曹 霆，徐國(guó)祥

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繞組式永磁耦合調(diào)速與高壓變頻調(diào)速效率比較

曹 霆，徐國(guó)祥

（國(guó)電江蘇電力有限公司諫壁發(fā)電廠，江蘇鎮(zhèn)江212006）

本文介紹了一種永磁耦合調(diào)速技術(shù)。提供了一種比較計(jì)算變頻調(diào)速和永磁耦合調(diào)速效率的數(shù)學(xué)簡(jiǎn)化模型。按照該模型，很方便地計(jì)算出變頻調(diào)速和永磁耦合調(diào)速的系統(tǒng)效率。以一個(gè)額定功率為1000 kW的風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載傳動(dòng)系統(tǒng)為例，得出了在10%~100%轉(zhuǎn)速下，永磁耦合調(diào)速效率高于變頻調(diào)速的結(jié)論。

繞組式永磁耦合調(diào)速 高壓變頻調(diào)速 效率

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的不斷深化，節(jié)能減排具有越來(lái)越重要的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益，甚至具有重要的政治意義。我國(guó)總發(fā)電量中，50%左右是消耗在風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載上[1]。風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載最節(jié)能的運(yùn)行方式是調(diào)速運(yùn)行。目前最常見的調(diào)速技術(shù)是變頻和液偶。兩者相比較，液偶的可靠性比較高，而且不存在諧波污染；變頻器的效率高。

近兩年國(guó)內(nèi)出現(xiàn)一種永磁耦合調(diào)速技術(shù)，它具有諧波污染少、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，而效率遠(yuǎn)比液偶高。根據(jù)用戶使用情況來(lái)看，有些工況下其節(jié)電率甚至比變頻器還要高。由于永磁耦合調(diào)速技術(shù)應(yīng)用還不是很廣泛，因此有必要將它與高壓變頻調(diào)速作理論上的分析，從而指導(dǎo)用戶的選擇應(yīng)用。

1 繞組式永磁調(diào)速技術(shù)介紹

按照繞組式永磁耦合調(diào)速結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。軸一為原動(dòng)軸，永磁體固定在原動(dòng)軸上，隨原動(dòng)機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。軸二為負(fù)載軸，繞組固定在負(fù)載軸上，負(fù)載軸與原動(dòng)軸之間有氣隙。負(fù)載軸上裝設(shè)有集電環(huán)，用于導(dǎo)出繞組上的轉(zhuǎn)差功率（表現(xiàn)為電壓和電流）。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，裝在原動(dòng)軸上的永磁體隨原動(dòng)軸一起旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，切割負(fù)載軸上的繞組，在繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。若繞組是一個(gè)閉合的回路，則在閉合的繞組回路內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流和原動(dòng)軸上的永磁磁場(chǎng)相互作用，驅(qū)動(dòng)負(fù)載軸轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)集電環(huán)與控制器相連，控制器調(diào)節(jié)繞組內(nèi)感應(yīng)電流的大小，從而改變扭矩的大小，實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。轉(zhuǎn)差功率通過(guò)變流回饋到電網(wǎng)，達(dá)到更加節(jié)能的目的。

2 效率計(jì)算數(shù)學(xué)模型

2.1變頻器效率計(jì)算模型

1-永磁體，2-軸一，3-外殼，4-繞組轉(zhuǎn)子鐵芯，5-繞組，6-電刷，7-集電環(huán)，8-軸二，9-氣隙

假定高壓變頻器（含變壓器）的總損耗為不變損耗和可變損耗之和，額定情況下，不變損耗占40%，可變損耗占60%[2]。為了確定變頻器的額定效率值，可以參考高壓變頻器標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品作為依據(jù)。對(duì)于額定功率1000 kW（額定容量在1200kVA左右）的高壓變頻器，額定效率為96%，則輸入功率為:

總損耗為：

額定不變損耗和額定可變損耗分別為：

此外，高壓變頻器通常都要求空調(diào)房。假設(shè)采用40匹的工業(yè)空調(diào)，相當(dāng)于不變損耗增加29.4 kW。修正后的不變損耗為：

假設(shè)在任意負(fù)載下，不變損耗保持不變，而可變損耗與輸出功率標(biāo)幺值的平方成正比。即輸出功率為P，可變損耗為：

其中P為功率基準(zhǔn)值，取額定值1000 kW。

2.2電機(jī)效率計(jì)算模型

假設(shè)電機(jī)的總損耗為銅耗和鐵耗之和（其它損耗都合并到這兩種損耗中），額定情況下，鐵耗占40%，銅耗占60%。以標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品為依據(jù)，YKK5601-4,額定功率1000 kW，額定效率為95.1%。則額定輸入功率為：

總損耗為：

額定不變損耗和額定可變損耗分別為：

在任意負(fù)載下，鐵耗與頻率的1.3次方成正比，銅耗與電流的平方成正比[3-4]。由于兩種調(diào)速方式下，電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理不一樣，損耗的計(jì)算也不一樣。對(duì)于永磁耦合調(diào)速，電機(jī)速度恒定，鐵耗不變。而電流大致與輸出功率成正比，因此銅耗與輸出功率標(biāo)幺值的平方成正比。即在任意工況下，輸出功率為，銅耗為：

