曾慶峰（中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院）

永磁線圈調(diào)速與永磁渦流調(diào)速技術(shù)性能對(duì)比

曾慶峰（中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院）

永磁調(diào)速是近年來電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中發(fā)展起來的突破性新技術(shù)，調(diào)速措施對(duì)提高機(jī)泵運(yùn)行效率、降低電耗具有重要意義。介紹了永磁渦流調(diào)速技術(shù)與永磁線圈調(diào)速技術(shù)的原理、特點(diǎn)、應(yīng)用效果，分析了永磁渦流調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、實(shí)際應(yīng)用中存在的不足以及永磁線圈調(diào)速技術(shù)升級(jí)改進(jìn)，并對(duì)比分析了兩種永磁調(diào)速技術(shù)的主要性能，旨在增進(jìn)對(duì)新技術(shù)的認(rèn)識(shí)，為企業(yè)選擇相關(guān)技術(shù)提供參考。

永磁渦流調(diào)速技術(shù)；永磁線圈調(diào)速技術(shù)；溫升

引言

離心式負(fù)載是石油石化行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的負(fù)載類型，例如循環(huán)水泵、引風(fēng)機(jī)等，是電能消耗的重點(diǎn)設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煉油廠離心機(jī)泵電耗為全廠耗電的55%[1]。大部分離心式機(jī)泵額定參數(shù)大于實(shí)際需求，且常年處于恒速運(yùn)行狀態(tài)，早期通常都是以閥門或風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)所需流量與壓力，節(jié)流損失大，效率低。根據(jù)離心泵的比例定律[2]可知，流量與轉(zhuǎn)速成正比，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比；因此，為提高機(jī)泵運(yùn)行效率、降低電耗，采取調(diào)速措施具有重要意義。目前，機(jī)泵調(diào)速主要有變頻調(diào)速、液力耦合調(diào)速、永磁調(diào)速三種方式。永磁調(diào)速是近年來電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中發(fā)展起來的突破性新技術(shù)，克服了變頻調(diào)速易產(chǎn)生諧波干擾等先天不足，具有運(yùn)行可靠、機(jī)械磨損少等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行和節(jié)能降耗具有積極促進(jìn)意義[3]。

目前，永磁調(diào)速技術(shù)主要有永磁渦流調(diào)速和永磁線圈調(diào)速兩類。永磁渦流調(diào)速技術(shù)在國(guó)內(nèi)石油石化、電力等行業(yè)得到了推廣應(yīng)用，取得了較好的效果；但由于轉(zhuǎn)差功率消耗在導(dǎo)體上，存在損耗功率使導(dǎo)體發(fā)熱導(dǎo)致調(diào)速器溫度升高等問題，需通過水冷或油冷等冷卻措施降溫。山東某企業(yè)開發(fā)的永磁線圈調(diào)速技術(shù)徹底解決了永磁渦流調(diào)速技術(shù)“溫升”問題，不但具有永磁渦流調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有重載啟動(dòng)，大范圍調(diào)速、效率高、恒扭矩傳動(dòng)等功能，擴(kuò)展了永磁調(diào)速技術(shù)應(yīng)用范圍。

1 永磁渦流調(diào)速技術(shù)

永磁渦流調(diào)速器主要由安裝在電動(dòng)機(jī)軸上的導(dǎo)體轉(zhuǎn)子、負(fù)載軸上的永磁轉(zhuǎn)子及控制器三部分組成。其中，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和磁轉(zhuǎn)子可以自由地獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，控制器是指調(diào)整磁盤與銅盤之間氣隙的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（圖1）。

圖1 永磁渦流調(diào)速器結(jié)構(gòu)示意

永磁調(diào)速基本原理遵循楞次定律。當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，永磁轉(zhuǎn)子與其產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，交變磁場(chǎng)通過氣隙在導(dǎo)體轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生渦流，渦流又在其上產(chǎn)生反感應(yīng)磁場(chǎng)。永磁渦流調(diào)速技術(shù)原理是通過渦流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)與永磁場(chǎng)的相互作用，帶動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子沿著與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子相同的方向旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而在負(fù)載側(cè)輸出軸上產(chǎn)生扭矩，帶動(dòng)負(fù)載做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)與負(fù)載之間的無接觸轉(zhuǎn)矩傳輸[4]。這種轉(zhuǎn)矩傳輸運(yùn)動(dòng)是不同步的，即與負(fù)載相連的永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)小于與電動(dòng)機(jī)軸相聯(lián)的導(dǎo)體轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速差稱為滑差。

