永磁調(diào)速技術(shù)應(yīng)用探討

董立城

[摘? ? 要]永磁式調(diào)速是目前廣泛應(yīng)用于各種風(fēng)機(jī)、水泵進(jìn)行負(fù)載調(diào)速的新型技術(shù)。其既具有可靠、節(jié)省能源、又無剛度聯(lián)接傳輸扭矩、極大地減小系統(tǒng)的振動(dòng)、延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命等特殊功能。文章主要介紹了永磁調(diào)速的工作原理，闡述了永磁調(diào)速工作在實(shí)際應(yīng)用中存在的關(guān)鍵問題，分析了永磁調(diào)速和變頻調(diào)速兩種電力系統(tǒng)的技術(shù)特征，據(jù)此提出了大功率電力永磁調(diào)速技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用建議。

[關(guān)鍵詞]變頻器;永磁調(diào)速;探討

[中圖分類號(hào)]TM621.3 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）09–0–02

[Abstract]Permanent magnet speed regulation is a new technology that is widely used in various fans and pumps for load speed regulation. They have special functions such as reliability， energy saving， torque transmission without rigid connection， greatly reducing system vibration， and shortening the service life of equipment. Mainly introduces the working principle of permanent magnet speed control， and expounds the key problems existing in the practical application of permanent magnet speed control. The technical characteristics of the two power systems， permanent magnet speed regulation and variable frequency speed regulation， are analyzed， and the application suggestions of high-power electric permanent magnet speed regulation technology in industry are put forward accordingly.

[Keywords]frequency converter; permanent magnet speed regulation; discussion

1 永磁調(diào)速原理及組成

1.1 永磁調(diào)速原理

根據(jù)楞次定律，當(dāng)一個(gè)極性磁鐵將電棒N極垂直地移動(dòng)接近指向?qū)w板時(shí)，在這個(gè)指向?qū)w板上就通常會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生1個(gè)指向N極的導(dǎo)電磁場(chǎng)，它用來自動(dòng)抵御磁棒指向N極的強(qiáng)烈接近，該具有阻擋性的磁場(chǎng)抵抗二極磁場(chǎng)通常是由指向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向的一個(gè)旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁電流驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生。同理，如圖1（b）所示，當(dāng)一個(gè)電性磁鐵桿在棒N極沿著平行于方向?qū)w的模板上方方向移動(dòng)時(shí)，在這個(gè)方向?qū)w板上就可能會(huì)同時(shí)產(chǎn)生2個(gè)方向抵抗磁性鋼鐵棒通過N極上與前進(jìn)方向不同的S極方向磁場(chǎng)相反的2個(gè)方向磁場(chǎng)，在一個(gè)抵抗磁鐵棒通過N極的前方就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)N極方向磁場(chǎng)、后方則可能會(huì)同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)S極方向磁場(chǎng)，以利于抵抗一個(gè)新的磁鐵棒沿著N極方向前進(jìn)。并且在每當(dāng)一塊磁場(chǎng)和鐵棒越近的靠近一個(gè)導(dǎo)體板，其正向阻力和相對(duì)應(yīng)的能量所承受的磁場(chǎng)和鐵棒的反向運(yùn)動(dòng)力就越大。如圖1所示。

永磁技術(shù)即是由楞次定律引申而來，如圖2所示。

（1）當(dāng)磁力線穿透到銅導(dǎo)體上時(shí)，在靜止情況下就不會(huì)產(chǎn)生任何電動(dòng)效應(yīng)。

（2）磁力鐵棒與銅導(dǎo)體板之間曲線具有相對(duì)的橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁力曲線沿著在導(dǎo)體板其中的轉(zhuǎn)軸方向進(jìn)行移動(dòng)將可以產(chǎn)生相對(duì)一定量的縱向感應(yīng)性旋渦電流，進(jìn)而可以使得磁鐵銅導(dǎo)體上的縱向磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定的橫向感應(yīng)扭距。

（3）當(dāng)二者相鄰點(diǎn)越接近時(shí)，磁力線的密度就越為緊湊，扭距也就越大。

（4）當(dāng)二者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度越快時(shí)，二者的感應(yīng)電子發(fā)射的同極性磁場(chǎng)就越強(qiáng)，所以產(chǎn)生的扭距也就越大。

1.2 永磁調(diào)速器的基本組件結(jié)構(gòu)

