摘 要：電動(dòng)機(jī)作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的動(dòng)力之鑰，在世界范圍內(nèi)具有極其重要的應(yīng)用，而隨著技術(shù)的進(jìn)步以及國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略的推進(jìn)，人們對(duì)電動(dòng)機(jī)的能耗要求越來越高。本文從節(jié)能效果與抗電磁干擾能力、故障率較低以及設(shè)備使用壽命長(zhǎng)等方面分析了永磁渦流柔性傳動(dòng)調(diào)速裝置的優(yōu)勢(shì)，介紹了永磁調(diào)速裝置的工作原理與節(jié)能原理以及永磁渦流柔性傳動(dòng)調(diào)速裝置安裝施工等，討論了永磁耦合器調(diào)速技術(shù)現(xiàn)狀及其在1000MW機(jī)組閉式水系統(tǒng)使用情況。

關(guān)鍵詞： 電動(dòng)機(jī);永磁耦合器;閉式水系統(tǒng);節(jié)能

前言

電機(jī)能耗問題是關(guān)系到當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)過程企業(yè)成本的重要因素之一，目前已經(jīng)投入實(shí)踐的節(jié)能措施較多，例如通過提高電機(jī)效率，減少電能浪費(fèi)，其效果是可觀的。然而對(duì)于大多數(shù)已安裝的恒速電機(jī)來說，在負(fù)載無(wú)需額定出力時(shí)，恒速運(yùn)行電機(jī)依然會(huì)產(chǎn)生大量的能量損耗。所以針對(duì)負(fù)載情況對(duì)電機(jī)進(jìn)行出力調(diào)整，也是對(duì)降低能耗的有效手段，比如變頻調(diào)速在現(xiàn)實(shí)中也具有較為廣泛的應(yīng)用。本文主要針對(duì)一種新型的永磁渦流柔性傳動(dòng)調(diào)速裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理以及節(jié)能優(yōu)勢(shì)等方面進(jìn)行分析。

1 永磁渦流柔性傳動(dòng)調(diào)速裝置優(yōu)勢(shì)

1.1節(jié)能與電磁干擾影響

雖然高效率電機(jī)可提高電能利用率，但效果對(duì)于長(zhǎng)周期使用的電機(jī)而言并非十分顯著。因此，近些年來變頻器的大規(guī)模使用也是朝著調(diào)速的方向來降低電能使用量，同時(shí)一種新的調(diào)速方式也孕育而生，即永磁磁力耦合器調(diào)速。對(duì)比于變頻器調(diào)速，永磁調(diào)速器是經(jīng)過建立在電磁渦流內(nèi)磁場(chǎng)力的效果，利用銅導(dǎo)體和永磁體之間的氣隙以進(jìn)行由電動(dòng)機(jī)到負(fù)載的轉(zhuǎn)矩傳輸，這種傳輸方式的節(jié)能效率約在10%-50%。這種機(jī)械式結(jié)構(gòu)使得其本身調(diào)速性質(zhì)幾乎與電力作用無(wú)關(guān)，對(duì)于因頻率的多層變化而改變轉(zhuǎn)速的變頻器而言，這種方式避免了高次諧波的產(chǎn)生，高次諧波的存在不僅損壞電器電子設(shè)備，干擾通信，形成涌流造成保護(hù)誤動(dòng)作等，其固有頻率還會(huì)與電機(jī)振動(dòng)頻率共振，產(chǎn)生異音;而電力系統(tǒng)每年在消諧環(huán)節(jié)的投入也是價(jià)格不菲，而永磁自耦調(diào)速則不會(huì)對(duì)系統(tǒng)下的其它設(shè)備造成這種干擾，大大提升了設(shè)備可靠性。同時(shí)當(dāng)設(shè)備電源電力質(zhì)量出現(xiàn)問題是，如電壓動(dòng)搖、電力諧波、閃變、跌落、短時(shí)連續(xù)、浪涌等情況發(fā)生時(shí)，這些要素對(duì)電子或電氣調(diào)速安裝常常是致命的，但對(duì)永磁調(diào)速器卻不會(huì)形成任何影響。

