绕线式永磁耦合调速的性能及其在火电行业的应用

李硕 张源

摘 要：随着国家对电力行业节能减排的要求不断深入，国内火电行业对于厂用电率及工艺系统运行灵活性、稳定性的要求越来越高。绕线式永磁耦合调速技术是近几年新研发的电动机节能技术，较常规工频调速和变频调速有着革命性的技术创新和技术优势。绕线式永磁耦合调速技术可以降低系统能耗，提高系统的可靠性，其在火电行业改造工程上已经得到应用，节能效果显著。

关键词：绕线式永磁技术 节能 调速

中图分类号：U463.211 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）06（a）-0039-02

在火力发电厂中，风机、泵类负载的基本特点是数量多，单体的功率大，总体电耗占厂用电的60%～70%左右。在实际运行中，系统工况多变，风机、泵类性能不匹配的现象十分突出，经常采用调整电动门开度的方式对介质压力和流量进行调节。此种运行方式虽然操作相对简单，但控制精度低，响应速度慢，最重要的是将大量的电能无谓的损耗在了挡板节流环节。

目前，为了达到工艺要求和节能的目的，风机、泵类负载的调速方式有液力耦合器、变频调速和永磁调速。液力耦合器技术发展时间最长，但其节能效果不明显，调速精度差、响应慢，维护费用高。变频器节能效果明显，调速精度高，但其对环境要求高，电子元器件故障率高，电力谐波含量高等问题难以解决，局限了其后期发展。

永磁类调速作为新兴技术，其特点为调速比大、可靠性高、稳定性好、柔性连接、环境适应性强，解决了液力耦合器和变频器存在的一些固有缺陷。涡流永磁调速受到技术限制无法完成大功率设备的调速要求，且自身发热严重需要水冷系统进行冷却，只能用在中小型的电动机改造中。

绕线式永磁耦合调速作为对于传统永磁调速的技术革新，继承了此前永磁调速的技术优势，革命性的对于感应电流进行控制，并将转差功率反馈给电网，实现了小功率控制大功率，减少系统热损耗，提高系统效率，在电厂运行中表现出了比较优异的节能效果。

1 绕线式永磁耦合调速的原理

1.1 调速功能

图1表示的是绕组式永磁耦合调速装置的内部原理，图2表示的是绕组式永磁耦合调速装置的外部系统图。轴一与电动机相连，軸二与负载相连，电动机由工频电源供电，额定转速运行。故轴一与电机同转速，在电动机的额定转速下恒转速运转。轴一的外壳类似于桶型结构，内筒装有永磁体。轴二为绕线式结构，当永磁套筒的轴一与绕线式轴二有转速差的时候，根据法拉第定律，在绕组中就能产生感应电动势，从而产生感应电流。轴二上设置有有集电环和电刷结构，可以将感应电流引出到控制单元，通过控制感应电流的大小，来实现传递扭矩的大小，实现调速和软启动的功能。

1.2 能量反馈

通过改变轴二上的感应电流，从而使轴一和轴二产生了转速差，形成了转差功率。通过集电环和电刷，将感应电流引出，通过一套整流—逆变装置及升压装置，将永磁调速的转差功率反馈到市电端，从而达到节点的效果。

2 绕线式永磁耦合调速的特点

绕线式永磁耦合调速技术作为新兴的调速方式，有着对传统调速技术革命性的变革，规避了很多传统技术的弊端，其优点如下。

2.1 柔性连接传递扭矩

绕线式永磁调速属于柔性连接传递扭矩，解决了对中、震动和软启的问题。改造后的电动机可以在空载情况下启动，减小了电动机的启动电流，调节绕线中的感应电流，从而实现整个系统的软启动功能。

