摘 要：本文介绍了一种永磁调速技术。本文通过对绕组式永磁耦合调速的原理、技术特点等进行阐述，从技术和经济两方面与传统的变频调速技术进行了比较和分析。
关键词：绕组式永磁耦合调速；涡流永磁耦合调速；变频调速；调速原理；节能
引言：我国总发电量中，50%左右是消耗在风机、泵类负载上[1]。风机、泵类最节能的运行方式是调速运行。目前，实现调速的方法主要有变频调速、液耦调速以及永磁调速等方法。变频调速是目前应用最广，技术相对成熟的调速技术；永磁调速是一种透过气隙传递转矩的“革命性”传动技术，因其高效节能、简单可靠、震动噪音小等诸多优点，在调速领域的应用也越来越广；而液耦调速由于调节精度低、调速范围有限、低速转差损耗大、控制精度低、线性度差、响应慢、容易漏液等原因，其运用正在逐步减少。
1、调速原理比较
1.1 绕组式永磁耦合调速原理
永磁调速装置主要由导体转子、永磁转子和控制器三部分组成。永磁调速是一种透过气隙传递转矩的传动技术。它以现代磁学为基本理论基础，传统的永磁调速（涡流永磁传动）通过调节永磁体和导体之间的气隙或耦合面积，来改变负载端的输出转矩，从而实现控制负载端流量或压力的变化。导体转子和永磁转子之间无机械连接，电机旋转时带动导体转子旋转，切割磁力线产生涡电流，该涡电流在导体转子上产生感应磁场，使导体转子与永磁转子间互相拉动，从而实现了电机与负载之间的转矩传输。
近几年国内出现一种新的永磁耦合调速技术——绕组式永磁耦合调速技术[2]。它具有传统涡流永磁传动的优点，同时解决传统涡流永磁传动在大功率调速及打滑时温升急速上升的问题，效率也得到提高。绕组式永磁耦合调速的结构示意图如图1：
轴一为原动轴，永磁体固定在原动轴上，随原动机一起转动。轴二为负载轴，绕组固定在负载轴上，负载轴与原动轴之间有气隙。负载轴上装设有集电环，有于导出绕组上的转差功率。电动机启动后，装在原动轴上的永磁体随原动轴一起旋转，产生旋转磁场，切割负载上的绕组，在绕组内产生感应电动势。若绕组断开，绕组中无电流，不传递扭矩；若绕组是一个闭合回路，则在闭合的绕组内产生一个感应电流，感应电流产生磁场和原动轴的永磁磁场相互作用，驱动负载轴转动。转子绕组通过集电环与控制器相连，控制器调节绕组内的感应电流的大小，从而改变扭矩的大小，实现调速功能。转差功率通过整流、逆变回馈到电网，达到更加节能的目的。绕组式永磁耦合调速器传动原理图见图2。
绕组式永磁调速的特点是电机转速基本不变，当负载端的控制信号（如压力、流量等）变化后，由控制单元对信号进行识别和转换，通过调节转子绕组感应电流的大小，来改变负载端功率的输出。
1.2 变频调速的基本原理
异步感应电动机的转速n与电源频率f、转差率s、电机极对数p三个参数的线性关系：n=60f(1-s)/p。改变其中任何一个参数都可以实现转速的改变。当转差率s变化不大时，异步电动机的转速n与电源频率f基本成正比。变频器是通过改变电源频率f 的方式来改变电动机转速的，连续地调节电源频率就可以平滑地改变电机的转速。根据泵的相似定律，可知泵的功率与转速的三次方成正比，通过改变转速，轴功率会大大降低，从而实现节能。
2、技术性能比较
2.1、调速性能
绕组式永磁调速与变频调速均可在线无级、平滑地调速。相对而言，变频调速的响应速度快、调节精度很高，而永磁调速的响应速度平缓、调节精度较高；从实际的使用情况看，永磁调速足以满足现场的调速要求。
2.2、可靠性
绕组式永磁调速通过气隙传递扭矩，可避免振动传递，调速过程中不会产生共振，可避免负载所受冲击载荷对电机的负面影响。变频调速属于刚性联接传递扭矩，无隔离、减小振动的功能，当变频器产生的高频振荡的频率与电机的零部件固有频率相近时，会诱使其发生机械振动和噪声，在电机低速运行时，还会发生步进现象，可能引起电机与负载组成的机械共振[3]。同时由于高压变频器的交-直-交回路中主要是由电子器件组成，在运转过程中会产生大量的高次谐波，高次谐波会电网造成严重污染。大量的谐波电流电压，可能会形成电器元件的发热损耗，容易造成设备误动作、功率要素补偿电容烧毁、熔断器熔断、空气或断路器开关跳闸等故障。