永磁渦流調(diào)速技術(shù)與變頻調(diào)速相比，節(jié)能效果基本相當(dāng)（大于80%轉(zhuǎn)速時(shí)，效率最高；低速運(yùn)行時(shí)，節(jié)能效果比變頻器差）；由于永磁渦流調(diào)速技術(shù)的無機(jī)械連接、磁場(chǎng)傳遞扭矩的工作原理，具有無諧波干擾、維護(hù)運(yùn)行成本低、性能可靠、使用壽命長(zhǎng)、系統(tǒng)減震效果好、占用空間小、電動(dòng)機(jī)-泵對(duì)準(zhǔn)精度要求低、安裝容易且安裝施工費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)。

1）運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，故障率低。永磁渦流調(diào)速裝置運(yùn)行中基本沒有特殊維護(hù)要求，備件更換率非常低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比同類調(diào)速產(chǎn)品（液力耦合器、變頻器）的故障率低、備件更換費(fèi)用少，可減少企業(yè)的維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用和非計(jì)劃停機(jī)損失。

2）解決了風(fēng)機(jī)振動(dòng)等造成的相關(guān)問題，大大降低了系統(tǒng)故障率。因?yàn)闄C(jī)械安裝要求，傳統(tǒng)的傳動(dòng)或調(diào)速裝置必須對(duì)電動(dòng)機(jī)和水泵進(jìn)行精密軸對(duì)中校準(zhǔn)，否則系統(tǒng)安裝后，易因軸不同心引起強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)和噪音，并會(huì)造成軸承、油封等部件的加速磨損，增加維修成本。永磁渦流調(diào)速裝置通過氣隙傳遞扭矩，可有效隔離80%振動(dòng)，延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)和負(fù)載壽命，可容忍較大的安裝對(duì)中誤差，最大偏差可達(dá)5 mm左右。

3）永磁渦流調(diào)速裝置對(duì)電網(wǎng)沒有諧波干擾，不損傷電動(dòng)機(jī)，不影響電網(wǎng)功率因數(shù)。

4）可空載啟動(dòng)或軟啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流小、時(shí)間短，對(duì)電網(wǎng)無沖擊。

5）可靠性高，使用壽命長(zhǎng)，主體部件設(shè)計(jì)壽命達(dá)20年。

目前，永磁渦流調(diào)速技術(shù)已經(jīng)在上海石化、燕山石化、鎮(zhèn)海煉化、大慶煉化、廣西石化等40多個(gè)煉化企業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用，取得了較好的節(jié)能效果。例如，上海石化烯烴部2號(hào)乙烯裝置裂解爐風(fēng)機(jī)采用永磁調(diào)速技術(shù)改造后，運(yùn)行平穩(wěn)，節(jié)能率31%。

由于轉(zhuǎn)差功率消耗在導(dǎo)體上，永磁渦流調(diào)速裝置存在損耗功率使導(dǎo)體發(fā)熱導(dǎo)致調(diào)速器溫度升高等問題，需通過水冷或油冷等冷卻措施降溫；不適合重載啟動(dòng)，速差大時(shí)損耗大,傳遞扭矩小。

2 永磁線圈調(diào)速技術(shù)

永磁線圈調(diào)速裝置由永磁轉(zhuǎn)子、線圈轉(zhuǎn)子及控制器三部分組成。

永磁線圈調(diào)速與永磁渦流調(diào)速技術(shù)原理相似，均為滑差調(diào)速。其中，線圈轉(zhuǎn)子相當(dāng)于永磁渦流調(diào)速裝置中的導(dǎo)體轉(zhuǎn)子。通過接通（斷開）線圈，形成電流回路，使線圈中電流產(chǎn)生（不產(chǎn)生）的電磁場(chǎng)與原永磁場(chǎng)相互作用傳遞扭矩，則離合器合（離合器離）；通過控制線圈中電流大小，控制傳遞扭矩大小，達(dá)到調(diào)速目的；線圈中產(chǎn)生轉(zhuǎn)差功率可引出反饋回供電端，達(dá)到節(jié)電效果，并保證線圈溫升始終處于電動(dòng)機(jī)正常工作的溫升范圍。對(duì)短時(shí)間軟啟動(dòng)調(diào)速或小功率的傳動(dòng)，用戶不需節(jié)電，可將引出的轉(zhuǎn)差功率消耗在控制柜內(nèi)電阻上。

