基于永磁调速技术的风机系统节能改造

栾荣华+崔守娟

摘 要：永磁调速是非机械硬连接无级调速技术，具有结构简单、运行可靠、环境适应性好等特点，在石油化工领域有着广泛的应用。本文简要介绍了永磁调速器（PMD ）的工作原理，比较了其与变频器的优势，本方案所涉及的75KW永磁耦合调速器是专为A化工集团1#风机进行调速控制，实现节能减排的设备，它具有平滑无级调速、高功率因素、高调速精度以及滑差功率逆变回收等特点。

关键词：永磁调速 风机 改造 节能

中图分类号：TK223 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）08（b）-0000-00

0 引言

永磁调速器（PMD）具有高效节能，高可靠性，无刚性连接传递转矩，可在恶劣环境下应用，极大减少整体系统振动，减少系统维护和延长系统使用寿命等特点。尤其是其不产生高次谐波且低速下不造成电动机发热的优良调速特性，更使其成为风机及泵类设备节能技术改 造 的 优 选 之 一。

1 PMD的工作原理

从电机转速改变的三个因素：频率、极对数和滑差来看，改变任何一个要素将导致电机转速改变。

现有的调速装置，除永磁调速和液力调速技术外，基本上都是通过改变电机本身的转速实现调速的。我们知道，电机在运转过程中，因电能消耗，电机线圈、硅钢片、机械摩擦都会造成电机发热，因此，电机内部都设计了风叶用以冷却电机。采用改变电机转速的技术，包括变频器、串级调速、双馈调速，在电机低速旋转时，电机的发热都很大，有时不得不使用外部风扇帮助散热[1]。

变频器调速，因为变频器产生的正弦波实际是由方波叠加而成，高次谐波很多，电流的趋肤效应导致电机线圈发热，影响绝缘强度，应该更换绝缘等级更高的电机，如果不更换，电机的可靠性将大大下降，甚至造成绝缘击穿损坏，采用永磁调速技术，不会改变电机的输入电压、电流和频率，因此不会要求改造原电机系统[2]。

PMD 是透过气隙传递转矩的传动设备，电动机与负载设备转轴之间无需机械连接，电动机旋转时带动导磁盘在装有强力稀土磁铁的磁盘所产生的强磁场中切割磁力线，在导磁盘中产生涡电流，该涡电流在导磁盘上产生反向磁场，拉动导磁盘与磁盘的相对运动，从而实现了电动机与负载之间的转矩传输。执行器调节两个转体之间空气间隙的大小，通过负载转矩的调节实现负载输出速度的控制，电动机输出到 PMD 的转矩和 PMD 输出到负载转矩相等。根据负载实际运行过程中转矩的大小调整电动机输出端 （ PMD 输入端的转矩） 。PMD 输入速度 （ 电动机端） 和输出速度 （ 负载端） 不一样，原因是由于PMD两个转体之间的空气间隙的存在使得输出速度要比输入速度小，即产生滑差，滑差大小决定传递转矩的大小，从而实现了电机与负载之间的转矩传输。

2 永磁调速器改造方案

由于电机转矩与转速的二次方成正比，功率与转速的三次方成正比，因此通过对输出负载转速的调节可以大幅降低负载功率。75KW永磁耦合调速器就是利用对输出负载转速的调节降低负载输出功率，同时通过逆变、滤波和变压器调压的手段重新将收集到的滑差功率输入到一个22KW的负载水泵上，实现节能。

（1）系统组成

A化工集团1#风机由电机控制室安装的变频器直接控制，由于变频器频繁故障，目前处于硬启动且全速工作状态，急需进行节能改造。

75KW永磁耦合调速器由三个部分组成：永磁耦合器、调速控制器以及逆变变压器，应用其对A化工集团1#风机进行节能改造安装示意图如图2。在原有电机控制基础上，电机与负载之间安装永磁耦合器，实现传动输出；在调速控制室安装调速控制器，控制永磁耦合器转速输出；调速控制室与电机控制室通过控制电缆连接，实现起动和停止信号的传输。

（2）电气改造

图1 75KW永磁耦合调速器电气改造框图

如图1所示，W3、W6电缆A集团目前已经存在，不用更改。

W1电缆为连接调速控制器与永磁耦合器的电缆，两头分别固定在控制器（调速控制室）和耦合器（冷却塔）上，线长约100米。W2电缆为调速控制器供电电缆，需要连接380V交流电到设备上，线长约10米。W4电缆为调速控制器逆变电缆，需要连接逆变变压器上，线长约5米。W5电缆为滑差功率逆变驱动负载水泵的连接电缆，线长约20米。W7为控制电缆，连接电机高压控制柜（电机控制室）和调速控制器（调速控制室），主要获取驱动电机高压柜里边的电机起动信号，只有当调速控制器检测到驱动电机已经起动完毕后，才能进行后续的起动和调速流程。同时，当调速控制器检测到驱动电机已经停止或者调速控制器控制面板上输入了停止指令后，调速控制器自动进入软停止流程，控制电机和系统停止工作，线长约200米。

3 系统工作过程

记冷却水泵功率为P1=75KW，负载水泵为P2=22KW，控制柜全速输出功率为P3，电机控制室电能表输出Q1，调速控制室电能表输出Q2，则

（1）负载功率=P1+P2；（2）输入功率=Q1+Q2；（3）节约功率=负载功率-输入功率；（4）逆变功率=22KW-（Q2-P3）。

系统工作过程如下：（1）给驱动电机加电，实现电机的空载启动；（2）调速控制器“起动”按钮可实现系统的软启动控制，并控制系统进入全速工作状态；（3）调速控制器进入调速模式，控制系统调速，实现输出功率的调节；（4）调速控制器逆变模块工作，将收集到的滑差功率逆变为与输入电源匹配的交流电；（5）逆变变压器将逆变后的滑差功率变压为380V电流电，并供应一个22KW的负载水泵工作，实现电能的回收；（6）调速控制器“停止”按钮可实现驱动电机和永磁耦合器和停止控制。

4 结束语

永磁调速技术在 A化工集团1#风机中的改造应用，效果是显著的，其改造后的系统具有以下优点：（1）节电降耗：根据电机运行的实际工况，通过现场控制实现转速调节，以满足工艺的各种工况需求。改变传统的调节模式，节约电能；

（2） 解决了电机振动等造成的相关问题，大大降低了系统的故障率，延长了电机和负载的寿命。主要是可以显著地延长轴承和密封件的寿命，大大减少了系统的备品备件消耗和降低维护费用；（3）具有软启动/软停机功能：可有效降低电机的启动电流，负载可有选择启动/停止，大大提高系统启、停性能。

永磁调速器具有较好的节能减排效果，可产生巨大的社会效益。在炼化企业具有较好的应用前景和推广价值。

参考文献

[1] 吴顺根.永磁调速装置的节能性能试验[J].上海电力学院学报，2009，25（3）：261-263

[2] 赵国祥，马文静等.永磁调速驱动器在闭式冷却水泵上的节能改造[J].节能，2010，（4）：41-43