永磁調速技術在熱網循環泵的成功應用

于小會

（大唐戶縣第二熱電廠，陜西西安710302）

0 引言

因設備運行工藝或節能目的需調速的設備很多，變頻技術廣泛應用于風機或泵類設備，但變頻器對運行環境要求高，且電子元器件壽命短等，因而長期運行可靠性將大大降低，現場維護工作量大，維護費用高，不適用于環境惡劣的工業場所，需要一種全新的技術替代變頻器實現調速或節能。

1 技術改造背景

戶縣第二熱電廠供熱首站工程建設兩臺熱網循環泵，功率為280 kW的6 kV高壓電動機一用一備，因工藝要求，需對熱網循環泵進行轉速調節，并實現節能目的。

原設計為高壓變頻器調速，考慮到變頻器系統復雜，電子元器件多，相對故障率高，后期維護量大，占地面積大，設計壽命10年左右，實際壽命與后期維護及工作環境溫度有很大關系。供熱首站環境溫度較高，需安裝空調降溫，增加了后期維護工作量和二次能耗。

近年來，一種新型調速技術——永磁調速技術逐漸成熟，本技術的最大優點在于適應相對惡劣的工作環境，且屬于免維護產品，占地少，故障維修方便，但目前在電力行業應用較少。

2 永磁調研情況簡介

2.1 永磁調速簡介

如圖1所示，永磁調速器安裝在電機和負載之間，傳遞扭矩，通過永磁調速器的調節機構實現導體轉子與永磁轉子之間磁場耦合面積的改變，從而實現負載轉速變化。耦合面積大，通過永磁調速器傳遞的扭矩就大，負載轉速高；耦合面積小，通過永磁調速器傳遞的扭矩就小，負載轉速低。

圖1 永磁調速系統拓撲圖

磁力耦合器也稱磁力聯軸器、永磁傳動裝置。永磁渦流傳動裝置主要由銅轉子、永磁轉子和控制器三部分組成。一般銅轉子與電機軸連接，永磁轉子與工作負載的軸連接，銅轉子和永磁轉子之間有空氣間隙（稱為氣隙），沒有傳遞扭矩的機械連接。這樣，電機和工作負載之間就形成了軟（磁）連接，通過調節氣隙來實現工作機軸扭矩、轉速的變化。因氣隙調節方式的不同，永磁渦流傳動裝置分為標準型、延遲型、限矩型、調速型等不同類型。該技術實現了電動機和負載之間無接觸式連接，十分有效地解決了旋轉負載系統的對中、軟啟動、調速節能、減振等問題。

永磁調速器是通過導體和永磁體之間的氣隙實現電動機到負載的轉矩傳輸的裝置，可實現電動機和負載間無機械連接式的傳動，其工作原理是：當兩者之間相對運動時，導體組件切割磁力線，在導體中產生渦電流，渦電流進而產生反感磁場，與永磁體產生的磁場交互作用，從而實現兩者之間的扭矩傳遞。調速機構在運行過程中可調節永磁組件和導體組件的相對位置，改變兩者之間耦合的有效部分，從而改變兩者之間傳遞的扭矩。

電動執行器提供動力使得耦合面積隨著電動執行機構的指令變化而變化，電動執行機構接受控制中心的指令進行動作，并將結果反饋給控制中心。

控制信號為工藝需要的控制對象，對于水泵系統而言是管網壓力、流量，通過變送器轉化為4～20 mA的電流信號。

2.2 永磁與變頻技術對比

永磁與變頻技術對比在設備可靠性、運行維護等方面的性能比較如表1所示。

2.3 可靠性

對于新技術的現場應用，首先考慮的是設備可靠性。從設備原理可知，變頻器由上萬個元器件組成，故障率必然高于永磁調速器，永磁調速已有多臺設備運行經驗，運行情況良好，用戶評價較高，能保證現場使用要求。雖其調速精度略差，但完全可以滿足水泵循環泵這樣的設備需要。

2.4 經濟性

永磁調速原理決定其無法提高電動機功率因數，所以永磁調速器的節能效率略低于變頻器，但仍具有優良的節能效果，因永磁設備壽命約三倍于變頻器，且熱網循環泵年運行時間僅4個月，故節能效果差異可忽略不計，加之無二次耗能、后期維護及升級換代，投資費用僅為中高檔變頻器的一半，總體經濟性優于變頻器。