永磁線圈調(diào)速技術(shù)解決了渦流永磁調(diào)速技術(shù)瓶頸“溫升”難題，還將永磁渦流調(diào)速技術(shù)中原本發(fā)熱的渦流能量轉(zhuǎn)變成電能回饋供電端，更加節(jié)電（比變頻器節(jié)電3%左右），無需水冷、油冷等附加冷卻裝置，無需間隙調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

表1 主要調(diào)速技術(shù)性能對(duì)比

◇重載啟動(dòng)功能強(qiáng)大，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)200%以上；

◇無溫升，綜合節(jié)電性能高，比變頻器高2%～4%；

◇對(duì)電網(wǎng)無諧波污染（轉(zhuǎn)差功率不反饋時(shí)），或者諧波污染小、沖擊?。ㄞD(zhuǎn)差功率反饋時(shí)）。

永磁線圈調(diào)速、永磁渦流調(diào)速、變頻調(diào)速及液力耦合技術(shù)性能對(duì)比見表1。

目前，永磁線圈調(diào)速技術(shù)已經(jīng)在電力、煤炭、鋼鐵、石化等行業(yè)進(jìn)行應(yīng)用，取得了顯著的節(jié)能效果，同時(shí)促進(jìn)了生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行。例如，某煤炭企業(yè)額定功率2500 kW的除塵風(fēng)機(jī)采用永磁線圈調(diào)速器取代液力耦合器后，整體系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，運(yùn)行平穩(wěn)，年節(jié)電600×104kWh，節(jié)電率約29%；某石化企業(yè)循環(huán)泵采用永磁線圈調(diào)速技術(shù)進(jìn)行改造，省去了永磁渦流調(diào)速技術(shù)所需采用的水冷系統(tǒng)，運(yùn)行平穩(wěn)，節(jié)電率約30%。

3 總結(jié)

近年來，永磁渦流調(diào)速技術(shù)在國(guó)內(nèi)進(jìn)行了推廣應(yīng)用，在節(jié)能增效、促進(jìn)設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行等方面取得了顯著效果，但由于轉(zhuǎn)差功率消耗在導(dǎo)體上，存在損耗功率使導(dǎo)體發(fā)熱導(dǎo)致調(diào)速器溫度升高等問題。永磁線圈調(diào)速器與永磁渦流調(diào)速器技術(shù)原理相似，是其升級(jí)換代技術(shù)，具有后者技術(shù)優(yōu)勢(shì)；同時(shí)解決了“溫升”瓶頸，簡(jiǎn)化了運(yùn)行系統(tǒng)，還可將原本發(fā)熱的渦流能量轉(zhuǎn)變成電能回饋供電端，具有更好的節(jié)電效果，在石油石化行業(yè)具有良好的應(yīng)用前景。

[1]李貴賢，范宗良，毛麗萍.化工節(jié)能技術(shù)問答[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：116．

[2]薛敦松.石油化工廠設(shè)備檢修手冊(cè)（泵）[M].北京：中國(guó)石化出版社，2007：16．

[3]趙曉坤，戴鑫，段洪濤，等.永磁調(diào)速技術(shù)在火力發(fā)電廠電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用與研究[J].內(nèi)蒙古石油化工，2011（23）：112-113．

[4]王洪濱，劉文華，杜江，等.永磁調(diào)速節(jié)能技術(shù)在大功率循環(huán)水泵上的應(yīng)用[J].節(jié)能技術(shù)，2014，32（2）：178-180．

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.06.006

2017-02-20
（編輯 張興平）

曾慶峰，工程師，2010年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京），從事石油石化節(jié)能節(jié)水技術(shù)研究工作，E-mail：zengqingfeng@petrochina. com.cn，地址：北京市海淀區(qū)志新西路3號(hào)，100083。