磁力耦合器及永磁調速設備安裝及應用

王乃充，金廣林，楊勝利

（中國石油吉林石化公司乙二醇廠水汽車間，吉林吉林 132022）

0 引言

永磁磁力耦合驅動以外的傳動方式的其優點為簡單、方便、安全、結構緊湊、傳動平穩，效率高。但在所需風量因季節不同而變化時，引用磁力耦合器及永磁調速裝置顯得非常有必要，并能有效解決風量不能調節問題及長軸因同心度偏差引起軸損壞隱患故障問題發生。永磁磁力耦合驅動系統較變頻器系統而言，不僅達到了調速的目的，同時也較變頻系統、液力耦合器動改投資少及實現對環保要求達標。現老裝置設備無調速功能，針對高質量發展需要，增設調速功能，升級至永磁磁力耦合驅動系統。

1 磁力耦合器調速

（1）優勢。通過增設永磁裝置，達到動力電機和運行設備間無機械連接，從而實現動力輸出運行設備做功輸送物料的裝置。

（2）補充現役不足。從永磁理論上看，通過調整裝置間的間距，即氣隙就能實現設備運行轉數的變化，實現無法變化設備轉數不能調節循環水溫度的不足。

（3）氣隙調速。適應各種惡劣環境，不產生污染物，體積小，安裝方便，通過調節氣隙改變轉速，轉速調節可以在（600～1487）r/min 調節。節電效果顯著，同時配置緩沖的軟啟動，也可以減少電機的沖擊電流，延長設備使用壽命。

2 特點

現役裝置設備是由電機與連軸器相連，裝置風機連軸器長約2 m，再因為室外設備、東北地芡四季交替溫度變化大，很容易出現電機和設備連軸器間的徑向偏差，偏差造成接振動，嚴重時會損壞連接螺栓，發生不及時的話還會造成連軸器脫開隱患發生。引用此設備能消除上述隱患。即使電機本身引起的振動也不會引起負載端振動，使整個系統的振動問題得到有效降低。

3 與變頻器比較

（1）變頻器概念。通過改變電機電源頻率實現調速手段。通過安裝變頻電機和控制變頻器，形成變頻控制整個系統，以100%額定負載在10%～100%額定速度范圍內連續運行來實現調速。

（2）對相鄰系統影響。變頻裝置會產生一些以50/60Hz 為倍數諧波，這些諧波將會使電壓波形失真，電壓波形失真導致周圍敏感電子設備不工作，同時諧波電流會使系統總功率因數降低15%以上，因而影響節電效果，在裝有變頻裝置的系統需滿功率運行時不但不節電反而費電。而裝有調速型永磁渦流傳動裝置的系統沒有上述問題等因素影響。

（3）節電。同樣工況下相比，調速型永磁渦流傳動裝置比變頻裝置節電多5%左右。

（4）可調范圍寬。在負載要求中，低速運轉（額定轉速的30%以下）的工況下，變頻裝置無法工作，即使工作也無調速精度可言，而調速型永磁渦流傳動裝置沒有這些限制，它可安全的使電機在低速環境中正常運行并對其進行無級調速。

（5）原件故障率低。因變頻裝置為電氣原件，眾所周知，電氣元件更新換代很快，隨著時間的推移，可能一些易壞的零件如電路板等很難或根本找不到配件，同時變頻裝置對工作環境要求比較嚴格。而調速永磁渦流傳動裝置的工作環境適應能力很強和幾乎免維護性能，是變頻裝置做不到的。

（6）電機損傷小。目前的變頻裝置系統，大部分的使用方為降低設備購置成本，不配置變頻電機，而是繼續使用原有的三相異步電機。在實際工作中，變頻裝置降低電機的轉速，使三相異步電機脫離額定轉速運行，而此種電機的轉速與扭矩、功耗之間是非線性關系，所以使電機的運行效率大大降低。另外，變頻裝置是通過以每秒10 000 到20 000 個從0 V 瞬時升到最高電壓的電壓脈沖驅動電機的。這種頻繁的電壓突變導致電機繞組絕緣老化，最終導致繞組故障。調速型永磁渦流傳動裝置不存在這些問題。