1.2故障率低

永磁渦流柔性傳動(dòng)調(diào)速運(yùn)行中基本沒有特殊維護(hù)要求，全年備件更換率非常低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比其他調(diào)速產(chǎn)品（高壓變頻、液力耦合）的故障率和備件更換費(fèi)用少很多，大大減少企業(yè)的維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用，減少因非正常情況下造成停機(jī)損失，為企業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)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(dòng)裝置取代了原來的剛性聯(lián)軸器，這樣負(fù)載側(cè)的振動(dòng)就不會(huì)傳遞到電機(jī)側(cè)，反之依然;因此可以消除剛性聯(lián)軸器對(duì)振動(dòng)帶來的放大效應(yīng)?？扇萑梯^大的安裝對(duì)中誤差，最大偏差可達(dá)1mm，且沒有傳動(dòng)效率的損失。

1.4設(shè)備使用壽命長(zhǎng)

在做好日常維護(hù)和定期保養(yǎng)的情況下，一般可達(dá)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(yuǎn)不及永磁耦合器。

1.5技術(shù)判斷明確

由于沒有機(jī)械剛性聯(lián)結(jié)，查找判斷和隔離故障非常容易。

2 永磁調(diào)速裝置工作原理

永磁調(diào)速裝置工作原理如下圖1所示：

永磁渦流柔性傳動(dòng)調(diào)速裝置主要是由無(wú)機(jī)械連接的永磁盤和導(dǎo)體盤及氣隙調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)組成，導(dǎo)體盤與永磁盤可以獨(dú)立自由旋轉(zhuǎn)，利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行工作。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)體盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)體盤與永磁盤產(chǎn)生切割磁力線的運(yùn)行，進(jìn)而在導(dǎo)體盤中產(chǎn)生渦流，通過此渦流形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及磁場(chǎng)，由此帶動(dòng)相鄰的永磁盤在磁場(chǎng)中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換。在此結(jié)構(gòu)下，可通過調(diào)節(jié)氣隙結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)導(dǎo)體盤和永磁盤間的氣隙大小，由此實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的控制。同時(shí)通過設(shè)備配套的執(zhí)行器調(diào)整轉(zhuǎn)子與導(dǎo)體盤之間的氣息寬度，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動(dòng)速度大小，繼而控制輸出功率，達(dá)到降速節(jié)能的效果。

3 節(jié)能原理

常規(guī)的風(fēng)機(jī)或水泵負(fù)載一般滿足定律：Q1/Q2=n1/n2，即流量的變化與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系;H1/H2=（n1/n2）?，即壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比;T1/T2=（n1/n2）?，即扭矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比。

在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)論是風(fēng)機(jī)的流量還是水泵的流量，在設(shè)計(jì)時(shí)均是依照最大需求量來設(shè)計(jì)的，甚至還高于最大需求量，但是在設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行中，負(fù)載出力并不會(huì)達(dá)到設(shè)計(jì)的最大值，而是根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)變化的，因此需要對(duì)設(shè)備出力加以控制，以滿足實(shí)際需求。根據(jù)：η = （ P2/P1 ）× 100%來算，實(shí)際效率應(yīng)該為η=η（電機(jī)本身效率）×η（負(fù)載效率）×η（控制設(shè)備效率）×η（輸送効率）。在設(shè)備實(shí)際使用中，一般設(shè)備自身功率恒定，由此可見，只能通過改變控制設(shè)備效率從而影響實(shí)際輸出效率，如果采取傳統(tǒng)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(jī)的自身轉(zhuǎn)速不受此影響，電機(jī)輸出功率：P=T*n/K，其中，T表示電機(jī)扭矩，n表示電機(jī)轉(zhuǎn)速，計(jì)算系數(shù)K=9550。當(dāng)電機(jī)扭矩與轉(zhuǎn)速均恒定的情況下，電機(jī)輸出功率將不受任何影響，且調(diào)節(jié)閥門會(huì)造成閥門兩側(cè)壓差擴(kuò)大，會(huì)使得風(fēng)機(jī)或水泵的運(yùn)行點(diǎn)偏離最佳效率點(diǎn)。然而通過加裝永磁耦合調(diào)速器，可以改變轉(zhuǎn)速n，在此數(shù)值降低時(shí)，電機(jī)輸出功率將同時(shí)降低。

4 永磁渦流柔性傳動(dòng)調(diào)速裝置安裝施工

設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝，首先需分離電機(jī)與負(fù)載，按照實(shí)際情況改制電機(jī)底座流出安裝調(diào)速器的空間，底座需要焊接框架和混凝土改建。

