永磁渦流柔性傳動調速裝置在百萬機組閉式水系統的應用

摘 要：電動機作為現代工業生產的動力之鑰，在世界范圍內具有極其重要的應用，而隨著技術的進步以及國家節能減排戰略的推進，人們對電動機的能耗要求越來越高。本文從節能效果與抗電磁干擾能力、故障率較低以及設備使用壽命長等方面分析了永磁渦流柔性傳動調速裝置的優勢，介紹了永磁調速裝置的工作原理與節能原理以及永磁渦流柔性傳動調速裝置安裝施工等，討論了永磁耦合器調速技術現狀及其在1000MW機組閉式水系統使用情況。

關鍵詞： 電動機;永磁耦合器;閉式水系統;節能

前言

電機能耗問題是關系到當前工業生產過程企業成本的重要因素之一，目前已經投入實踐的節能措施較多，例如通過提高電機效率，減少電能浪費，其效果是可觀的。然而對于大多數已安裝的恒速電機來說，在負載無需額定出力時，恒速運行電機依然會產生大量的能量損耗。所以針對負載情況對電機進行出力調整，也是對降低能耗的有效手段，比如變頻調速在現實中也具有較為廣泛的應用。本文主要針對一種新型的永磁渦流柔性傳動調速裝置的結構與工作原理以及節能優勢等方面進行分析。

1 永磁渦流柔性傳動調速裝置優勢

1.1節能與電磁干擾影響

雖然高效率電機可提高電能利用率，但效果對于長周期使用的電機而言并非十分顯著。因此，近些年來變頻器的大規模使用也是朝著調速的方向來降低電能使用量，同時一種新的調速方式也孕育而生，即永磁磁力耦合器調速。對比于變頻器調速，永磁調速器是經過建立在電磁渦流內磁場力的效果，利用銅導體和永磁體之間的氣隙以進行由電動機到負載的轉矩傳輸，這種傳輸方式的節能效率約在10%-50%。這種機械式結構使得其本身調速性質幾乎與電力作用無關，對于因頻率的多層變化而改變轉速的變頻器而言，這種方式避免了高次諧波的產生，高次諧波的存在不僅損壞電器電子設備，干擾通信，形成涌流造成保護誤動作等，其固有頻率還會與電機振動頻率共振，產生異音;而電力系統每年在消諧環節的投入也是價格不菲，而永磁自耦調速則不會對系統下的其它設備造成這種干擾，大大提升了設備可靠性。同時當設備電源電力質量出現問題是，如電壓動搖、電力諧波、閃變、跌落、短時連續、浪涌等情況發生時，這些要素對電子或電氣調速安裝常常是致命的，但對永磁調速器卻不會形成任何影響。

1.2故障率低

永磁渦流柔性傳動調速運行中基本沒有特殊維護要求，全年備件更換率非常低，遠遠比其他調速產品（高壓變頻、液力耦合）的故障率和備件更換費用少很多，大大減少企業的維護運行費用，減少因非正常情況下造成停機損失，為企業生產創造更多更好的效益。

1.3減振、隔振效果好

由于用永磁渦流柔性傳動裝置取代了原來的剛性聯軸器，這樣負載側的振動就不會傳遞到電機側，反之依然;因此可以消除剛性聯軸器對振動帶來的放大效應。可容忍較大的安裝對中誤差，最大偏差可達1mm，且沒有傳動效率的損失。

1.4設備使用壽命長

在做好日常維護和定期保養的情況下，一般可達20年以上，變頻器因電氣元件本身的老化問題，壽命一般在10年左右，且可靠性遠不及永磁耦合器。

1.5技術判斷明確

由于沒有機械剛性聯結，查找判斷和隔離故障非常容易。

2 永磁調速裝置工作原理

永磁調速裝置工作原理如下圖1所示：

永磁渦流柔性傳動調速裝置主要是由無機械連接的永磁盤和導體盤及氣隙調節結構組成，導體盤與永磁盤可以獨立自由旋轉，利用電磁感應原理進行工作。當電機帶動導體盤旋轉時，導體盤與永磁盤產生切割磁力線的運行，進而在導體盤中產生渦流，通過此渦流形成感應電動勢及磁場，由此帶動相鄰的永磁盤在磁場中運行，實現了能量轉換。在此結構下，可通過調節氣隙結構，調節導體盤和永磁盤間的氣隙大小，由此實現負載轉速及轉矩的控制。同時通過設備配套的執行器調整轉子與導體盤之間的氣息寬度，就可以實現自動控制輸出轉矩與轉動速度大小，繼而控制輸出功率，達到降速節能的效果。

3 節能原理

常規的風機或水泵負載一般滿足定律：Q1/Q2=n1/n2，即流量的變化與轉速成正比關系;H1/H2=（n1/n2）?，即壓力與轉速的平方成正比;T1/T2=（n1/n2）?，即扭矩與轉速的平方成正比。

