論永磁傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

唐 楠

（杭州科晟能源技術(shù)有限公司 浙江·杭州 311300）

1 永磁傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

1.1 系統(tǒng)的可靠性

永磁傳動(dòng)裝置，性能穩(wěn)定，對(duì)供電電源沒(méi)有任何要求，且使用中不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生高次諧波污染，因裝置本身不耗電，所以不存在電磁干擾問(wèn)題。相對(duì)高壓變頻器：盡管變頻器目前技術(shù)比較過(guò)關(guān)，但是作為一個(gè)高度復(fù)雜的電子設(shè)備而言，其運(yùn)行中故障的不可預(yù)見(jiàn)性、不確定性還是有目共睹的。首先對(duì)環(huán)境的要求十分苛刻，專用房間要密封、防塵，夏季要有空調(diào)來(lái)保持設(shè)備正常運(yùn)行所要求的溫度，輔助設(shè)施投入較大。其次對(duì)供電電源有一定的要求，電子設(shè)備易受電磁干擾造成變頻器設(shè)備運(yùn)行的不可靠。同時(shí)在變頻器運(yùn)行時(shí)，對(duì)電源系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生高次諧波污染，破壞電網(wǎng)的質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)甚至影響電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，需要用戶采用其他設(shè)備（濾波器）來(lái)消除。

1.2 長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性

永磁傳動(dòng)裝置：具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不受使用環(huán)境的干擾和影響，運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)。由于采用磁力耦合器時(shí)，電機(jī)與負(fù)載（引風(fēng)機(jī)）之間的軸連接是非接觸式的，因此，負(fù)載（引風(fēng)機(jī)）的震動(dòng)不會(huì)傳遞到電機(jī)上；也正是由于軸連接是非接觸式的，所以帶來(lái)了兩方面的好處，一是安裝時(shí)“對(duì)中”要求低；二是在長(zhǎng)期運(yùn)行中不會(huì)產(chǎn)生因?yàn)橹苯拥妮S連接而帶來(lái)的軸承、密封的損壞，保證設(shè)備的使用，磁力耦合器表現(xiàn)了優(yōu)越的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。同時(shí)其可能的運(yùn)行故障是可預(yù)見(jiàn)的，不會(huì)因?yàn)橥话l(fā)故障而給用戶帶來(lái)措手不及的事故。

1.3 安裝及可維護(hù)性

經(jīng)簡(jiǎn)單培訓(xùn)后，機(jī)務(wù)人員電氣人員將會(huì)快速確定故障原因，并迅速自行解決故障，不必請(qǐng)專業(yè)公司的人來(lái)維修。其使用壽命可達(dá)30年。

1.4 經(jīng)濟(jì)性分析

（1）永磁傳動(dòng)裝置①初始投資；永磁傳動(dòng)裝置的初始投資與變頻器的投資目前大致相同；②免維護(hù)，維護(hù)費(fèi)用幾乎為 0；③故障造成的經(jīng)濟(jì)損失：平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)比變頻器要長(zhǎng)很多，所以不會(huì)因?yàn)橐淮喂收纤斐傻臏p負(fù)荷發(fā)電，將節(jié)能所帶來(lái)的節(jié)能效益全部耗盡。

（2）變頻器①初始投資：初始投資與永磁傳動(dòng)裝置的投資相當(dāng)。②維護(hù)費(fèi)用相對(duì)高。③故障造成的經(jīng)濟(jì)損失平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）太短，平均每年都會(huì)因故障而造成減負(fù)荷發(fā)電、增加油耗等損失將節(jié)能所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益全部耗盡（極有可能還要倒貼）。④需維修備件，造成了資金的占用，而且由于故障的不確定性，經(jīng)常發(fā)生有的備件常年不用。由于電子元件有一定的時(shí)效性，所以過(guò)期的備件只能報(bào)廢，造成資金的浪費(fèi)。

（3）繞組式永磁調(diào)速技術(shù)，將轉(zhuǎn)差損耗變成電能反饋到供電端再利用，一方面徹底解決轉(zhuǎn)差發(fā)熱問(wèn)題，一方面更加節(jié)電（光此項(xiàng)在調(diào)速在65%～70%段時(shí)提高節(jié)電率30%）。

（4）變頻器調(diào)速屬電機(jī)主動(dòng)調(diào)速，沒(méi)有轉(zhuǎn)差損耗問(wèn)題，但存在變頻器和電機(jī)效率都隨負(fù)載和轉(zhuǎn)速下降而下降問(wèn)題，比如在80%轉(zhuǎn)速工作的風(fēng)機(jī)水泵其負(fù)載率大約為50%，變頻器效率仍維持在90%以上，但電機(jī)效率只有80%，變頻+電機(jī)效率只72%。如果再調(diào)速到50%轉(zhuǎn)速時(shí)，此時(shí)負(fù)載率只有12.5%，此時(shí)變頻效率約80%，電機(jī)的效率低于50%，變頻+電機(jī)效率只40%。

