永磁调速技术节能研究

李冬冬，刘建频，匡 俊，马玉顺，吴义敏，陈永跃

（1.中船重工第702研究所上海分部,上海200011；2.上海市东方海事工程技术有限公司,上海200011）

目前，风机与泵类负载主要的调速方式有液力耦合调速、变频调速和永磁调速，液力耦合调速的发展已经有上百年的时间，技术已经比较成熟。变频调速从20世纪70年代出现，有近半个世纪的发展，其功能越来越全面，调速精度也越来越高。虽然液力耦合与变频调速都有很多的优点，但是，其固有的缺点也是显而易见的，液力耦合器调速精度差、响应慢、维护费用高，变频器电子元器件众多、可靠性差、电力谐波等问题都很难解决［1-2］。20世纪90年代末期，美国Ma g n a D r i v e公司在永磁调速方面取得突破性的进展，开发出了永磁调速器［3］。永磁调速具有节能、调速比大、可靠性高、稳定性好、无物理连接传递扭矩、环境适应性强、寿命长等优点，解决了液力耦合器和变频器存在的一些固有缺陷，被不断地推广到各行各业。永磁调速在我国还处于起步阶段，应用也比较少，因此本文将研究其原理和调速性能，并分析其节能原理，充分发挥优越性能。

1 永磁调速原理

永磁调速器(P MD)基本构成如图1所示，主要由4部分组成：导体转子、永磁转子、气隙调节机构、法兰和胀紧套。导体转子是在钢盘上镶嵌导电性能较好的铜盘或者铝盘，通常有2个导体盘构成1个鼠笼形的导体转子，导体转子与电机轴通过法兰和胀紧套连接；永磁转子是在铝盘中放置永磁体，通常也有2个铝盘构成1个永磁转子，它与负载轴同样通过法兰和胀紧套连接；气隙调节机构可调整永磁转子与导体转子之间的气隙，其调节方式可以采用手动或自动控制。

导体转子和永磁转子可以自由独立旋转，当导体转子旋转时，在永磁转子中永磁体磁场的作用下，导体转子中的铜盘或铝盘将产生涡电流，由于涡电流的生产，将产生感应磁场，感应磁场与永磁体磁场相互作用，从而带动永磁转子旋转，实现电机与负载之间的转矩传输。

调节永磁体和铜导体之间的气隙，气隙磁场的磁阻将改变，使得传递的扭矩和速度改变，从而获得可调整的、可控制的、可重复的负载转速，实现负载速度的调节［3-5］。

图1 永磁调速器组成原理图

2 永磁调速特点

由永磁联轴器的结构原理可知，其具有以下特点：

第一，永磁调速可在0%~97%的范围内对负载进行无级调速，可满足过程控制要求。

第二，可实现空载启动，减小启动电流冲击大小与时间。P MD在启动时，将气隙调节到最大，即可实现空载启动。

第三，振动冲击小。电机和负载之间没有机械硬连接，完全通过气隙传递扭矩，避免了振动的传递，提高了系统运行的平稳性。

第四，可靠性高。P MD结构简单，故障率低，维护保养成本低。第五，使用寿命长。P MD的使用寿命可达25年。

第六，可节约能耗。通过调节负载转速，提高效率，减少管路损失，降低电机负荷，达到节能的目的。

第七，适应各种严苛环境。适应易燃、易爆，潮湿，粉尘含量高，高温、低温等场所。

第八，无谐波干扰。P MD为纯机械联结，不会导致变频器工作时产生的谐波干扰。

3 节能分析

在实际工程设计与应用中，为满足负荷最大时风机或水泵系统输出要求，通常按系统的最大输出能力配置系统，而实际使用过程中，绝大多数情况下系统并非满负荷运转，而是根据需要，通过控制阀门或风门挡板等实现流量/压力控制，以满足生产需要。图2为风机/泵类负载调速节能原理图，曲线n1为风机/泵在转速为n1时的运行曲线，其与管网特性曲线的交点A为额定工况点，若流量从 减小到 时，采用阀门和调速调节的过程为：

第一，采用阀门调节时，管网特性曲线由 变为 ，风机/泵工作点由A调至B点，此时风机耗功为 ，与风机/泵在A点时的耗功 相比，其功耗变化很小，而此时风机/泵的效率从 降至 ，效率降低较大。

第二，采用调速调节时，可根据系统需要调整电机转速，改变设备的性能曲线，若将电机转速从n1调整为n2，风机/泵工作点将从A调至C点，此时风机/泵耗功为 ，从图中可以看出，表明调速调节比阀门调节节能效果显著，而且其效率C明显比B大。

图2 风机/泵类负载调速节能原理图

风机和泵的系统效率可表示为：

式中： 为电机效率， 为调节流量或转速或压力控制设备的效率， 为风机或水泵效率， 为管道效率。

在其他效率一定的情况下，调节流量或转速控制设备的效率决定了系统效率。采用阀门或风门挡板调节输出流量或压力时，电机和负载转速不变，从相似定律可以看出，输入功率不变。当阀门或风门挡板开度小于100%或调节器非直通型，流体经过阀门或风门挡板将造成很大的能量损失，同时在阀门或风门挡板两端产生很大的压差，特别是在风机或水泵的输出端的压力增高，使得风机或水泵的运转点偏离最佳效率点时，因此，阀门开度减小时，电机输入功率不会显著减小，很多能量由此浪费掉。

风机和水泵类负载符合相似定律，在不同转速下的流量 、压力(扬程) 、功率 和转速 之间的关系为［6-7］：

图3为按照离心负载相似定律计算得到的理论节能值，从图3可以看出，若转速降低全速时的20%，输出流量降低20%满负荷流量，输出压力降低满负荷的36%，而能源需求降低了49%，如果不考虑调速装置的能耗，节能效果可达49%。当然，任何一种调速装置都是需要耗能的，但这种能耗远远低于输入能耗的降低，因此可以实现很好的节能效果。

图3 理论节能效果

耗电量可表示为：

式中： 为电网输入功率， 为运行时间。

电网输入功率 可表示为：

式中： 为负载功率， 为调速装置效率， 为电机效率， 为管道效率。

若1000k W风机风量从100%分别降低到90%和80%，年运行8000 h，单价电费0.4元/k w·h，电机效率m为0.85，管道效率p为0.95，分别采用液力耦合调速、变频调速和永磁调速，则采用3种调节方式后其节能效率如表2所示。

表2 1000kW风机采用不同调速方式节能比较

从表2可以看出，在风机风量为90%时，液力耦合调速的效率最低，永磁调速效率最高，永磁调速节省的电费要比液力耦合调速每年多25万元，比变频调速节省的电费每年多4万元，其节能效益相当可观。在风机风量为80%，变频调速和液力耦合调速的效率相当，两者每年节省的电费都比液力耦合调速多47万元。

4 结语

永磁调速技术具有高效节能、可靠性高、柔性连接传递扭矩，可在严苛环境下使用，极大减少系统振动、减少系统维护和延长系统使用寿命，比液力耦合调速与变频调速具有更大的优势，可大幅节省系统能耗，具有良好的应用前景。

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［2］张忠银，林宏杰.液力耦合器与变频器比较［J］.电气传动，2009，39（12）: 74-76.

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