繞組式永磁耦合調速與高壓變頻調速效率比較

曹 霆，徐國祥

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繞組式永磁耦合調速與高壓變頻調速效率比較

曹 霆，徐國祥

（國電江蘇電力有限公司諫壁發電廠，江蘇鎮江212006）

本文介紹了一種永磁耦合調速技術。提供了一種比較計算變頻調速和永磁耦合調速效率的數學簡化模型。按照該模型，很方便地計算出變頻調速和永磁耦合調速的系統效率。以一個額定功率為1000 kW的風機、泵類負載傳動系統為例，得出了在10%~100%轉速下，永磁耦合調速效率高于變頻調速的結論。

繞組式永磁耦合調速 高壓變頻調速 效率

0 引言

隨著我國經濟轉型的不斷深化，節能減排具有越來越重要的社會效益、經濟效益，甚至具有重要的政治意義。我國總發電量中，50%左右是消耗在風機、泵類負載上[1]。風機、泵類負載最節能的運行方式是調速運行。目前最常見的調速技術是變頻和液偶。兩者相比較，液偶的可靠性比較高，而且不存在諧波污染；變頻器的效率高。

近兩年國內出現一種永磁耦合調速技術，它具有諧波污染少、可靠性高的優點，而效率遠比液偶高。根據用戶使用情況來看，有些工況下其節電率甚至比變頻器還要高。由于永磁耦合調速技術應用還不是很廣泛，因此有必要將它與高壓變頻調速作理論上的分析，從而指導用戶的選擇應用。

1 繞組式永磁調速技術介紹

按照繞組式永磁耦合調速結構示意圖見圖1。軸一為原動軸，永磁體固定在原動軸上，隨原動機一起轉動。軸二為負載軸，繞組固定在負載軸上，負載軸與原動軸之間有氣隙。負載軸上裝設有集電環，用于導出繞組上的轉差功率（表現為電壓和電流）。電動機起動后，裝在原動軸上的永磁體隨原動軸一起旋轉，產生旋轉磁場，切割負載軸上的繞組，在繞組內產生感應電動勢。若繞組是一個閉合的回路，則在閉合的繞組回路內產生感應電流，感應電流和原動軸上的永磁磁場相互作用，驅動負載軸轉動。轉子繞組通過集電環與控制器相連，控制器調節繞組內感應電流的大小，從而改變扭矩的大小，實現調速功能。轉差功率通過變流回饋到電網，達到更加節能的目的。

2 效率計算數學模型

2.1變頻器效率計算模型

1-永磁體，2-軸一，3-外殼，4-繞組轉子鐵芯，5-繞組，6-電刷，7-集電環，8-軸二，9-氣隙

假定高壓變頻器（含變壓器）的總損耗為不變損耗和可變損耗之和，額定情況下，不變損耗占40%，可變損耗占60%[2]。為了確定變頻器的額定效率值，可以參考高壓變頻器標準產品作為依據。對于額定功率1000 kW（額定容量在1200kVA左右）的高壓變頻器，額定效率為96%，則輸入功率為:

總損耗為：

額定不變損耗和額定可變損耗分別為：

此外，高壓變頻器通常都要求空調房。假設采用40匹的工業空調，相當于不變損耗增加29.4 kW。修正后的不變損耗為：

假設在任意負載下，不變損耗保持不變，而可變損耗與輸出功率標幺值的平方成正比。即輸出功率為P，可變損耗為：

其中P為功率基準值，取額定值1000 kW。

2.2電機效率計算模型

假設電機的總損耗為銅耗和鐵耗之和（其它損耗都合并到這兩種損耗中），額定情況下，鐵耗占40%，銅耗占60%。以標準產品為依據，YKK5601-4,額定功率1000 kW，額定效率為95.1%。則額定輸入功率為：

總損耗為：

額定不變損耗和額定可變損耗分別為：

在任意負載下，鐵耗與頻率的1.3次方成正比，銅耗與電流的平方成正比[3-4]。由于兩種調速方式下，電機的運行機理不一樣，損耗的計算也不一樣。對于永磁耦合調速，電機速度恒定，鐵耗不變。而電流大致與輸出功率成正比，因此銅耗與輸出功率標幺值的平方成正比。即在任意工況下，輸出功率為，銅耗為：