在實際應用中，無論是風機的流量還是水泵的流量，在設計時均是依照最大需求量來設計的，甚至還高于最大需求量，但是在設備的實際運行中，負載出力并不會達到設計的最大值，而是根據需要動態變化的，因此需要對設備出力加以控制，以滿足實際需求。根據：η = （ P2/P1 ）× 100%來算，實際效率應該為η=η（電機本身效率）×η（負載效率）×η（控制設備效率）×η（輸送効率）。在設備實際使用中，一般設備自身功率恒定，由此可見，只能通過改變控制設備效率從而影響實際輸出效率，如果采取傳統的方式改變管路閥門的開度大小來控制流量變化，由于電機的自身轉速不受此影響，電機輸出功率：P=T*n/K，其中，T表示電機扭矩，n表示電機轉速，計算系數K=9550。當電機扭矩與轉速均恒定的情況下，電機輸出功率將不受任何影響，且調節閥門會造成閥門兩側壓差擴大，會使得風機或水泵的運行點偏離最佳效率點。然而通過加裝永磁耦合調速器，可以改變轉速n，在此數值降低時，電機輸出功率將同時降低。

4 永磁渦流柔性傳動調速裝置安裝施工

設備現場安裝，首先需分離電機與負載，按照實際情況改制電機底座流出安裝調速器的空間，底座需要焊接框架和混凝土改建。

安裝電機輪轂，先檢查軸的TIR值：通常情況下，通常應小于0.08mm，而對于高于1500rpm的電機，則要小于0.03mm。安裝鎖緊盤和輪轂，使其緊固到電機軸上，要保證軸徑向跳動小于0.08mm，若跳動量不滿足，則需進行糾正偏差。

開始安裝負載軸端的聯軸器，完成后安裝調速裝置主機，期間必須保證負載輪轂與調速裝置中心軸對齊同一水平線，且其固定螺栓需用專用膠進行緊固。調節電機中心與主機及負載中心對齊。接著安裝執行器及附件，安裝過程中避免出現附件相互干涉的情況。隨后調整永磁體之間氣隙間隙及調整執行器動作情況。需要注意的是，裝置中相互連接的構件需要保證良好的同心度，確認無誤后方可進行通電試驗，同時記錄各方向振動測量值，要求小于4.5mm/s，若達不到要求則需要進行進一步的調整。

5 現場實際應用

某公司百萬機組采用全廠閉式水系統，提供全部設備所需冷卻水，機組設計兩臺流量為3000t/h閉式水泵，電機額定功率355kV，額定電流27.7A，額定電壓10kV，功率因數0.781，轉速992轉/分。

由于該公司閉式水系統設計裕度較大，夏季環境溫度最高時，系統回水調節門開度也只有51%。到冬季時，系統回水門調節們開度僅在20%左右，存在嚴重的冷卻水量浪費問題，同時運行人員頻繁對閉式水回水門調節也增加了系統的不穩定因素。針對目前情況，該公司對其中1臺閉式水泵電機加裝了永磁渦流柔性傳動調速裝置，用來提高閉式水冷卻效率和降低電機能耗。電機在額定電流及額定轉速下運行時，平均一天消耗電能，消耗量較大。

通過加裝永磁渦流柔性傳動調速裝置，電機具備調速功能，可在全年適時的調整閉式水流量，同比減少冷卻水用量，不僅降低了閉式水壓力，也保證了設備可靠運行，也無需運行人員頻繁通過調節回水門節流方式進行調整系統壓力和流量。設備改造完后成，當循環水溫在30℃時，電機電流可維持在19.5A-22A左右運行，此時消耗電功率：。

經過半年時間測算，閉冷泵電能消耗下降約20%以上，每日降低廠用電量2175KWh左右，每度電按照0.3元計算，每年節約電費238162.5元，2年即可收回全部的45萬元投資，并且電能耗量下降顯著。

設備投運以來，電機及泵體等主體結構未發生過異常溫升與振動等問題，裝置本身除潤滑油脂補充、衛生清掃等日常工作，可基本實現免維護。

6 結語

綜上所述，對該型調速裝置的優化處理，可以顯著提高其運行穩定性，減少電能的消耗。傳統的電機調速功能一般是通過變頻器來實現，但是變頻器在使用一段時間后容易因電氣元器件老化而出現不穩定的情況，永磁調速的機械調速在實踐應用中具有可靠性好、工作壽命長以及運維工作量小等優點，因而更加適用于大容量電動機的調速。未來，隨著永磁渦流柔性傳動調速技術的發展，其在電力系統還將得到更為廣泛的應用。

參考文獻：

[1]Ekinci Serdar，Hekimo?lu Baran，Izci Davut. Opposition based Henry gas solubility optimization as a novel algorithm for PID control of DC motor[J]. Engineering Science and Technology， an International Journal，2021，24（2）.

[2]周楊，李祥飛，陳玄.基于新型趨近律的永磁同步電機調速控制[J].電機與控制應用，2020，47（12）：38-42+104.

[3]孫中圣，李新泉，李小寧.永磁渦流調速器研究與應用[J].機械制造與自動化，2016，45（03）：1-4.

[4]謝明，宋順一.新型電機調速方式——永磁耦合驅動調速[J].科協論壇（下半月），2012（10）：50-51.

作者簡介：

龔宇飛（1996-），男，河南鄭州，專科，助理工程師，火力發電廠發電機、電動機系統。

（大唐三門峽發電有限責任公司，河南 三門峽 472143）