在此技術上對比永磁調速器和變頻器，主要從投資費用、節能效率與運行費用3方面進行分析。最后分析永磁調速改造的應用與節能效果。

永磁調速；離心式水泵；節能

離心式水泵在各個工業領域應用廣泛，總體來看，水泵每年的耗電量幾乎達到了整個工業耗電的30%左右。我國目前采用的離心式水泵運行效率偏低，但又是生產活動中必不可少的一部分，因此有必要對其進行改造。近年來永磁調速技術越來越成熟，將永磁調速技術應用在離心式水泵中可以實現良好節能效果。

1.永磁調速技術原理與結構

企業以往在進行水泵選擇時多考慮最大設計流量與設計揚程兩個參數。然而在真實的生產活動中，水泵在大部分情況下出水量是小于最大設計流量的，從離心式水泵的運行特性曲線不難發現，當流量降低時，揚程將會提高，這就導致恒定轉速的水泵會出現揚程過剩的情況，進而導致部分能量白白損耗。為了解決這一問題，永磁調速技術應運而生。

永磁調速技術主要通過永磁調速驅動器實現，其由銅轉子、控制機構以及永磁轉子共同構成。將銅轉子固定于電動機軸上，永磁轉子固定在負載軸上，二者實現相對運動，根據電磁感應原理產生扭矩。可以簡單地通過調節永磁體與銅導體二者之間的氣隙實現轉矩大小的控制，進而準確控制負載轉速。永磁調速技術可以實現在不犧牲流量和揚程條件的情況下，使能耗最小化。對于水泵的負載特性而言，流量和轉速成正比，壓力和轉速平方成正比，軸功率和轉速3次方成正比。

由于永磁調速驅動器能夠通過負載轉速控制，完成離心式水泵壓力連續控制，離心式泵的揚程和轉速平方呈正比，功率和轉速3次方成正比，所以當電動機轉速保持一定值時，調節水泵轉速下降，輸出流量按比例降低，電動機功率快速減少，進而有節能效果。

2.永磁調速器與變頻器對比

永磁調速與變頻調速、液力耦合調速相比在使用壽命更長，維護時間短，容易查找故障。將永磁調速器和變頻器進行對比，分析采用永磁調速器的可行性，主要從投資費用、節能效率以及運行費用3方面進行討論。

2.1投資費用對比

變頻器使用成千上萬的電力電子元器件，進而實現對高壓電動機頻率與電壓的控制，進而改變電動機轉速，屬于典型的電氣調速方式，其初始投資主要由主體設備、輔助性設備（控制電路、照明系統、變壓器、濾波器）以及基礎設施建設（空調房間）3部分構成。永磁調速器的組成主要包括永磁調速器主體設備、輔助設備（冷卻系統、電纜等）。

變頻器的使用年限通常為10年，其冷卻系統中的散熱空調使用壽命為12年左右；永磁調速器使用壽命為20年左右，且相應地安裝基礎更換周期為20年。為方便二者對比，取20年作為一個周期，變頻器主體設備90（45×2）萬元，輔助設備10萬元，基礎建設費用2萬元，總投資金額為102萬元；永磁調速器主體設備60萬元，輔助設備2萬元，基礎建設費用2萬元，總投資金額64萬元。

可見相同使用年限情況下，永磁調速器投資費用更低。

2.2節能效率對比

變頻器是通過改變電動機輸出轉速實現節能，而永磁調速器輸出轉速是隨著負載需求時刻變化的，二者節能原理有所差異。變頻器內部存在整流損耗、風機損耗、逆變損耗以及控制回路損耗；永磁調速器存在轉差損耗與冷卻系統損耗。如果負載實際功率高于額定功率55%，則永磁調速器效率高；相反，則變頻器效率更高。在流量需求較大的情況下，永磁調速器效率高；當流量需求降低時，永磁調速器效率有所下降。總體來看，永磁調速器相比變頻器節電效率略好。

2.3運行費用對比

變頻器幾乎每年均會出現故障，當進行長期運行以后可靠性很差，散熱直流風扇等附件每隔2～5年均要求進行更換或者大修。當變頻器使用超過6年以后，故障頻發。根據不完全統計，一臺500kW/6kV變頻器年維護費用大概是3萬元，相應的空調與冷卻風扇等年運行費用為1萬元左右。

由于永磁調速器是典型機械裝置，運行更加穩定可靠，通過氣隙實現扭矩傳遞，將振動隔離，大大提高重要零部件使用壽命。與此同時，永磁調速器維護工作量小，僅需要為軸承添加潤滑油就可以保持正常工作。維護費用平均每年0.7萬。對于500kW永磁調速器而言，冷卻水循環使用，需要380V冷卻水循環泵為水循環提供動力，年運行費用大約為1萬元。可見，永磁調速器的運行費用遠遠低于變頻器。