而對于變頻調速來說，電機的轉速是變化的，頻率正比于轉速，則鐵耗正比于轉速標幺值的1.3次方。此時電流不再與輸出功率成正比，而是與轉矩成正比。因此銅耗與輸出轉矩標幺值的平方成正比。轉矩標幺值為輸出功率標幺值除以轉速標幺值。即在任意工況下，輸出功率為，銅耗：

2.3繞組式永磁耦合調速器效率計算模型

參考明騰公司TYPKK5004-4永磁電機，額定功率1000 kW，額定效率為96.4%。假定銅耗與鐵耗分別占60%和40%。額定輸入功率：

額定總損耗, 額定鐵耗, 額定銅耗分別為：

銅耗的計算要以電磁功率為基準。作為一種轉差調速，輸出機械功率P、電磁功率PEM以及轉差功率PS之間的關系如下[5]：

因此任意工況下，銅耗為：

必須注意到，永磁耦合調速器的頻率是和轉差成正比。因此鐵耗為：

轉差功率回饋到電網的損耗計算是比較復雜的，其實質是一個特殊的低壓變頻器。但是對整個效率計算影響并不大。因為對于風機、泵類負載，總的轉差功率最多僅僅占額定容量的14.81%。初略計算，按照轉差功率的10%外加風機功耗1.1 kW，應該來說是比較客觀的。即：

3 損耗和效率計算

下面按照上述模型來計算一個典型的傳動系統總效率。額定功率1000 kW，負載為風機、泵類，即功率與轉速的三次方成正比。采用永磁耦合調速時，功率的流向是電機→永磁耦合調速器→負載。其損耗和效率計算是反向的：在一定的轉速下，得到負載的軸功率，依次計算永磁耦合調速器輸出功率（等于負載軸功率）、永磁耦合調速器輸入功率（永磁耦合調速器的輸出功率+鐵耗+銅耗+轉差功率）、電機輸出功率（等于耦合調速器輸入功率）、電機輸入功率（等于電機輸出功率+銅耗+鐵耗）。由于各種損耗和轉差功率已經建立起它們與輸出功率和轉速之間的關系式，因此可以計算出總的效率：負載軸功率/（電機輸入功率-轉差功率+轉差功率轉換時的損耗）。具體計算見表1。

采用變頻調速時，功率的流向是變頻器→電機→負載。其損耗和效率計算也是反向的：在一定的轉速下，計算負載的軸功率，依次計算電機輸出功率（等于負載軸功率）、電機輸入功率（電機輸出功率+鐵耗+銅耗）、變頻器輸出功率（等于電機的輸入功率）、變頻器輸入功率（等于變頻器的輸出功率+不變損耗+可變損耗）。由于各種損耗已經建立起它們與輸出功率和轉速之間的關系式，因此可以計算出總的效率：負載軸功率/變頻器的輸入功率。具體計算見表2。

4 結論

本文提供了一種比較計算變頻調速和永磁耦合調速效率的數學簡化模型。關于電機和永磁耦合調速器，主要包含鐵耗和銅耗，分別與頻率和電流的平方成正比；變頻器則包含不變損耗和可變損耗，前者是恒定值，后者與輸出功率的平方成正比。按照該模型，很方便地計算出變頻調速和永磁耦合調速的系統效率。以一個額定功率為1000 kW的風機、泵類負載傳動系統為例，得到的計算結果是在10%～100%轉速范圍內，永磁耦合調速效率均高于變頻調速。

[1] 張瑞．烏海熱電廠升壓泵永磁調速改造及應用[D]．華北電力大學, 2013．

[2] 王愛元．變頻器供電的感應電機節能控制若干技術的研究[D]．華東理工大學, 2010．

[3] 趙海森，張冬冬，王義龍等．變頻供電條件下感應電機空載鐵耗分布特點及其精細化分析[J]．中國電機工程學報, 2016, 36（8）:2260-2269．

[4] Bertotti G．General properties of power losses in soft ferromagnetic materials[J]．IEEE Transactions on Magnetics, 1988, 24(1)：621-630．

[5] 徐甫榮．大功率風機水泵調速節能運行的技術經濟分析[J]. 電源應用技術, 2001,12:649-654．

Efficiency Analysis of Winding Permanent-magnet Coupling VSD Compared with High-voltage VFD

Cao Ting, Xu Guoxiang

(GuoDian Jianbi Power Plant, Zhenjiang 212006, Jiangsu, China)

TM 461

A

1003-4862（2017）11-0022-03

2017-10-15

曹霆（1979-），男，工程師。研究方向：電廠設備管理。