謝蓉，石巍，許聰，郭玉興

1 前言

永磁調(diào)速技術(shù)是近年來國(guó)際上開發(fā)的一項(xiàng)突破性新技術(shù)，是專門針對(duì)水泵、風(fēng)機(jī)類離心式負(fù)載調(diào)速節(jié)能的適用技術(shù)。它具有高效節(jié)能、高可靠性、無剛性連接傳遞扭矩、可在惡劣環(huán)境下應(yīng)用、極大減少整體系統(tǒng)振動(dòng)、減少系統(tǒng)維護(hù)和延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命等特點(diǎn)。尤其是其不產(chǎn)生高次諧波并且低速下不造成電機(jī)發(fā)熱的優(yōu)良調(diào)速特性，更使其成為水泵、風(fēng)機(jī)類離心式負(fù)載節(jié)能技術(shù)改造的首選。

2 永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器的工作原理及特點(diǎn)

2.1 工作原理

永磁調(diào)速器主要由導(dǎo)體轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子和控制器三部分組成，其中導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子的故障率幾乎為零，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性決定了設(shè)備乃至系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)調(diào)節(jié)方式主要分為氣隙調(diào)節(jié)和嚙合面調(diào)節(jié)兩種。根據(jù)冷卻方式主要分為空冷型永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器和水冷型永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器。

（1）氣隙調(diào)節(jié)（第一代永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器）

氣隙調(diào)節(jié)是將永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器中的導(dǎo)體轉(zhuǎn)子固定在電動(dòng)機(jī)軸上，永磁轉(zhuǎn)子固定在負(fù)載轉(zhuǎn)軸上，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子之間無接觸，有間隙（稱為氣隙）。這樣電動(dòng)機(jī)和負(fù)載由原來的硬（機(jī)械）接轉(zhuǎn)變?yōu)檐洠ù牛┻B接，通過調(diào)節(jié)永磁體和導(dǎo)體之間的氣隙就可實(shí)現(xiàn)負(fù)載軸上的輸出轉(zhuǎn)矩變化，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速變化。通過調(diào)整氣隙獲得可調(diào)整的、可控制的、可以重復(fù)的負(fù)載轉(zhuǎn)速（圖1、圖2）。

（2）嚙合面調(diào)節(jié)（第二代永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器）

嚙合面調(diào)節(jié)是根據(jù)嚙合面的大小來控制相應(yīng)的磁場(chǎng)大小，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速變化。即導(dǎo)體轉(zhuǎn)子安裝在輸入軸上，永磁轉(zhuǎn)子安裝在輸出軸上，當(dāng)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，永磁場(chǎng)在導(dǎo)體轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生渦流，同時(shí)渦流又產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)與永磁場(chǎng)相互作用，從而帶動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子沿著與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子相同的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，將輸入軸的轉(zhuǎn)矩傳遞到輸出軸上；輸出轉(zhuǎn)矩的大小與嚙合面積相關(guān)，嚙合面積越大，扭矩越大，反之亦然。

永磁轉(zhuǎn)子在調(diào)節(jié)器作用下，沿軸向往返移動(dòng)時(shí)，永磁轉(zhuǎn)子與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子之間的嚙合面積發(fā)生變化。嚙合面積大，傳遞的扭矩大，負(fù)載轉(zhuǎn)速高；嚙合面積小，傳遞的扭矩小，負(fù)載轉(zhuǎn)速低；嚙合面積為零，傳遞扭矩為零，永磁轉(zhuǎn)子與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子完全脫開，永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為零，負(fù)載轉(zhuǎn)速也為零（圖3、圖4）。

（3）空冷型永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器

空冷型永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器由銅導(dǎo)體轉(zhuǎn)子上的散熱片帶動(dòng)冷卻氣流來冷卻轉(zhuǎn)子與銅導(dǎo)體轉(zhuǎn)子之間因轉(zhuǎn)差所產(chǎn)生的熱量，該轉(zhuǎn)差與傳動(dòng)的扭矩相關(guān)，且轉(zhuǎn)差由調(diào)整磁轉(zhuǎn)子與銅導(dǎo)體轉(zhuǎn)子之間的氣隙來達(dá)成。通常情況下，空冷型永磁調(diào)速適用于功率范圍在315kW以內(nèi)的電機(jī)。

（4）水冷型永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器

水冷型永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器由磁轉(zhuǎn)子與銅導(dǎo)體轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的離心力去驅(qū)動(dòng)冷卻水流來冷卻磁轉(zhuǎn)子與銅導(dǎo)體轉(zhuǎn)子之間因轉(zhuǎn)差所產(chǎn)生的熱量。水冷型永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器適用于315kW（含）以上電機(jī)以及當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低以致空氣冷卻不足時(shí)的情況。

2.2 永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)

（1）平滑無級(jí)調(diào)速，節(jié)能效果顯著，調(diào)速范圍0～98%，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。

（2）柔性啟動(dòng)，減少電機(jī)的沖擊電流，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命。

（3）控制精度可達(dá)到±1%。

（4）綠色環(huán)保，無諧波，無污染物、無電磁波干擾，對(duì)環(huán)境的噪音增量小于5dB。

（5）能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，如電網(wǎng)電壓波動(dòng)大、諧波嚴(yán)重、易燃易爆、潮濕、高粉塵等場(chǎng)所。