2.4對系統中其他設備的影響

由于永磁調速器主要是機械式調速裝置，幾乎與電力無關，因此不會產生諧波，也就不會對系統中的其他設備造成影響。當電力質量很差時，如電力諧波、雷擊等，這些因素對電子或電氣調速裝置往往是致命的，但對永磁調速器卻不會造成任何影響。而在高壓變頻器的使用過程中，極容易造成設備誤動作，造成功率因素補償電容燒毀、熔斷器熔斷、空氣或斷路器開關跳閘。那是因為高壓變頻器的交-直-交回路中主要是由電子器件組成，從而在運行過程中會產生大量的高次諧波，電力諧波是電網的嚴重污染，大量的諧波電流電壓，可能會造成電器元件的發熱損耗。

總而言之，永磁調速優勢明顯，節能效率高，效率高于90%，通過磁耦合進行轉矩的傳遞，可實現空載啟動，輸入功率因數基本等同于電機，支持頻繁啟停，軸對中容忍誤差大，可以達到5mm。同時永磁調速系統減震性能好，無須防護措施（防雷、防塵、防燃等），容易查找故障，維護時間極短，相比變頻調速以及液力耦合調速性能更優。

3.永磁調速改造的應用

為討論永磁調速器在離心式水泵中的實際應用，本文以某熱電廠熱網循環水泵改造為例進行分析。該電廠熱力站內配置4臺加熱器，5臺熱網循環水泵，設計最大供水流量8000t/h。其熱網循環水泵主要特性如下：揚程為1.78MPa，流量1943t/h，轉速1480r/min，配用電機功率1400kW。

熱電廠熱網循環水泵要求最大振動雙振幅極限值應不超過0.076mm，而某電廠采用的熱網循環水泵振動幅值超過標準限制，而且運行中出口管路上電動閥門僅能打開40%左右，即熱網循環水泵提供的揚程很大一部分消耗在了水泵出口閥的節流損失上，造成能源極大的浪費，同時易發生泵軸承損壞事故。另外，出口閥門長期節流水流沖刷閥芯，會導致出口閥失去關斷功能，造成極大的安全隱患。因此需要進行改進。由于熱網系統循環水供水流量通常隨著環境溫度變化而改變，所以必須對泵的流量進行實時控制。由于運行工藝要求，操作人員需要不定時對閥門開度進行調節，進而控制水泵流量。。

為了更好地達到節能降耗的目標，對本電廠#4泵進行永磁調速改進。改造過程中根據設計圖紙進行基礎重建，改造以后總投資約為54萬元。按照圖紙設計尺寸，適當增大了電動機與泵之間的距離，進而為永磁調速裝置的驅動器騰出空間。完成了設備安裝以后，然后進行DCS組態與安裝調試，檢驗工業噪聲值。改造過程中，保持分散控制系統的模擬信號、開關量信號不改變。

改造以后，永磁調速器系統可以通過采集溫度、水泵轉速等信號，進行供水量以及供水壓力的控制。將永磁調速技術應用于離心式水泵之后，水泵出口壓力顯著降低，并且節流損失減少。永磁調速改造以后，銅盤和永磁盤之間的氣隙最大情況下，穩定輸出轉速是392r/min；氣隙最小情況下，穩定輸出轉速是1410r/min。當實現0～100%調節時，轉速變化時間大約為60s，轉速、功率以及壓力曲線正確，滿足比例定律。

3.1節能效果分析

實現永磁調速器改造之后，借助于電動執行機構對導體轉子與永磁轉子之間的嚙合面積百分比進行控制，從而調節水泵壓力與輸入電流。在運行電流明顯減小。電機改造后電流下降了50A左右，平均每小時節電400kWh以上，整個供熱期6個月，可節電172萬kWh，按上網電價0.31元/kWh計算，年效益53.32萬元。相比改造以前，永磁調速器改造消除節流損失，節電率達到了40%以上，并且在一個供熱期內回收投資成本。

3.2減振效果分析

實現永磁調速器改造后，原離心式水泵振動情況得到改善。改造以前，水泵與電動機之間通過聯軸器連接在一起，盡管在安裝過程中全程使用激光進行對中，保證一定的對中精度，然而振動問題是難以避免的，振動值大于0.2mm，導致密封元件與軸承容易受到損壞。完成了永磁調速器的改造以后，傳統扭矩傳遞方式發生變化，振動幅值直接降低80%左右，進而使得整個系統可靠性大大提升。

結語

永磁調速技術是當前較為先進的電動機調速技術，有很強的節能效果，由于結構簡單，可靠性高，得到越來越多的應用。雖然現階段依然存在轉速調節響應遲滯、高轉差效率低等問題，但是隨著永磁調速技術的進一步發展，它的優勢將更加明顯，在離心式水泵中應用前景廣闊。

［1］侯劍雄，楊群發，何淦標，等.大型凝結水泵采用永磁調速與高壓變頻技術改造效果比較［J］.中國電力，2015，48（8）：135-140.

［2］路韜，莫云輝.一種無接觸的傳動和調速技術——永磁調速［J］.機械制造，2012，50（12）：72-74.

［3］翟德雙.永磁調速器在凝結水泵上的節能改造運用［J］.中國電力，2012，45（7）：45-48.

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