（7）安裝距離不受限。在50 Hz 或60 Hz 的電力分布系統上，電機繞組和電纜的阻抗低。變頻裝置輸出的電壓脈沖含有能達到兆赫的高頻諧波。這樣的高頻諧波在繞組與電纜間反射改變了阻抗。反射的諧波與進來的諧波相加會產生諧波共振，諧波共振導致電壓峰值倍增。一般安裝長度在50 m 以內的電纜比較安全，安裝長度在50 m 以外的電纜會有電壓倍增的問題。因此，變頻裝置的安裝地點是有要求的，而調速型永磁渦流傳動裝置本身不用電，老機組改造只需電機后移即可。

（8）無污染。變頻裝置是產生諧波污染的污染源，調速型永磁渦流傳動裝置綠色環保，無任何污染，符合國家的產業政策。

4 磁力耦合器與液力偶合器比較

（1）綠色環保。液力偶合器用油、易泄漏、污染環境；永磁渦流傳動裝置不用油、無泄漏，是綠色環保產品。

（2）機械損失小。液力偶合器自身損失大：滑差損失，傳遞力矩時工作油的摩擦及沖擊損失，油泵耗功損失，自身機械損失；而永磁渦流傳動裝置只有滑差損失和自身機械損失；故，永磁渦流傳動裝置相對液力偶合器而言節能效果多10%左右。

5 技術方案

5.1 理論基礎

永磁調速器裝置是安裝在電機和工作機之間的一種傳動元件，它是由銅轉子、永磁轉子和控制器三個部分組成。并可在電機輸出轉速不變的條件下，通過控制器調整銅轉子與永磁轉子之間的間隙，實現對工作機轉速進行無級調節。并使電機的功率通過軟（磁）連接，平穩而無沖擊地傳遞給工作機。銅轉子和永磁轉子之間氣隙越大，調速型磁力偶合器的輸出扭矩越小，輸出轉速越低（調速型磁力偶合器的滑差越大）；銅轉子和永磁轉子之間氣隙越小，調速型磁力偶合器的輸出扭矩越大，輸出轉速越高（調速型磁力偶合器的滑差越小）。而控制機構可通過控制信號調節氣隙的大小。

5.2 特性曲線

根據離心式工作機的特性，永磁渦流調速器裝置在電機轉速不變的情況下對工作機的轉速進行無級調速，調速范圍可在40%至工作機額定轉速的97.5%，也就是調速型永磁渦流調速器裝置可以根據工作機的實際工作參數的變化要求，通過改變工作機的轉速來達到目的，系統中只要工作機在其額定轉速以下進行工作，電機都是在節能狀況下工作。

5.3 控制手段

永磁調速裝置的控制方式可實現現場手動、遠程手動、DCS自動。也可根據用戶要求，在水泵調速應用中，參與閥門聯動，配合現場控制系統，滿足現場連鎖要求。

6 安裝

根據設計及藍圖，準備材料及備件，準備施工方案，現場組織施工，崗位派出監護人員，按照施工所需管理票證書進行現場施工監護。安裝電機、永磁調速裝置等設備。

7 調試

對更換后的設備進行調試，根據需要，通過永磁調速裝置調節動力裝置轉速，從而實現控制流量（風量）或溫度等，以達到目標效果。

8 維修

（1）永磁調整維修。安裝永磁調速裝置后系統，如需對永磁調速裝置進行維修，可在電機與水泵不移動的情況下，對永磁調速裝置進行拆裝。

（2）原設備維修。安裝永磁調速裝置后的水泵系統，電機軸、水泵軸的靜、動載荷與未安裝永磁調速裝置前維修方式相同。

9 效益計算

（1）轉速的理論值計算。根據原壓力和目標壓力的需要，對2 個轉速下壓力進行試算，公式：H2=H1（n2/n1）2，即已知壓力H2，H 及轉速n1，可得出目標轉速值n2。

（2）低轉速下電機輸出功率值。因永磁調速裝置輸入與輸出的轉速比就是其功率，水泵效率cosΦ 按85%計算，則此時電機的輸出功率：P直流=UI，P單向交流=UIcosΦ，P三相交流=1.732UIcosΦ。

（3）節能率。在相同的工藝要求前提下，系統加裝永磁調速裝置后每臺電機的工作電流與原工作電流差所占的比值。

（4）實例。濟南煉化項目400 kW，990 r/min（圖1）。該泵按每年工作7200 h，電流按變化57 A（按以上方法計算電流：略）計算，電壓380 V，電費按0.41 元/（kW·h），則年節約電費94 132 元。

圖1 現場照片

（5）成本收回。根據理論計算，使用永磁調速器后每年可節約電費9.413 2 萬元，整套永磁調速器采購價格為18.5 萬元，預計試用后2 年可收回試用設備成本。