而對(duì)于變頻調(diào)速來(lái)說(shuō)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速是變化的，頻率正比于轉(zhuǎn)速，則鐵耗正比于轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值的1.3次方。此時(shí)電流不再與輸出功率成正比，而是與轉(zhuǎn)矩成正比。因此銅耗與輸出轉(zhuǎn)矩標(biāo)幺值的平方成正比。轉(zhuǎn)矩標(biāo)幺值為輸出功率標(biāo)幺值除以轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值。即在任意工況下，輸出功率為，銅耗：

2.3繞組式永磁耦合調(diào)速器效率計(jì)算模型

參考明騰公司TYPKK5004-4永磁電機(jī)，額定功率1000 kW，額定效率為96.4%。假定銅耗與鐵耗分別占60%和40%。額定輸入功率：

額定總損耗, 額定鐵耗, 額定銅耗分別為：

銅耗的計(jì)算要以電磁功率為基準(zhǔn)。作為一種轉(zhuǎn)差調(diào)速，輸出機(jī)械功率P、電磁功率PEM以及轉(zhuǎn)差功率PS之間的關(guān)系如下[5]：

因此任意工況下，銅耗為：

必須注意到，永磁耦合調(diào)速器的頻率是和轉(zhuǎn)差成正比。因此鐵耗為：

轉(zhuǎn)差功率回饋到電網(wǎng)的損耗計(jì)算是比較復(fù)雜的，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)特殊的低壓變頻器。但是對(duì)整個(gè)效率計(jì)算影響并不大。因?yàn)閷?duì)于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載，總的轉(zhuǎn)差功率最多僅僅占額定容量的14.81%。初略計(jì)算，按照轉(zhuǎn)差功率的10%外加風(fēng)機(jī)功耗1.1 kW，應(yīng)該來(lái)說(shuō)是比較客觀的。即：

3 損耗和效率計(jì)算

下面按照上述模型來(lái)計(jì)算一個(gè)典型的傳動(dòng)系統(tǒng)總效率。額定功率1000 kW，負(fù)載為風(fēng)機(jī)、泵類，即功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。采用永磁耦合調(diào)速時(shí)，功率的流向是電機(jī)→永磁耦合調(diào)速器→負(fù)載。其損耗和效率計(jì)算是反向的：在一定的轉(zhuǎn)速下，得到負(fù)載的軸功率，依次計(jì)算永磁耦合調(diào)速器輸出功率（等于負(fù)載軸功率）、永磁耦合調(diào)速器輸入功率（永磁耦合調(diào)速器的輸出功率+鐵耗+銅耗+轉(zhuǎn)差功率）、電機(jī)輸出功率（等于耦合調(diào)速器輸入功率）、電機(jī)輸入功率（等于電機(jī)輸出功率+銅耗+鐵耗）。由于各種損耗和轉(zhuǎn)差功率已經(jīng)建立起它們與輸出功率和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系式，因此可以計(jì)算出總的效率：負(fù)載軸功率/（電機(jī)輸入功率-轉(zhuǎn)差功率+轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)換時(shí)的損耗）。具體計(jì)算見表1。

采用變頻調(diào)速時(shí)，功率的流向是變頻器→電機(jī)→負(fù)載。其損耗和效率計(jì)算也是反向的：在一定的轉(zhuǎn)速下，計(jì)算負(fù)載的軸功率，依次計(jì)算電機(jī)輸出功率（等于負(fù)載軸功率）、電機(jī)輸入功率（電機(jī)輸出功率+鐵耗+銅耗）、變頻器輸出功率（等于電機(jī)的輸入功率）、變頻器輸入功率（等于變頻器的輸出功率+不變損耗+可變損耗）。由于各種損耗已經(jīng)建立起它們與輸出功率和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系式，因此可以計(jì)算出總的效率：負(fù)載軸功率/變頻器的輸入功率。具體計(jì)算見表2。

4 結(jié)論

本文提供了一種比較計(jì)算變頻調(diào)速和永磁耦合調(diào)速效率的數(shù)學(xué)簡(jiǎn)化模型。關(guān)于電機(jī)和永磁耦合調(diào)速器，主要包含鐵耗和銅耗，分別與頻率和電流的平方成正比；變頻器則包含不變損耗和可變損耗，前者是恒定值，后者與輸出功率的平方成正比。按照該模型，很方便地計(jì)算出變頻調(diào)速和永磁耦合調(diào)速的系統(tǒng)效率。以一個(gè)額定功率為1000 kW的風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載傳動(dòng)系統(tǒng)為例，得到的計(jì)算結(jié)果是在10%～100%轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，永磁耦合調(diào)速效率均高于變頻調(diào)速。

[1] 張瑞．烏海熱電廠升壓泵永磁調(diào)速改造及應(yīng)用[D]．華北電力大學(xué), 2013．

[2] 王愛元．變頻器供電的感應(yīng)電機(jī)節(jié)能控制若干技術(shù)的研究[D]．華東理工大學(xué), 2010．

[3] 趙海森，張冬冬，王義龍等．變頻供電條件下感應(yīng)電機(jī)空載鐵耗分布特點(diǎn)及其精細(xì)化分析[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2016, 36（8）:2260-2269．

[4] Bertotti G．General properties of power losses in soft ferromagnetic materials[J]．IEEE Transactions on Magnetics, 1988, 24(1)：621-630．

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Efficiency Analysis of Winding Permanent-magnet Coupling VSD Compared with High-voltage VFD

Cao Ting, Xu Guoxiang

(GuoDian Jianbi Power Plant, Zhenjiang 212006, Jiangsu, China)

TM 461

A

1003-4862（2017）11-0022-03

2017-10-15

曹霆（1979-），男，工程師。研究方向：電廠設(shè)備管理。