2.3、节能对比
某钢铁厂的2500kW风机系统改造，改造前采用液力耦合器调速，改造后采用绕组式永磁耦合调速器调速，改造前：电机输出为1217kW，转速为996转/分钟，风机功率为849kW，风机转速为695转/分钟。假设调速比i=风机转速/额定转速，则负载的即时功率=额定功率×i3，转差损耗功率=额定功率×（i2－i3）。其改造前后相同工况的对比如下：
改造前：
风机的轴率：2500kW×(695/996)3=849kW
转差损耗=2500kW×[（695/996)2－(695/996)3]=368kW
电机耗电功率：849+368=1217kW（暂不考虑电机效率）
改造后：
电机的功率=风机功率+转差损耗－返馈
电机耗电功率 = 849+368-368=849kW（暂不考虑电机效率及反馈电量的损耗）
改造前后节电率 =（P1-P2）/P1=368/1217=30.23%
在实际工况中，风机工作645转/分钟左右就能保证风压，液耦由于调速范围有限，最低只能调速至695转/分钟。改造后的工况为：电机输出为1047kW，转速为996转/分钟，风机功率为678kW，风机转速为645转/分钟。此时的转差损耗=2500kW×[（645/996)2－(645/996)3]=369kW。现在我们就此工况下对绕组式永磁调速与变频器的调速、涡流永磁调速的节电进行比较，其结果如表1所示。
从上述分析可以看出在同等工况下，绕组式永磁耦合调速器调速比液力耦合调速的节电率有较大的提高，绕组式永磁调速的电机耗电功率小于变频调速的电机耗电功率，其节能效果为：绕组式永磁调速＞变频调速＞涡流永磁调速。
2.4、安装维护性
绕组式永磁调速通过气隙传递扭矩，采用非接触式连接，电机与负载之前没有钢性连接，对电机和负载设备之间的连接精度大大降低，允许的电机与负载间的同轴度误差较大，简化了安装调试过程，同时因为电机与负载之前没有钢性连接，且在机械冲击过程中具有经过滑差完成缓冲，极大的减小了振动和噪音，以及维护颐养的工作量。
变频调速只是对电机进行控制，泵与电机之间还是传统的机械连接，轴系找中要求高。由于变频器电气元件对环境要求很高，整套变频系统除了变频设备和连接电缆之外，需要设置单独的带空调设备的变频器室，来确保变频器安全稳定运行，所以附属房间和设备的工作量较大。
3、结语：
绕组式永磁耦合调速器是一种在调速节能的同时，将调速过程中的转差能量经过变流后反馈回收的一种节能性产品，可以保持很高的传动效率，是一种安全、可靠、经济的新兴调速技术。相对于目前应用较多的变频调速，具有维护费用低、环境适应性强、安装维护性好等优点，无论经济效益还是社会效益都相关可观，具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1] 曹霆，徐国祥.绕组式永磁耦合调速与高压变频调速效率比较[J].船电技术，2017，（11）：22-24
[2] 方剑，徐俊峰.绕组式永磁耦合调速技术及应用分析[J].能源研究与利用，2018（03）：51-52
[3] 徐殿国，高强.电源PWM变频器驱动系统负面效应及其对策研究.变频器世界，2006（5）：6-8
论文作者:赖焕先
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第06期
论文发表时间:2019/7/31
标签：永磁论文; 绕组论文; 负载论文; 电机论文; 功率论文; 转速论文; 转子论文; 《当代电力文化》2019年第06期论文;