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

開始安裝負(fù)載軸端的聯(lián)軸器，完成后安裝調(diào)速裝置主機(jī)，期間必須保證負(fù)載輪轂與調(diào)速裝置中心軸對(duì)齊同一水平線，且其固定螺栓需用專用膠進(jìn)行緊固。調(diào)節(jié)電機(jī)中心與主機(jī)及負(fù)載中心對(duì)齊。接著安裝執(zhí)行器及附件，安裝過程中避免出現(xiàn)附件相互干涉的情況。隨后調(diào)整永磁體之間氣隙間隙及調(diào)整執(zhí)行器動(dòng)作情況。需要注意的是，裝置中相互連接的構(gòu)件需要保證良好的同心度，確認(rèn)無(wú)誤后方可進(jìn)行通電試驗(yàn)，同時(shí)記錄各方向振動(dòng)測(cè)量值，要求小于4.5mm/s，若達(dá)不到要求則需要進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整。

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用

某公司百萬(wàn)機(jī)組采用全廠閉式水系統(tǒng)，提供全部設(shè)備所需冷卻水，機(jī)組設(shè)計(jì)兩臺(tái)流量為3000t/h閉式水泵，電機(jī)額定功率355kV，額定電流27.7A，額定電壓10kV，功率因數(shù)0.781，轉(zhuǎn)速992轉(zhuǎn)/分。

由于該公司閉式水系統(tǒng)設(shè)計(jì)裕度較大，夏季環(huán)境溫度最高時(shí)，系統(tǒng)回水調(diào)節(jié)門開度也只有51%。到冬季時(shí)，系統(tǒng)回水門調(diào)節(jié)們開度僅在20%左右，存在嚴(yán)重的冷卻水量浪費(fèi)問題，同時(shí)運(yùn)行人員頻繁對(duì)閉式水回水門調(diào)節(jié)也增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素。針對(duì)目前情況，該公司對(duì)其中1臺(tái)閉式水泵電機(jī)加裝了永磁渦流柔性傳動(dòng)調(diào)速裝置，用來提高閉式水冷卻效率和降低電機(jī)能耗。電機(jī)在額定電流及額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，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(dòng)調(diào)速裝置，電機(jī)具備調(diào)速功能，可在全年適時(shí)的調(diào)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(shè)備可靠運(yùn)行，也無(wú)需運(yùn)行人員頻繁通過調(diào)節(jié)回水門節(jié)流方式進(jìn)行調(diào)整系統(tǒng)壓力和流量。設(shè)備改造完后成，當(dāng)循環(huán)水溫在30℃時(shí)，電機(jī)電流可維持在19.5A-22A左右運(yùn)行，此時(shí)消耗電功率：。

經(jīng)過半年時(shí)間測(cè)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(jì)算，每年節(jié)約電費(fèi)238162.5元，2年即可收回全部的45萬(wàn)元投資，并且電能耗量下降顯著。

設(shè)備投運(yùn)以來，電機(jī)及泵體等主體結(jié)構(gòu)未發(fā)生過異常溫升與振動(dòng)等問題，裝置本身除潤(rùn)滑油脂補(bǔ)充、衛(wèi)生清掃等日常工作，可基本實(shí)現(xiàn)免維護(hù)。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)該型調(diào)速裝置的優(yōu)化處理，可以顯著提高其運(yùn)行穩(wěn)定性，減少電能的消耗。傳統(tǒng)的電機(jī)調(diào)速功能一般是通過變頻器來實(shí)現(xiàn)，但是變頻器在使用一段時(shí)間后容易因電氣元器件老化而出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，永磁調(diào)速的機(jī)械調(diào)速在實(shí)踐應(yīng)用中具有可靠性好、工作壽命長(zhǎng)以及運(yùn)維工作量小等優(yōu)點(diǎn)，因而更加適用于大容量電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。未來，隨著永磁渦流柔性傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，其在電力系統(tǒng)還將得到更為廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[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(jī)調(diào)速控制[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2020，47（12）：38-42+104.

[3]孫中圣，李新泉，李小寧.永磁渦流調(diào)速器研究與應(yīng)用[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2016，45（03）：1-4.

[4]謝明，宋順一.新型電機(jī)調(diào)速方式——永磁耦合驅(qū)動(dòng)調(diào)速[J].科協(xié)論壇（下半月），2012（10）：50-51.

作者簡(jiǎn)介：

龔宇飛（1996-），男，河南鄭州，專科，助理工程師，火力發(fā)電廠發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。

（大唐三門峽發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 三門峽 472143）