永磁電機(jī)調(diào)速器主要由永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子、銅主發(fā)電動(dòng)機(jī)專用轉(zhuǎn)子和永磁控制器三大部分部件共同組成，其中永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子一般都是固定在主發(fā)電動(dòng)機(jī)的永磁負(fù)載驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸上，導(dǎo)體式銅電動(dòng)機(jī)永磁轉(zhuǎn)子一般都是固定安裝在可以驅(qū)動(dòng)主發(fā)電機(jī)的永磁負(fù)載驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸上。永磁合金轉(zhuǎn)子和其他導(dǎo)體的傳動(dòng)轉(zhuǎn)子都一樣能夠直接實(shí)現(xiàn)一種可自由獨(dú)立的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)一個(gè)傳動(dòng)導(dǎo)體的永磁轉(zhuǎn)子能夠發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)體的傳動(dòng)轉(zhuǎn)子與永磁合金傳動(dòng)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子之間也就會(huì)直接產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，交變后的磁場(chǎng)經(jīng)過一個(gè)空氣隙縫之后會(huì)在這個(gè)導(dǎo)體的永磁轉(zhuǎn)子上直接產(chǎn)生交變渦流，同時(shí)產(chǎn)生交互相變渦場(chǎng)的流會(huì)運(yùn)動(dòng)使能夠產(chǎn)生交變感應(yīng)力的磁場(chǎng)與產(chǎn)生永磁場(chǎng)相互作用，從而可以使得永磁合金傳動(dòng)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子沿著與普通的純銅合金傳動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子相同的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行相對(duì)旋轉(zhuǎn)，結(jié)果就是在純銅傳動(dòng)永磁負(fù)載側(cè)的永磁輸出扭矩軸上突然產(chǎn)生了反向扭矩，從而由其帶動(dòng)的永磁負(fù)載則能夠進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)式相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)傳感器在檢測(cè)一個(gè)負(fù)載裝置的出口壓力、流量或其他控制信號(hào)發(fā)生了變化之后，輸入數(shù)據(jù)送到PLC現(xiàn)場(chǎng)控制器或DCS系統(tǒng)，經(jīng)過計(jì)算和處理后，輸出調(diào)整信號(hào)至自動(dòng)調(diào)速器上的氣隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，執(zhí)行器通過控制永磁藕合器的空氣和轉(zhuǎn)隙從而調(diào)整負(fù)載的轉(zhuǎn)速，改變了負(fù)載的出口和流量，傳感器在檢測(cè)時(shí)得到了反饋信號(hào)后再次在PLC或DCS中輸入一個(gè)控制信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，輸出一個(gè)控制信號(hào)，直到負(fù)載輸出口的真正測(cè)量信號(hào)能夠達(dá)到所需的控制值。

2 變頻調(diào)速與永磁調(diào)速比較

2.1 對(duì)振動(dòng)噪聲的影響

（1）變頻調(diào)速。需要對(duì)電動(dòng)機(jī)、水泵進(jìn)行精密的軸校準(zhǔn)，減小電機(jī)與負(fù)載間的振動(dòng)傳遞。電機(jī)、水泵兩個(gè)軸承的中心速度軸向傳動(dòng)誤差至少應(yīng)該不得大于幾個(gè)微米，角度軸向誤差也至少應(yīng)該不得大于幾秒，否則電機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)在內(nèi)部安裝好后，會(huì)由于兩個(gè)軸不相同的中心，而且有可能直接引起劇烈的機(jī)械振動(dòng)和聲音噪聲，并且還會(huì)有可能直接造成電機(jī)軸承、油封等重要零部件的較大加速度和磨損，增加后期維護(hù)保養(yǎng)和日常維護(hù)的必要費(fèi)用。

（2）永磁式調(diào)速。磁力耦合器已經(jīng)替代了一種常規(guī)剛性的聯(lián)軸器，使得電機(jī)與驅(qū)動(dòng)負(fù)載之間無機(jī)械連接，兩側(cè)振蕩不會(huì)發(fā)生相互傳導(dǎo)。工程證明，采用永磁調(diào)速裝置后，可降低振動(dòng)80%左右。

2.2 對(duì)電力諧波和功率因數(shù)的影響

（1）諧波的主要危害。諧波可直接引起較大電流信號(hào)波形發(fā)生畸變、引發(fā)繼電保護(hù)和自動(dòng)化裝置的誤動(dòng)、增大功率的損耗、影響通信控制系統(tǒng)正常工作運(yùn)行、損壞各種重要用電設(shè)備和危害人體健康。

（2）變頻調(diào)速。目前工程應(yīng)用技術(shù)最多的多電平變頻器輸出諧波較小，這些沒有被吸收掉的諧波會(huì)造成附近設(shè)備受干擾、電氣設(shè)備的誤動(dòng)，同時(shí)因軸電壓升高，增大了機(jī)械設(shè)備故障的可能性。