（6）無機(jī)械連接，隔離振動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)、安全。

（7）安裝簡(jiǎn)單，允許軸向竄量～10mm、對(duì)中誤差～1mm。

（8）延長(zhǎng)傳動(dòng)系統(tǒng)各主要部件(軸承、密封等)的使用壽命，降低維護(hù)成本。

3 四種調(diào)速方式性能對(duì)比（表1）

4 永磁調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用

風(fēng)機(jī)的一個(gè)特點(diǎn)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。在水泥廠的設(shè)計(jì)和選型中，由于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)富余系數(shù)過大，同時(shí)單機(jī)選型也寧大勿小，最終會(huì)造成系統(tǒng)負(fù)荷的增加。尤其風(fēng)機(jī)采用閥門來節(jié)流，人為地增加管道的阻力以減小流量，因此阻力損失相應(yīng)增加，而此時(shí)風(fēng)機(jī)的特性曲線不變，葉片轉(zhuǎn)速不變，系統(tǒng)輸入功率并無太多減少。所以流量變化時(shí)，會(huì)浪費(fèi)大量的電能。永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用可有效緩解上述現(xiàn)象。永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器根據(jù)所需的流量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，可獲得很好的節(jié)電效果。

對(duì)5500 t/d規(guī)模水泥生產(chǎn)線，系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的裝機(jī)功率約為13250kW，占全廠總裝機(jī)功率（約33500kW）的35%。生產(chǎn)系統(tǒng)中窯頭排風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)機(jī)、生料磨廢氣處理排風(fēng)機(jī)、篦冷機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)、煤磨系統(tǒng)通風(fēng)機(jī)、水泥磨系統(tǒng)通風(fēng)機(jī)、窯頭燃燒器用羅茨風(fēng)機(jī)等設(shè)備通常需要根據(jù)工況調(diào)整風(fēng)量，這些風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率約為7870kW，如采用永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器調(diào)速，節(jié)能效果相當(dāng)顯著。

表2為水泥廠部分風(fēng)機(jī)在不同功率參數(shù)下配備不同形式的調(diào)速系統(tǒng)投資費(fèi)用估算表。由2表可以看出，對(duì)于單臺(tái)設(shè)備而言，第二代永磁調(diào)速系統(tǒng)前期投資（初裝費(fèi)用）略高于高、低壓變頻器系統(tǒng)。水泥廠往往采用較多的高、低壓變頻器系統(tǒng)，常需加裝諧波治理裝置，其投資一般約100萬元，所以從水泥廠整體而言兩者前期投資相當(dāng)。

表1 四種調(diào)速方式性能對(duì)比

2007年永磁耦合器與調(diào)速驅(qū)動(dòng)器從美國(guó)引進(jìn)我國(guó)，在美國(guó)已大量應(yīng)用于冶金、石化、采礦、發(fā)電、紙漿、海運(yùn)、軍艦等行業(yè)。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用案例主要有浙江嘉興電廠、山東?；詡錈犭姀S、華電東華電廠、華能南京電廠、中石化北京燕山石化、棗莊煤業(yè)集團(tuán)蔣莊煤礦等大型企業(yè)集團(tuán)。

表2 水泥廠部分風(fēng)機(jī)在不同功率參數(shù)下配備不同形式的調(diào)速系統(tǒng)投資費(fèi)用估算表

某石化公司根據(jù)系統(tǒng)工況采用永磁調(diào)速系統(tǒng)對(duì)灰漿泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整，當(dāng)泵轉(zhuǎn)速由1470r/min逐級(jí)降低到720r/min時(shí)，電機(jī)電流相應(yīng)降低。生產(chǎn)中最大轉(zhuǎn)速1400r/min左右時(shí)間只占總數(shù)的10%，轉(zhuǎn)速1200r/min左右時(shí)間約占總數(shù)的40%，轉(zhuǎn)速1300r/min左右時(shí)間約占總數(shù)的35%，轉(zhuǎn)速低于900r/min左右時(shí)間約占總數(shù)的10%，平均節(jié)電率為30.86%。同時(shí)不同轉(zhuǎn)速下振動(dòng)幅值僅為改造前的15%～40%，振動(dòng)降低60%～85%。在某礦業(yè)公司引風(fēng)機(jī)改造中，引風(fēng)系統(tǒng)調(diào)速平穩(wěn)，運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)電效果明顯，達(dá)37%左右，而且對(duì)電網(wǎng)無任何干擾。

5 結(jié)語(yǔ)

第二代永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器與高、低壓變頻器系統(tǒng)一次性投入上相當(dāng)，但其可靠性高、壽命長(zhǎng)、投資回報(bào)快，其經(jīng)濟(jì)收益是通過設(shè)備的無故障正常運(yùn)行時(shí)間和一定時(shí)間內(nèi)的節(jié)能效果來體現(xiàn)。從后期的維護(hù)費(fèi)用、節(jié)能減排來說，第二代永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器較高低壓變頻器有明顯的優(yōu)勢(shì)。

目前國(guó)內(nèi)水泥行業(yè)中，工藝系統(tǒng)風(fēng)機(jī)調(diào)速基本都使用普通變頻調(diào)速，隨著人們對(duì)永磁調(diào)速技術(shù)的認(rèn)可及永磁調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，在目前的節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境要求下，永磁調(diào)速作為一種新型的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，在水泥行業(yè)有著良好的應(yīng)用前景。

［1］王向東,閆華光,高學(xué)田.永磁調(diào)速器在節(jié)能中的應(yīng)用[C].第二屆工業(yè)企業(yè)節(jié)電技術(shù)研討會(huì)論文集.中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì),2007.

［2］劉國(guó)華,王向東,永磁調(diào)速器在電廠灰漿泵系統(tǒng)中的應(yīng)用和節(jié)能分析[J].電力設(shè)備,2008.10.

［3］錢廣華,高海山.永磁調(diào)速器應(yīng)用在鼓風(fēng)機(jī)上的節(jié)能效果分析[J].電氣節(jié)能,2009.11.■