永磁调速技术在热网循环泵的成功应用

于小会

（大唐户县第二热电厂，陕西西安710302）

0 引言

因设备运行工艺或节能目的需调速的设备很多，变频技术广泛应用于风机或泵类设备，但变频器对运行环境要求高，且电子元器件寿命短等，因而长期运行可靠性将大大降低，现场维护工作量大，维护费用高，不适用于环境恶劣的工业场所，需要一种全新的技术替代变频器实现调速或节能。

1 技术改造背景

户县第二热电厂供热首站工程建设两台热网循环泵，功率为280 kW的6 kV高压电动机一用一备，因工艺要求，需对热网循环泵进行转速调节，并实现节能目的。

原设计为高压变频器调速，考虑到变频器系统复杂，电子元器件多，相对故障率高，后期维护量大，占地面积大，设计寿命10年左右，实际寿命与后期维护及工作环境温度有很大关系。供热首站环境温度较高，需安装空调降温，增加了后期维护工作量和二次能耗。

近年来，一种新型调速技术——永磁调速技术逐渐成熟，本技术的最大优点在于适应相对恶劣的工作环境，且属于免维护产品，占地少，故障维修方便，但目前在电力行业应用较少。

2 永磁调研情况简介

2.1 永磁调速简介

如图1所示，永磁调速器安装在电机和负载之间，传递扭矩，通过永磁调速器的调节机构实现导体转子与永磁转子之间磁场耦合面积的改变，从而实现负载转速变化。耦合面积大，通过永磁调速器传递的扭矩就大，负载转速高；耦合面积小，通过永磁调速器传递的扭矩就小，负载转速低。

图1 永磁调速系统拓扑图

磁力耦合器也称磁力联轴器、永磁传动装置。永磁涡流传动装置主要由铜转子、永磁转子和控制器三部分组成。一般铜转子与电机轴连接，永磁转子与工作负载的轴连接，铜转子和永磁转子之间有空气间隙（称为气隙），没有传递扭矩的机械连接。这样，电机和工作负载之间就形成了软（磁）连接，通过调节气隙来实现工作机轴扭矩、转速的变化。因气隙调节方式的不同，永磁涡流传动装置分为标准型、延迟型、限矩型、调速型等不同类型。该技术实现了电动机和负载之间无接触式连接，十分有效地解决了旋转负载系统的对中、软启动、调速节能、减振等问题。

永磁调速器是通过导体和永磁体之间的气隙实现电动机到负载的转矩传输的装置，可实现电动机和负载间无机械连接式的传动，其工作原理是：当两者之间相对运动时，导体组件切割磁力线，在导体中产生涡电流，涡电流进而产生反感磁场，与永磁体产生的磁场交互作用，从而实现两者之间的扭矩传递。调速机构在运行过程中可调节永磁组件和导体组件的相对位置，改变两者之间耦合的有效部分，从而改变两者之间传递的扭矩。

电动执行器提供动力使得耦合面积随着电动执行机构的指令变化而变化，电动执行机构接受控制中心的指令进行动作，并将结果反馈给控制中心。

控制信号为工艺需要的控制对象，对于水泵系统而言是管网压力、流量，通过变送器转化为4～20 mA的电流信号。

2.2 永磁与变频技术对比

永磁与变频技术对比在设备可靠性、运行维护等方面的性能比较如表1所示。

2.3 可靠性

对于新技术的现场应用，首先考虑的是设备可靠性。从设备原理可知，变频器由上万个元器件组成，故障率必然高于永磁调速器，永磁调速已有多台设备运行经验，运行情况良好，用户评价较高，能保证现场使用要求。虽其调速精度略差，但完全可以满足水泵循环泵这样的设备需要。

2.4 经济性

永磁调速原理决定其无法提高电动机功率因数，所以永磁调速器的节能效率略低于变频器，但仍具有优良的节能效果，因永磁设备寿命约三倍于变频器，且热网循环泵年运行时间仅4个月，故节能效果差异可忽略不计，加之无二次耗能、后期维护及升级换代，投资费用仅为中高档变频器的一半，总体经济性优于变频器。

