論永磁傳動調速技術的優勢

唐 楠

（杭州科晟能源技術有限公司 浙江·杭州 311300）

1 永磁傳動調速系統優勢

1.1 系統的可靠性

永磁傳動裝置，性能穩定，對供電電源沒有任何要求，且使用中不會對電網產生高次諧波污染，因裝置本身不耗電，所以不存在電磁干擾問題。相對高壓變頻器：盡管變頻器目前技術比較過關，但是作為一個高度復雜的電子設備而言，其運行中故障的不可預見性、不確定性還是有目共睹的。首先對環境的要求十分苛刻，專用房間要密封、防塵，夏季要有空調來保持設備正常運行所要求的溫度，輔助設施投入較大。其次對供電電源有一定的要求，電子設備易受電磁干擾造成變頻器設備運行的不可靠。同時在變頻器運行時，對電源系統也會產生高次諧波污染，破壞電網的質量，嚴重時甚至影響電子設備的穩定運行，需要用戶采用其他設備（濾波器）來消除。

1.2 長期運行的穩定性

永磁傳動裝置：具有結構簡單，不受使用環境的干擾和影響，運行穩定可靠的優勢。由于采用磁力耦合器時，電機與負載（引風機）之間的軸連接是非接觸式的，因此，負載（引風機）的震動不會傳遞到電機上；也正是由于軸連接是非接觸式的，所以帶來了兩方面的好處，一是安裝時“對中”要求低；二是在長期運行中不會產生因為直接的軸連接而帶來的軸承、密封的損壞，保證設備的使用，磁力耦合器表現了優越的長期運行穩定性。同時其可能的運行故障是可預見的，不會因為突發故障而給用戶帶來措手不及的事故。

1.3 安裝及可維護性

經簡單培訓后，機務人員電氣人員將會快速確定故障原因，并迅速自行解決故障，不必請專業公司的人來維修。其使用壽命可達30年。

1.4 經濟性分析

（1）永磁傳動裝置①初始投資；永磁傳動裝置的初始投資與變頻器的投資目前大致相同；②免維護，維護費用幾乎為 0；③故障造成的經濟損失：平均無故障時間(MTBF)比變頻器要長很多，所以不會因為一次故障所造成的減負荷發電，將節能所帶來的節能效益全部耗盡。

（2）變頻器①初始投資：初始投資與永磁傳動裝置的投資相當。②維護費用相對高。③故障造成的經濟損失平均無故障時間（MTBF）太短，平均每年都會因故障而造成減負荷發電、增加油耗等損失將節能所帶來的經濟效益全部耗盡（極有可能還要倒貼）。④需維修備件，造成了資金的占用，而且由于故障的不確定性，經常發生有的備件常年不用。由于電子元件有一定的時效性，所以過期的備件只能報廢，造成資金的浪費。

（3）繞組式永磁調速技術，將轉差損耗變成電能反饋到供電端再利用，一方面徹底解決轉差發熱問題，一方面更加節電（光此項在調速在65%～70%段時提高節電率30%）。

（4）變頻器調速屬電機主動調速，沒有轉差損耗問題，但存在變頻器和電機效率都隨負載和轉速下降而下降問題，比如在80%轉速工作的風機水泵其負載率大約為50%，變頻器效率仍維持在90%以上，但電機效率只有80%，變頻+電機效率只72%。如果再調速到50%轉速時，此時負載率只有12.5%，此時變頻效率約80%，電機的效率低于50%，變頻+電機效率只40%。

從前面的分析可以看出，無論是眼前的經濟利益，還是從長遠經濟的回報角度來考慮，磁力耦合器都具有比變頻器優越得多的經濟性。永磁耦合調速器與變頻調速比較：在較大負載率（較小調速范圍）工況下綜合節電性能高2%～4%；在較小負載率（較大調速范圍）工況下綜合節電性效率仍維持在96%以上，此時永磁調速器節電率比變頻調速高30%左右。永磁耦合調速技術在調速節能領域將最具推廣前景和發展潛力。永磁調速優點顯而易見，此調速方式對電能質量無要求，同時具有離合器、調速、軟啟動功能，并能滿足節能要求（其節能效果同變頻相比，效果更好，效率更高），且不會對電網運行帶來影響。

2 永磁調速技術分析

在永磁調速技術中，永磁轉子和導體轉子間必須要有轉速差的存在，否則兩轉子之間就不會有電磁轉矩的產生。即輸入轉速n1始終大于輸出轉速n，則其轉差率s為：s=（n1-n）/n1，將上式變換如下：n=n1（1-s）。

