渦流場效應中的電流突變現象以及解決方案

劉麗偉 關德偉 王琪華 張 雷

1華電能源股份有限公司哈爾濱第三發電廠 哈爾濱 150024 2南京艾凌節能技術有限公司 南京 210000

0 引言

隨著科技的不斷發展，對于節能要求的不斷提高，一種筒式永磁渦流調速設備逐漸興起，這種永磁調速器使渦流場效應以機械結構的方式實現，該調速裝置主體為導體轉子、永磁轉子以及調節機構，如圖1所示。筒式永磁調速器一般安裝于電機與負載之間，導體轉子與永磁轉子為筒式結構，導體轉子與電機直聯，在永磁轉子與導體轉子之間氣隙大小不變的基礎上，通過調節機構調節永磁轉子與導體轉子的嚙合面積(如圖2所示)改變輸出扭矩與轉速，從而達到節能的目的。

圖1 永磁調速系統構成

圖2 永磁調速工作原理

1 電流突變情況分析

1.1 系統概況

哈爾濱第三發電廠熱網系統采暖介質為熱水，采用母管制循環水系統，由5臺功率為2000kW的循環水泵并聯組成，3#為備用泵。對其中的1#泵進行永磁調速改造。循環水泵額定流量為4200m3/h，揚程129m，配套電機功率為2000kW，電壓6000V，額定電流229A，轉速1490rpm。該熱網循環泵系統示意圖如圖3所示。

圖3 熱網循環泵系統示意圖

圖3 采用銅環的永磁調速器扭矩輸出曲線圖

1.2 問題說明

在華電哈三熱網循環泵永磁調速裝置調試運行期間，包括改造的1#泵在內共有3臺泵并聯運行。調試運行過程中，水泵出口閥門全開時，當永磁調速器系統中用于調節永磁調速器嚙合面積的電動執行機構開度調節至67%～68%時，出現了主電機電流突然增大的情況，永磁調速器的扭矩和水泵轉速也突然增大。為了證明該情況的發生是否為偶然，現場調試人員多次調節電動執行機構并觀察電機電流變化情況。經多次調試試驗，發現調試過程中當執行機構開度處于67%～68%左右時，電流均會出現突變情況。同時發現在電流突變點處，水泵的出口逆止閥開啟面積也會出現突然增大的現象。

1.3 問題分析

根據T=9550P/n扭矩計算公式，電機轉速n始終是保持不變，扭矩與功率成正比關系，而電機的輸出功率跟隨電流產生突變，那么電流突變直接反映的是該套水泵系統電機的輸出轉矩。說明此時永磁調速器瞬時輸出扭矩變大，永磁調速器從一個工作點直接跳到了另外一個工作點，并且穩定在新的工作點，從而導致水泵的出口逆止閥開啟面積出現突然增大的現象。永磁調速器瞬時輸出扭矩大于現有工況下的所需輸出扭矩，這個瞬時的變化相當于給了調速器一個的瞬時加速度，從而導致了永磁調速器輸出轉速的突變。

筒式永磁調速設備是通過改變導體轉子與永磁轉子的嚙合面積來改變輸出扭矩的，是渦流場效應的機械應用。渦流效應的主要構成是導體與磁體，則對于永磁調速器而言，在其嚙合面積一致及相同負載的情況下，其輸出扭矩大小是由導體的導電性能和永磁的磁感應強度兩者共同決定的。根據永磁調速器的本身調速特性，嚙合面積越大輸出功率越高，而嚙合面積直接影響的便是作用在導體上的磁感應強度，所以永磁調速設備的輸出轉矩是和磁場的磁感應強度成正比，即大功率的永磁調速設備中永磁的磁感應強度更大，故排除磁場強度對于該突變的影響。

圖4 采用鋁環的永磁調速器輸出扭矩曲線圖

另一個影響渦流效應的因素便是導體的導電性能，一般情況下，我們都會認為導電性能越好，產生的感應電動勢更大，實際情況也確實如此，導體的導電性能越好，電阻率越低，渦流效應的作用效果更為顯著，永磁調速器的輸出功率越高。該套用于哈三電廠熱網循環泵的永磁調速器采用的是銅質導體，現對其進行軟件計算分析。利用軟件建模分析（運動形式采用僅初始狀態下速度為0的勻速運動）計算得出扭矩的瞬時變化如圖3所示。

圖中線條由上到下依次為永磁開度0～100%。從圖中不難看出扭矩的變化出現了明顯的峰值。在開度0%～50%時，永磁的輸出扭矩變化較為平緩，而從50%往上，開度從60%上升，永磁在扭矩出現波峰瞬時變大，隨后陡降再趨于平緩，而這種情況可能直接會導致了瞬時電流增大以保證扭矩的輸出。

由于永磁調速器在啟動時和調節時會有一段較大的滑差，并且考慮到銅質導體其導電性能較好，電阻率較低，這種情況可能會直接導致調速器在調節或啟動時導體中的瞬時感應電動勢過大從而引起調速器啟動時產生過大的峰值扭矩，故可適當降低導體的導電性能。考慮到實際使用性，選用常用導體材料鋁再次進行計算，計算結果如圖4所示。

從上到下曲線分別為永磁開度0～100%永磁在啟動時的扭矩計算結果。從圖中的扭矩變化不難看出，相比于銅環，鋁環的輸出更為平緩，并且鋁環在永磁開度達到90%以上才出現扭矩波峰，并且非瞬時性，相較于銅質導體具有明顯的抑制扭矩瞬時變大的效果。

同樣，選用普通碳鋼做為導體材料時，輸出扭矩明顯下降許多，但不足以達到現場運行工況需求。

2 結語

通過原理分析以及計算驗證，在渦流效應中導體材料的適當選擇能夠有效地避免輸出扭矩突然增大的情況，同時也就避免了永磁調速器在運行過程中電機電流突變的情況。而鋁材料能夠有效地抑制使用銅材料作為導體的永磁調速器在運行中所出現的扭矩突然變大所導致的電流突變情況。熱網循環泵使用的永磁調速器將設備中原有銅環結構更換為鋁環結構，改造后的設備經過調試投入運行，未再發生明顯的電流突變情況。

[1]劉國華,王向東.永磁調速器在電廠灰漿泵系統中的應用及節能分析[J].電力設備，2008，9(10):34-36.

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[3]張宏.新型節能調速設備永磁磁力耦合調速器的原理及應用[J].中國電力教育，2009:552-553.