從前面的分析可以看出，無(wú)論是眼前的經(jīng)濟(jì)利益，還是從長(zhǎng)遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)的回報(bào)角度來(lái)考慮，磁力耦合器都具有比變頻器優(yōu)越得多的經(jīng)濟(jì)性。永磁耦合調(diào)速器與變頻調(diào)速比較：在較大負(fù)載率（較小調(diào)速范圍）工況下綜合節(jié)電性能高2%～4%；在較小負(fù)載率（較大調(diào)速范圍）工況下綜合節(jié)電性效率仍維持在96%以上，此時(shí)永磁調(diào)速器節(jié)電率比變頻調(diào)速高30%左右。永磁耦合調(diào)速技術(shù)在調(diào)速節(jié)能領(lǐng)域?qū)⒆罹咄茝V前景和發(fā)展?jié)摿?。永磁調(diào)速優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)，此調(diào)速方式對(duì)電能質(zhì)量無(wú)要求，同時(shí)具有離合器、調(diào)速、軟啟動(dòng)功能，并能滿足節(jié)能要求（其節(jié)能效果同變頻相比，效果更好，效率更高），且不會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)影響。

2 永磁調(diào)速技術(shù)分析

在永磁調(diào)速技術(shù)中，永磁轉(zhuǎn)子和導(dǎo)體轉(zhuǎn)子間必須要有轉(zhuǎn)速差的存在，否則兩轉(zhuǎn)子之間就不會(huì)有電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。即輸入轉(zhuǎn)速n1始終大于輸出轉(zhuǎn)速n，則其轉(zhuǎn)差率s為：s=（n1-n）/n1，將上式變換如下：n=n1（1-s）。

很顯然，輸入轉(zhuǎn)速n1為定速電機(jī)的轉(zhuǎn)速，是一個(gè)定值，對(duì)于永磁調(diào)速器來(lái)說(shuō)是無(wú)法改變的，從上面公式中可以看出，要想改變輸出轉(zhuǎn)速n，即實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能，就只能改變轉(zhuǎn)差率s，換句話說(shuō)：永磁調(diào)速器的調(diào)速實(shí)質(zhì)是一種轉(zhuǎn)差調(diào)速，也叫滑差調(diào)速。其調(diào)速原理就是：通過(guò)改變輸出轉(zhuǎn)矩的大小來(lái)改變s，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速就下降，反之轉(zhuǎn)速就上升。改變輸出轉(zhuǎn)矩的大小通常有兩種做法：一是改變永磁轉(zhuǎn)子和導(dǎo)體轉(zhuǎn)子間的磁通面積（套筒式）；二是改變兩者之間的氣隙大小（盤式）。這兩種方法都需要機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

電機(jī)學(xué)的理論已經(jīng)證明了：是轉(zhuǎn)差調(diào)速就存在轉(zhuǎn)差功率的損耗，忽略機(jī)械損耗和雜散損耗，它與輸入功率的關(guān)系如下：

Pm=sPm+(1-s)Pm

式中：Pm為輸入功率，sPm為轉(zhuǎn)差功率，(1-s)Pm為輸出功率。

從公式中可以看出：當(dāng)輸入功率Pm不變時(shí)，s越大，轉(zhuǎn)差功率sPm也越大，輸出功率(1-s)Pm就變小。在永磁渦流調(diào)速器技術(shù)中，轉(zhuǎn)差功率sPm都會(huì)作為熱能在其上面散發(fā)掉，因此，當(dāng)調(diào)速范圍越大發(fā)熱越嚴(yán)重。例如：當(dāng)s=0.5（即調(diào)速50%）時(shí)，顯然，忽略機(jī)械損耗和雜散損耗，對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載永磁渦流調(diào)速器的傳動(dòng)效率只有50%。

永磁調(diào)速器傳遞轉(zhuǎn)矩的大小除了取決于（永磁轉(zhuǎn)子提供）氣隙磁密基波幅值的大小之外，還取決于導(dǎo)體轉(zhuǎn)子電流的大小，如果能控制導(dǎo)體轉(zhuǎn)子電流的大小，不需要機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)控制輸出轉(zhuǎn)矩的大，繞組式永磁耦合調(diào)速器，通過(guò)集電環(huán)、碳刷與外部控制單元連接，在控制單元中引入一個(gè)可控的附加電動(dòng)勢(shì)并改變其幅值，這樣就控制了繞組轉(zhuǎn)子電流的大小，也就控制了輸出轉(zhuǎn)矩的大小從而達(dá)到調(diào)速的目的。