很顯然，輸入轉速n1為定速電機的轉速，是一個定值，對于永磁調速器來說是無法改變的，從上面公式中可以看出，要想改變輸出轉速n，即實現調速功能，就只能改變轉差率s，換句話說：永磁調速器的調速實質是一種轉差調速，也叫滑差調速。其調速原理就是：通過改變輸出轉矩的大小來改變s，當輸出轉矩小于負載轉矩，轉速就下降，反之轉速就上升。改變輸出轉矩的大小通常有兩種做法：一是改變永磁轉子和導體轉子間的磁通面積（套筒式）；二是改變兩者之間的氣隙大小（盤式）。這兩種方法都需要機械執行機構。

電機學的理論已經證明了：是轉差調速就存在轉差功率的損耗，忽略機械損耗和雜散損耗，它與輸入功率的關系如下：

Pm=sPm+(1-s)Pm

式中：Pm為輸入功率，sPm為轉差功率，(1-s)Pm為輸出功率。

從公式中可以看出：當輸入功率Pm不變時，s越大，轉差功率sPm也越大，輸出功率(1-s)Pm就變小。在永磁渦流調速器技術中，轉差功率sPm都會作為熱能在其上面散發掉，因此，當調速范圍越大發熱越嚴重。例如：當s=0.5（即調速50%）時，顯然，忽略機械損耗和雜散損耗，對于恒轉矩負載永磁渦流調速器的傳動效率只有50%。

永磁調速器傳遞轉矩的大小除了取決于（永磁轉子提供）氣隙磁密基波幅值的大小之外，還取決于導體轉子電流的大小，如果能控制導體轉子電流的大小，不需要機械執行機構就能實現控制輸出轉矩的大，繞組式永磁耦合調速器，通過集電環、碳刷與外部控制單元連接，在控制單元中引入一個可控的附加電動勢并改變其幅值，這樣就控制了繞組轉子電流的大小，也就控制了輸出轉矩的大小從而達到調速的目的。

繞組式永磁耦合調速器，安裝在驅動電機和負載之間，傳遞驅動電機的轉矩以驅動負載，智能控制器通過采集負載反饋信號（包括壓力、流量、液位、轉矩、速度等），進行相應運算和處理后，發出相應的PID控制指令，控制繞組電流，從而實現對負載轉速的調節功能。

整個控制系統為全自動控制，也可通過接受中央控制系統發送的遠程控制指令進行手動或自動控制。

3 工作原理及系統構成

繞組式永磁耦合調速器整體結構由永磁轉子、繞組轉子和控制部分組成，采用最先進的永磁磁路技術制造成永磁轉子，氣隙磁場強度大而合理；繞組轉子采用最新的電機技術保證結構體積小而傳遞轉矩大?？刂撇糠植捎米钚码娏﹄娮蛹夹g，因其控制電壓低、變流功率小使得結構更加簡單、安全可靠。

4 永磁耦合調速器與其它調速裝置綜合性能對比

繞組永磁優勢功能：

（1）綜合節電性能最高，比變頻還高2%～4%。因繞組永磁耦合調速變流控制的功率只是總功率的一部分（轉差功率），而變頻器控制的是全部功率，因此繞組永磁耦合調速器比變頻器功耗小，效率比變頻器至少高2～4個百分點，系統綜合效率在全轉速范圍內都能保持在96%以上，在調速深度大的情況時，節電性能較變頻高很多。

（2）具有離合器功能。繞組永磁耦合調速器是沒有機械動作的離合器，非接觸沒有摩擦和磨損的離合器，可現場設置過載保護量的離合器，通過電子控制離合器的接合和分離，使得離合器操控簡單、可靠。對頻繁負載起停可不停電機。

（3）重載軟起動功能強大達2.2倍輸入轉矩。繞組永磁耦合調速器可利用電機過載轉矩起動負載，起動轉矩達220%，高于變頻調速，且起動時間現場可調，允許長時間起動（變頻調速做不到）?？蓽p小選型電機功率達節電效果。

（4）可靠性最高：①本體是永磁電機結構，具有電機的可靠性。②本體繞組不通電，感應電流不存在過流。③變流裝置僅控制很小的轉差損耗功率（原發熱功率），可靠性高。④完善的保護措施除全面完善的電子電器保護外，還有非接觸式、非破壞打滑過載保護。

（5）抗干擾（不用電）、對電網諧波污染?。ú坏阶冾l器的3%）。

（6）綜合使用維護成本低于高壓變頻調速器，低于渦流式永磁耦合器。

（7）多動力單元驅動，能自動均衡負載，多臺繞組永磁耦合調速器只要并聯保證電壓一致自動保持同一轉速而不需傳感器。

（8）輸入轉矩調速繞組永磁耦合調速可適用所有輸入轉矩調速（包括發動機），電機只是輸入轉矩產生的動力源之一，與電機進線輸入電參數無任何關聯。

（9）系統結構簡單、尺寸小，控制容易，對環境要求低，一般廠房的自然環境即可。

5 結語

綜合分析，從安裝運行經濟節能等角度全面考慮，永磁傳動調速技術有其他調速技術無可比擬的絕對優勢，是以后工業大型旋轉機械調速的最佳應用選擇。