2.5 適用性

因機械結構原因，永磁調速器不適用于調速精度過高的系統設備，對于小功率設備經濟型較差，對于大型電動機因目前技術原因仍不能滿足要求。對于1 000 kW以上的永磁調速器需要進行水冷卻方能滿足散熱要求，對于1 000 kW以下的采取自然風冷即可，結構簡單，維護方便，特別適用于安裝變頻器無合適空間的改造工程項目，只需在原有設備基礎上略做改動即可，甚至不需要改動基礎即可完成安裝。

表1 永磁與變頻技術對比

3 方案確定

經多方了解咨詢，遂修改原設計方案，將原兩臺變頻調速方案改為一臺變頻調速、一臺永磁調速方案，最終大膽修改設計為兩臺永磁調速方案，取消變頻器，將原定的變頻高壓電動機改為普通工頻電動機，因此電動機冷卻風扇系統也得到了簡化，電纜長度也因此縮短，原設計的高壓變頻器室改做他用。

在了解到永磁設備的故障可能性及修復過程后，為確保不因永磁調速器故障導致城市供熱受到影響，遂要求永磁調速器廠家提供一套聯軸器，作為永磁調速器故障后的緊急備用，可使用聯軸器將電動機和泵連接起來，由磁耦合改為機械連接，滿足緊急備用需求。

4 現場安裝試運

設備到貨后，在廠家的指導下完成安裝，檢查各轉動部位間隙正常，調速執行器接線正確，溫度等信號反饋至DCS信號檢查正確，電動機各種電氣試驗及泵體檢查正常，系統充水完畢，具備試運條件。

4.1 調速執行器試運

電動機運行前空載調試調速執行器，參數設定完畢，DCS給定調速信號，執行器動作，同時反饋信號至DCS，執行器方向正確，在DCS系統根據需要將泵出口壓力作為控制量，經壓力變送器輸出4～20 mA信號至DCS，用于反饋控制調速執行器的輸入信號，最終調節永磁耦合面積，達到調速目的。

4.2 檢查電動機轉向

將調速執行器調節至零轉速，實際因仍有一定耦合效應而會引起泵慢速跟轉，需使用方木、鐵絲對泵側永磁轉子組件進行制動，制動時應注意確保雙向制動，以免制動方向錯誤而導致機械傷人。確認制動牢固后，就地無關人員撤離，運行人員做好按事故按鈕準備，專人注意檢查電動機轉向。確認轉向正確后恢復系統。

4.3 設備試運

在永磁轉子上貼上事先準備好的反光貼片，試驗測速儀正常，檢查DCS溫度測點為室溫，電動執行器顯示正常。

水系統具備帶負載試運條件后，設定永磁調速執行器轉速為0，檢查就地狀態正確無誤，DCS啟動循環泵運行，調節永磁調速執行器，加大耦合面積，泵轉速愈來愈高，就地檢查轉速及壓力正常，運行穩定后，DCS顯示永磁轉子溫度約100℃左右。測量電動機、泵體、永磁調速器各部件振動均在正常范圍。

因系統運行需要，最大帶載轉速短時調節至45%額定，后穩定運行至35%額定轉速保持運行，運行調速試驗僅到45%，故沒有全面記錄試運測試數據。

5 改造后運行效果

電動機啟動時間短（2 s），接近空載啟動，熱網循環泵運行流量及水壓在多次實驗性調節時跟蹤穩定，如圖2所示。

圖2 改造后運行曲線

經過一個采暖季的現場實際運行驗證，運行調節穩定可靠，使用效果良好，整個系統免維護，且設備可靠性提高。

6 結語

永磁調速器在熱網首站高壓電動機熱網循環泵上的應用在陜西尚屬首次，填補了高壓電動機永磁調速技術應用的空白，可作為對調速精度要求不是很高的高低壓電動機進行負載調速工程的應用借鑒，尤其適用于惡劣環境調速應用或后期改造工程。

[1]青島斯普瑞能源科技有限公司.永磁調速器使用說明書[Z].