摘要：离心泵在各个工业领域应用广泛，总体来看，泵每年的耗电量几乎达到了整个工业耗电的30%左右。永磁调速技术作为先进、可靠性高的新型调速节能技术，在近年来得到广泛应用。文中对永磁调速技术原理进行了讲解，与其他调速技术性能进行了对比分析，并通过永磁调速技术在电力行业中离心泵上的实际应用，详细分析了该技术的优越性能。
关键词：离心泵；永磁调速；应用分析
1前言
离心泵被广泛应用于化工、冶金、矿山、农业等诸多行业，水泵的年耗电量约占全国工业耗电量的1/3，相比发达国家，我国离心泵运行效率普遍低10%～20%。因此，做好离心泵的调速节能技术改造工作在降低企业生产成本、提高经济效益方面具有重要意义。
2永磁调速技术原理与结构
企业以往在进行水泵选择时多考虑最大设计流量与设计扬程两个参数。然而在真实的生产活动中，水泵在大部分情况下出水量是小于最大设计流量的，从离心泵的运行特性曲线不难发现，当流量降低时，扬程将会提高，这就导致恒定转速的水泵会出现扬程过剩的情况，进而导致部分能量白白损耗。为了解决这一问题，永磁调速技术应运而生。
永磁调速技术主要通过永磁调速驱动器实现，其由铜转子、控制机构以及永磁转子共同构成。将铜转子固定于电动机轴上，永磁转子固定在负载轴上，二者实现相对运动，根据电磁感应原理产生扭矩。可以简单地通过调节永磁体与铜导体二者之间的气隙实现转矩大小的控制，进而准确控制负载转速。永磁调速技术可以实现在不牺牲流量和扬程条件的情况下，使能耗最小化。对于水泵的负载特性而言，流量和转速成正比，压力和转速平方成正比，轴功率和转速3次方成正比。
由于永磁调速驱动器能够通过负载转速控制，完成离心式水泵压力连续控制，离心式泵的扬程和转速平方呈正比，功率和转速3次方成正比，所以当电动机转速保持一定值时，调节水泵转速下降，输出流量按比例降低，电动机功率快速减少，进而有节能效果。
3永磁调速器与变频器对比
3.1投资费用对比
变频器使用成千上万的电力电子元器件，进而实现对高压电动机频率与电压的控制，进而改变电动机转速，属于典型的电气调速方式，其初始投资主要由主体设备、辅助性设备（控制电路、照明系统、变压器、滤波器）以及基础设施建设（空调房间）3部分构成。永磁调速器的组成主要包括永磁调速器主体设备、辅助设备（冷却系统、电缆等）。变频器的使用年限通常为10年，其冷却系统中的散热空调使用寿命为12年左右；永磁调速器使用寿命为20年左右，且相应地安装基础更换周期为20年。
3.2节能效率对比
变频器是通过改变电动机输出转速实现节能，而永磁调速器输出转速是随着负载需求时刻变化的，二者节能原理有所差异。变频器内部存在整流损耗、风机损耗、逆变损耗以及控制回路损耗；永磁调速器存在转差损耗与冷却系统损耗。如果负载实际功率高于额定功率55%，则永磁调速器效率高；相反，则变频器效率更高。在流量需求较大的情况下，永磁调速器效率高；当流量需求降低时，永磁调速器效率有所下降。总体来看，永磁调速器相比变频器节电效率略好。
3.3运行费用对比
变频器几乎每年均会出现故障，当进行长期运行以后可靠性很差，散热直流风扇等附件每隔2~5年均要求进行更换或者大修。当变频器使用超过6年以后，故障频发。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆根据不完全统计，一台500kW/6kV变频器年维护费用大概是3万元，相应的空调与冷却风扇等年运行费用为1万元左右。由于永磁调速器是典型机械装置，运行更加稳定可靠，通过气隙实现扭矩传递，将振动隔离，大大提高重要零部件使用寿命。与此同时，永磁调速器维护工作量小，仅需要为轴承添加润滑油就可以保持正常工作。维护费用平均每年0.7万。对于500kW永磁调速器而言，冷却水循环使用，需要380V冷却水循环泵为水循环提供动力，年运行费用大约为1万元。可见，永磁调速器的运行费用远远低于变频器。
