绕组永磁调速技术在“流量微调节”系统中的应用

王发庆 田桂萍 刘 浪 刘 伟 黄 强＊ 黄 海

（1、华能荆门热电有限责任公司，湖北 荆门 448000 2、江苏磁谷科技股份有限公司，江苏 镇江 212009）

水泵流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速三次方成正比[1]，通常调速运行时节能效果比较明显。工业实践中，调速改造的投资回收期不到一年的例子也不鲜见。

并不是所有的水泵都适合调速运行。首先，轴功率的下降与调速的范围密切相关，调速范围越大，轴功率下降越多[2]。如果生产工艺要求水泵满负荷运行，则轴功率为100%，没有任何调速节能的空间；其次，调速设备本身有一定的损耗，当设备自身的损耗大于或接近于节能量时，则调速运行失去了现实意义。

目前市场上常用的调速方式包括原动机（常用设备：变频器）调速和转差功率调速（常用设备：液力偶合器和涡流永磁调速器）。变频器存在开关损耗、导通损耗以及电房空调耗电等，最高可达额定功率5%～8%。液力偶合器和涡流永磁调速器等转差调速设备损耗更大[3]。如果流量调节范围很小，则轴功率下降幅度不足以抵消调速设备的损耗，则调速系统没有调速节能的效果；再次，调速设备需要一定的采购成本、运行成本，如果实际节省的电费不足以抵消这些成本，也没有调速节能的经济价值。

火电厂脱硫系统使用的浆液循环泵通常流量调节范围很小，属于典型的“流量微调节”系统。这类设备大多通过配置多台不同功率等级的浆液循环泵，通过控制投入的浆液循环泵数量或者安装专门的阀门机构来对需要的浆液进行调节，能量浪费较为严重[4]。

本文在介绍绕组永磁调速技术的基础上，详细推导出“流量微调节”系统中应用变频调速技术的投资收益情况以及应用绕组永磁调速技术的投资收益情况，总结出相较变频调速技术，绕组永磁调速技术在“流量微调节”系统中具有更高的节电收益和更好的社会效益。

1 绕组永磁调速技术（WPMSRT）原理

图1 绕组永磁调速技术系统框图

发电机利用电磁感应原理将机械能转换为电能，电动机将电能转化为机械能，变压器将一种电压的电能转换为另一种电压的电能。

绕组永磁传动技术实际上是利用类似于永磁发电机的电磁感应原理来传递扭矩的一种新兴永磁传动技术。绕组永磁调速器包含有一个绕组转子和一个永磁转子。当永磁转子由原动机拖动按照额定转速旋转时，绕组转子与外部电路联结形成回路后将感应出电流，感应电流形成的感应电磁场与永磁转子形成的永磁磁场相互作用传递扭矩，带动绕组转子以及与之相连的负载旋转，其本质上是一种转差调速器[5]。忽略细微的机械损耗，绕组转子将得到原动机相同的扭矩，而转速可以任意调节。绕组转子与原动机之间的转差产生转差功率，其表现形式是绕组上的电功率。该电功率的电压和频率与转差大致成正比，而电流与转矩大致成正比[6]。此电功率可以回收再利用，达到最佳的节能效果。

2 高压变频器应用于1000kW 流量微调节浆液循环泵

高压变频器的损耗大致分为可变损耗pc和不变损耗pv。pc主要包括开关器件的导通损耗（与电流大小成正比）、变压器的铜耗等，而不变损耗则主要包含开关损耗（与开关频率有关）、变压器的铁耗等[7]。

高压变频调速系统的损耗按如下方式进行计算：

电机的输出功率P3与调速比n 的3 次方成正比，即：P3=1000×n3；

电机的输入功率P2等于变频器的输出功率，当调速范围很小时，电机效率可以认为是电机的额定效率95%，则：P2=P3/95%；

高压变频器典型的额定效率为95%，则总损耗为50kW。假定pv和pc的基值按照25kW 来计算。每个转速下pv按照转速的平方成正比计算（可根据P∝n3，U∝n，P∝I×U，pv∝I 推出，其中P 为变频器的功率，n 为电机转速，U 为变频器电压，I 为变频器电流）[2]，即：pv=25×n2；

变频器的输入功率P1为：P1=P2+pv+pc；

不调速耗电功率P0为1000kW 电机的输入功率，即：P0=1000/95%；

相对不调速节电功率ΔP 为：ΔP=P0-P1；

年节电ΔE 按照年运行时间0.7 万小时计算（单位为万度），即：ΔE=ΔP×0.7；

年节电费ΔF 按照0.35 元/度电计算，即：ΔF=ΔE×0.35；

年分摊购置成本C1按照12 万元计算，年运行成本C2按照3 万元计算（维护工作包括更换模块、更换控制板）。10 年后变频器的残值C3基本上为0。

10 年收益B 为：B=（ΔF-C1-C2）×10+C3。

见表1。

表1 高压变频器节电效益表

3 绕组永磁调速器应用于1000kW 流量微调节泥浆泵

绕组永磁调速器的损耗类似于永磁电机。为了简便计算，大致把它的损耗分为pfe和pcu。pcu与负载转矩大小相关，而pfe与转速差相关。

调速器的输出功率P3’与转速的3 次方成正比，即：P3’=1000×n3；

典型的1000kW 绕组永磁调速器的pfe和pcu基值都为10kW，每个转速下的pfe为转速差的1.3 次方[8]，即：pfe=10×（1-n）1.3；

每个转速下的pcu与转速的4 次方成正比（由T∝n2，I∝T，pcu∝I2可推出。其中T 为扭矩，I 为电流），即：Pcu=10×n4；

电机的输出功率（调速器的输入功率）P2’为：P2’=P3’+pfe+Pcu；

电机的输入功率（耗电功率）P1’为（电机效率为95%）：P1’=P2’/95%；

不调速耗电功率P0为1000kW 电机的输入功率，即：P0=1000/95%；

相对全速节电功率ΔP’=P0-P1’；

年节电ΔE 按照年运行时间0.7 万小时计算，即：ΔE’=ΔP’×0.7；

年节电费ΔF 按照0.35 元/度电计算，即：ΔF’=ΔE’×0.35；

年分摊购置成本C1’按照12 万元计算，年运行成本C2’按照1 万元计算（维护工作包括添加润滑脂、清理碳粉和更换碳刷）。10 年后绕组永磁调速器的残值C3’至少可保值一半。

10 年收益B 为：B’=（ΔF’-C1’-C2’）×10+C3’。

见表2。

表2 绕组永磁调速器节电效益表

4 绕组永磁调速器相较高压变频器收益对比

根据本文提供的计算方法，可以看出变频器在转速标幺值大于等于0.99 时，节电量为负数；大于等于0.97 时，节能的经济效益为负数。但是，如果改为绕组永磁调速，即使速度标幺值为0.99，仍然有节电的效果。而只要速度标幺值不低于0.98，节能的经济效益即为正。同样调速到0.95，绕组永磁调速的10 年收益比变频调速多140 万元以上。这对于我国实现碳达峰和碳中和的节能目标具有重要的意义。