由于调速装置是非接触式，依靠永磁体的转动来传递能量，所以系统允许一定的安装误差且设备在运行时，电动机端和负载端的震动不会互相传递，使整个系统运行的稳定性更高。

2.2 对电网谐波小

现在火力发电厂中主流的调速装置之一就是变频调速。其调速范围广、功率因数高、节能效果好，但是变频器的谐波污染和可靠性低限制了变频器的发展。变频器采用交-直-交的形式对于频率进行调节，整流后需要大功率IGBT电力电子元件通过V/F调节电流的频率，在此过程中产生的高次谐波随着需要逆变电能的变大而变大的，变频器的入口和出口都需要设置相应的电抗器对于谐波进行过滤。但即便如此，如果厂内大规模使用变频器，电能质量受到污染的情况还是没法得到很好地控制。

绕线式永磁调速实现了小功率控制大功率的设计原则，虽然系统中也整流和逆变元器件，也存在着谐波的污染，但是绕线式永磁调速装置控制的功率只是转差功率，比传统变频调速需要控制电动机额定功率相比小得多，因此谐波污染、本体损耗等性能都要更加优越。

2.3 自然冷却，无温升问题

常用的调速形式，设备的损耗都是比较大的。液力耦合器的设备损耗为机械损耗，发出的热量需要大量的冷却水进行冷却。变频器的热功率为设备额定功率的3%～5%，低频时的设备效率下降比较明显，变频器需要设置单独的房间和独立的通风、冷却系统来维持设备稳定运行。涡流式永磁调速装置的损耗主要是转差损耗，这部分损耗全部以热量的形式消耗，所以需要单独的水冷却系统。可见，传统的调速装置都无法避免要将一部分能量以热的形式消耗掉。

绕线式永磁耦合调速装置发热量小，无需单独设置冷却装置。与变频器相比，绕线式永磁耦合调速装置控制的功率低，损耗小。与涡流式永磁调速方式比，绕线式永磁耦合调速装置将绝大部分的转差损耗通过整流-逆变反馈给电动机，没有直接损耗掉。

2.4 调速精度高、范围宽

作为调速装置，调节精度和调节的范围都是性能的重要指标。液力耦合器虽然可以实现平滑调速，但是调节不稳定、精度不高。变频器可以对设备进行理论上的0～100%转速调节，但是在低频状态下，变频器效率下降明显。涡流式永磁调速调速范围局限在70%～97%。

绕线式永磁耦合调速装置可以设备进行高精度和大范围的调节，尤其是在低频状态下，系统效率比变频器的性能优越。

3 绕线式永磁耦合调速的应用

某电厂1台300MW机组一次风机功率为1400kW，2005年该电厂对这台机组的2台一次风机进行了变频改造。但是由于电厂环境潮湿，变频器长时间不能正常工作，电厂已经将变频器退出运行，电动机额定转速运行，通过调节风机入口挡板门开度进行风量、风压的调节。机组满负荷运行时，挡板门开度不超过33%，运行中节流损失很大，噪音也很大。

绕线式永磁耦合调速装置改造后，风机入口门全开，不存在节流损失。在设备工频满负荷运行的工况下，6kV开关功率为1340kW，绕线式永磁耦合调速装置退出系统运行，无回收功率。在设备调速至额定转速75%的工况下，6kV开关功率为1035kW，回收功率183kW，绕线式永磁耦合调速装置电能回收的综合效率约为90%，系统实际供率约为852kW。综合两种工况下的参数，绕线式永磁耦合调速装置的节能效果明显，节电率能达到约为36.4%

4 结语

文章对绕线式永磁耦合调速技术所包含的内容进行了概述，通过对绕线式永磁耦合调速技术在火力发电厂中的节能应用进行分析，指出永磁调速技术能够在火力发电厂中占据较大的发展空间，有效发挥其节约能源、提高运行安全性能的作用。

参考文献

[1] 张惠琴.关于三相异步电动机转差功率损耗的分析[J]. 昌吉学院学报，2004（4）：105-106.

[2] 张云峰，梁寒光.永磁调速与变频调速的技术、经济比较[J].中国科技信息，2014（7）：201-203.

[3] 曹霆，徐国祥.绕组式永磁耦合调速与高压变频调速效率比较[J].船电技术，2017，37（11）：22-24.