（3）永磁調(diào)速。電動(dòng)機(jī)與負(fù)載間通過氣隙傳遞能量，無剛性連接，因此在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中不會(huì)產(chǎn)生諧波。

2.3 輸出電壓要求

（1）變頻調(diào)速。變頻調(diào)速裝置的輸出電壓是直接加在電機(jī)負(fù)載上的，因此對(duì)輸出電壓不平衡度、輸出電壓變化率等均有相關(guān)限制條件，對(duì)變頻調(diào)速的設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品質(zhì)量等諸多方面提出了更多要求，從而降低了變頻調(diào)速設(shè)備的可靠性。

（2）永磁調(diào)速。永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置技術(shù)是一種以采用高性能、低成本設(shè)計(jì)為技術(shù)基礎(chǔ)的純機(jī)械設(shè)備，它主要是一種采用輸出負(fù)載滑差式永磁電機(jī)調(diào)速裝置技術(shù)，透過電機(jī)空氣隙控制來自動(dòng)傳遞電機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，不過還需要考慮存在永磁電機(jī)調(diào)速時(shí)該裝置所需要產(chǎn)生的相對(duì)輸出負(fù)載電壓和輸入負(fù)載的滑差影響。

2.4 對(duì)電機(jī)啟動(dòng)要求

（1）變頻調(diào)速。變頻器是在整個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間中處于較高的轉(zhuǎn)速，此時(shí)過程中負(fù)載始終被加載，電動(dòng)機(jī)易發(fā)熱，縮短使用壽命。

（2）永磁調(diào)速。在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，將氣隙的調(diào)節(jié)幅度控制到最小，實(shí)現(xiàn)了空載的啟動(dòng)，降低了啟動(dòng)的電流與運(yùn)行時(shí)間，當(dāng)電動(dòng)機(jī)能夠達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，通過氣隙的調(diào)整來讓負(fù)載平滑地啟動(dòng)。

2.5 對(duì)環(huán)境要求

（1）變頻調(diào)速。目前國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速應(yīng)用較多的屬電壓源型，此類變頻器內(nèi)部應(yīng)用較多的電力電子裝置，對(duì)環(huán)境的要求非常嚴(yán)格。一般要求如下：①環(huán)境溫度：-10 ～40 ℃;②環(huán)境濕度：20%～90%，不結(jié)露;③海拔：1000 m以下;④使用場(chǎng)所：室內(nèi)、無塵埃、無爆炸性或腐蝕性氣體、不受日光直曬。

在實(shí)際工程中，需將高壓變頻調(diào)速裝置安裝于密閉的獨(dú)立房間內(nèi)，根據(jù)變頻裝置的發(fā)熱量考慮加裝空調(diào)來保證其可靠運(yùn)行的環(huán)境，對(duì)于周圍灰塵多環(huán)境惡劣的情況，變頻裝置房間內(nèi)還需考慮正壓因素，以減小灰塵對(duì)裝置內(nèi)部電氣元器件的損壞。

（2）永磁調(diào)速。一般可以在-40 ～100 ℃的溫度及0～100%相對(duì)濕度的環(huán)境中工作，能適應(yīng)高溫、低溫、高粉塵、濕度大、空間狹小等惡劣環(huán)境。

2.6 使用壽命

（1）變頻調(diào)速。高壓變頻調(diào)速裝置由IGBT及復(fù)雜的控制單元組成，電子元件數(shù)量多，可靠性相對(duì)較低，平均無故障的工作時(shí)間一般為8a。電廠維護(hù)人員在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)的快速診斷較為困難。

（2）永磁調(diào)速。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組裝容易、性能可靠，并且能夠同時(shí)承受各種惡劣環(huán)境，平均無故障的工作壽命可以長(zhǎng)達(dá)25～30 a。因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在故障查找時(shí)相對(duì)容易。

2.7 投資

永磁調(diào)速目前初投資大約是變頻調(diào)速的1.5～2倍，如果按電廠的全生命周期30 a進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，由于永磁調(diào)速的生命周期基本與電廠生命周期相同，而變頻調(diào)速的生命周期最多為10 a，因此，采用永磁調(diào)速經(jīng)濟(jì)上是合適的。

3 結(jié)束語

永磁調(diào)速技術(shù)是一種適合大功率高壓電機(jī)的技術(shù)，從其理論、技術(shù)、效益等各個(gè)方面考慮實(shí)際上都是可行的，設(shè)備安全可靠性高，使用壽命長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境要求低，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 永磁調(diào)速器—通用技術(shù)規(guī)范：GB/T38774—2020[S].

[2] 永磁聯(lián)軸器通用技術(shù)規(guī)范：GB/T38763—2020[S].