繞組式永磁耦合調(diào)速器，安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)和負(fù)載之間，傳遞驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動(dòng)負(fù)載，智能控制器通過(guò)采集負(fù)載反饋信號(hào)（包括壓力、流量、液位、轉(zhuǎn)矩、速度等），進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算和處理后，發(fā)出相應(yīng)的PID控制指令，控制繞組電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)功能。

整個(gè)控制系統(tǒng)為全自動(dòng)控制，也可通過(guò)接受中央控制系統(tǒng)發(fā)送的遠(yuǎn)程控制指令進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)控制。

3 工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成

繞組式永磁耦合調(diào)速器整體結(jié)構(gòu)由永磁轉(zhuǎn)子、繞組轉(zhuǎn)子和控制部分組成，采用最先進(jìn)的永磁磁路技術(shù)制造成永磁轉(zhuǎn)子，氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度大而合理；繞組轉(zhuǎn)子采用最新的電機(jī)技術(shù)保證結(jié)構(gòu)體積小而傳遞轉(zhuǎn)矩大。控制部分采用最新電力電子技術(shù)，因其控制電壓低、變流功率小使得結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、安全可靠。

4 永磁耦合調(diào)速器與其它調(diào)速裝置綜合性能對(duì)比

繞組永磁優(yōu)勢(shì)功能：

（1）綜合節(jié)電性能最高，比變頻還高2%～4%。因繞組永磁耦合調(diào)速變流控制的功率只是總功率的一部分（轉(zhuǎn)差功率），而變頻器控制的是全部功率，因此繞組永磁耦合調(diào)速器比變頻器功耗小，效率比變頻器至少高2～4個(gè)百分點(diǎn)，系統(tǒng)綜合效率在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能保持在96%以上，在調(diào)速深度大的情況時(shí)，節(jié)電性能較變頻高很多。

（2）具有離合器功能。繞組永磁耦合調(diào)速器是沒(méi)有機(jī)械動(dòng)作的離合器，非接觸沒(méi)有摩擦和磨損的離合器，可現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置過(guò)載保護(hù)量的離合器，通過(guò)電子控制離合器的接合和分離，使得離合器操控簡(jiǎn)單、可靠。對(duì)頻繁負(fù)載起?？刹煌ｋ姍C(jī)。

（3）重載軟起動(dòng)功能強(qiáng)大達(dá)2.2倍輸入轉(zhuǎn)矩。繞組永磁耦合調(diào)速器可利用電機(jī)過(guò)載轉(zhuǎn)矩起動(dòng)負(fù)載，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)220%，高于變頻調(diào)速，且起動(dòng)時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)可調(diào)，允許長(zhǎng)時(shí)間起動(dòng)（變頻調(diào)速做不到）?？蓽p小選型電機(jī)功率達(dá)節(jié)電效果。

（4）可靠性最高：①本體是永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)，具有電機(jī)的可靠性。②本體繞組不通電，感應(yīng)電流不存在過(guò)流。③變流裝置僅控制很小的轉(zhuǎn)差損耗功率（原發(fā)熱功率），可靠性高。④完善的保護(hù)措施除全面完善的電子電器保護(hù)外，還有非接觸式、非破壞打滑過(guò)載保護(hù)。

（5）抗干擾（不用電）、對(duì)電網(wǎng)諧波污染?。ú坏阶冾l器的3%）。

（6）綜合使用維護(hù)成本低于高壓變頻調(diào)速器，低于渦流式永磁耦合器。

（7）多動(dòng)力單元驅(qū)動(dòng)，能自動(dòng)均衡負(fù)載，多臺(tái)繞組永磁耦合調(diào)速器只要并聯(lián)保證電壓一致自動(dòng)保持同一轉(zhuǎn)速而不需傳感器。

（8）輸入轉(zhuǎn)矩調(diào)速繞組永磁耦合調(diào)速可適用所有輸入轉(zhuǎn)矩調(diào)速（包括發(fā)動(dòng)機(jī)），電機(jī)只是輸入轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的動(dòng)力源之一，與電機(jī)進(jìn)線輸入電參數(shù)無(wú)任何關(guān)聯(lián)。

（9）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小，控制容易，對(duì)環(huán)境要求低，一般廠房的自然環(huán)境即可。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合分析，從安裝運(yùn)行經(jīng)濟(jì)節(jié)能等角度全面考慮，永磁傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)有其他調(diào)速技術(shù)無(wú)可比擬的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，是以后工業(yè)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械調(diào)速的最佳應(yīng)用選擇。