2.5 适用性

因机械结构原因，永磁调速器不适用于调速精度过高的系统设备，对于小功率设备经济型较差，对于大型电动机因目前技术原因仍不能满足要求。对于1 000 kW以上的永磁调速器需要进行水冷却方能满足散热要求，对于1 000 kW以下的采取自然风冷即可，结构简单，维护方便，特别适用于安装变频器无合适空间的改造工程项目，只需在原有设备基础上略做改动即可，甚至不需要改动基础即可完成安装。

表1 永磁与变频技术对比

3 方案确定

经多方了解咨询，遂修改原设计方案，将原两台变频调速方案改为一台变频调速、一台永磁调速方案，最终大胆修改设计为两台永磁调速方案，取消变频器，将原定的变频高压电动机改为普通工频电动机，因此电动机冷却风扇系统也得到了简化，电缆长度也因此缩短，原设计的高压变频器室改做他用。

在了解到永磁设备的故障可能性及修复过程后，为确保不因永磁调速器故障导致城市供热受到影响，遂要求永磁调速器厂家提供一套联轴器，作为永磁调速器故障后的紧急备用，可使用联轴器将电动机和泵连接起来，由磁耦合改为机械连接，满足紧急备用需求。

4 现场安装试运

设备到货后，在厂家的指导下完成安装，检查各转动部位间隙正常，调速执行器接线正确，温度等信号反馈至DCS信号检查正确，电动机各种电气试验及泵体检查正常，系统充水完毕，具备试运条件。

4.1 调速执行器试运

电动机运行前空载调试调速执行器，参数设定完毕，DCS给定调速信号，执行器动作，同时反馈信号至DCS，执行器方向正确，在DCS系统根据需要将泵出口压力作为控制量，经压力变送器输出4～20 mA信号至DCS，用于反馈控制调速执行器的输入信号，最终调节永磁耦合面积，达到调速目的。

4.2 检查电动机转向

将调速执行器调节至零转速，实际因仍有一定耦合效应而会引起泵慢速跟转，需使用方木、铁丝对泵侧永磁转子组件进行制动，制动时应注意确保双向制动，以免制动方向错误而导致机械伤人。确认制动牢固后，就地无关人员撤离，运行人员做好按事故按钮准备，专人注意检查电动机转向。确认转向正确后恢复系统。

4.3 设备试运

在永磁转子上贴上事先准备好的反光贴片，试验测速仪正常，检查DCS温度测点为室温，电动执行器显示正常。

水系统具备带负载试运条件后，设定永磁调速执行器转速为0，检查就地状态正确无误，DCS启动循环泵运行，调节永磁调速执行器，加大耦合面积，泵转速愈来愈高，就地检查转速及压力正常，运行稳定后，DCS显示永磁转子温度约100℃左右。测量电动机、泵体、永磁调速器各部件振动均在正常范围。

因系统运行需要，最大带载转速短时调节至45%额定，后稳定运行至35%额定转速保持运行，运行调速试验仅到45%，故没有全面记录试运测试数据。

5 改造后运行效果

电动机启动时间短（2 s），接近空载启动，热网循环泵运行流量及水压在多次实验性调节时跟踪稳定，如图2所示。

图2 改造后运行曲线

经过一个采暖季的现场实际运行验证，运行调节稳定可靠，使用效果良好，整个系统免维护，且设备可靠性提高。

6 结语

永磁调速器在热网首站高压电动机热网循环泵上的应用在陕西尚属首次，填补了高压电动机永磁调速技术应用的空白，可作为对调速精度要求不是很高的高低压电动机进行负载调速工程的应用借鉴，尤其适用于恶劣环境调速应用或后期改造工程。

[1]青岛斯普瑞能源科技有限公司.永磁调速器使用说明书[Z].