3.4对系统中其他设备的影响
由于永磁调速器主要是机械式调速装置，几乎与电力无关，因此不会产生谐波，也就不会对系统中的其他设备造成影响。当电力质量很差时，如电力谐波、雷击等，这些因素对电子或电气调速装置往往是致命的，但对永磁调速器却不会造成任何影响。而在高压变频器的使用过程中，极容易造成设备误动作，造成功率因素补偿电容烧毁、熔断器熔断、空气或断路器开关跳闸。那是因为高压变频器的交-直-交回路中主要是由电子器件组成，从而在运行过程中会产生大量的高次谐波，电力谐波是电网的严重污染，大量的谐波电流电压，可能会造成电器元件的发热损耗。
4永磁调速改造的应用
以某电厂热网循环水泵改造为例进行分析，该电厂热力站内配置4台加热器，5台热网循环水泵，设计最大供水流量8000t/h。其热网循环水泵主要特性如下：扬程为1.78MPa，流量1943t/h，转速1480r/min，配用电机功率1400kW。
为了更好地达到节能降耗的目标，对电厂#4泵进行永磁调速改进。改造过程中根据设计图纸进行基础重建，改造以后总投资约为54万元。按照图纸设计尺寸，适当增大了电动机与泵之间的距离，进而为永磁调速装置的驱动器腾出空间。完成了设备安装以后，然后进行DCS组态与安装调试，检验工业噪声值。改造过程中，保持分散控制系统的模拟信号、开关量信号不改变。
改造以后，永磁调速器系统可以通过采集温度、水泵转速等信号，进行供水量以及供水压力的控制。将永磁调速技术应用于离心泵之后，水泵出口压力显著降低，并且节流损失减少。永磁调速改造以后，铜盘和永磁盘之间的气隙最大情况下，稳定输出转速是392r/min；气隙最小情况下，稳定输出转速是1410r/min。当实现0~100%调节时，转速变化时间大约为60s，转速、功率以及压力曲线正确，满足比例定律。
实现永磁调速器改造之后，借助于电动执行机构对导体转子与永磁转子之间的啮合面积百分比进行控制，从而调节水泵压力与输入电流。在运行电流明显减小。电机改造后电流下降了50A左右，平均每小时节电400kWh以上，整个供热期6个月，可节电172万kWh，按上网电价0.31元/kWh计算，年效益53.32万元。相比改造以前，永磁调速器改造消除节流损失，节电率达到了40%以上，并且在一个供热期内回收投资成本。
实现永磁调速器改造后，原离心泵振动情况得到改善。改造以前，水泵与电动机之间通过联轴器连接在一起，尽管在安装过程中全程使用激光进行对中，保证一定的对中精度，然而振动问题是难以避免的，振动值大于0.11mm，导致密封元件与轴承容易受到损坏。完成了永磁调速器的改造以后，传统扭矩传递方式发生变化，振动幅值直接降低80%左右，进而使得整个系统可靠性大大提升。
5结束语
永磁调速技术是当前较为先进的电动机调速技术，有很强的节能效果，由于结构简单，可靠性高，得到越来越多的应用。虽然现阶段依然存在转速调节响应迟滞、高转差效率低等问题，但是随着永磁调速技术的进一步发展，它的优势将更加明显，在离心泵中应用前景广阔。
参考文献：
[1] 侯剑雄.大型凝结水泵采用永磁调速与高压变频技术改造效果比较[J].中国电力.2015(8)
[2] 翟德双.永磁调速器在凝结水泵上的节能改造运用[J].中国电力.2012(07)
论文作者:徐康
论文发表刊物:《电力设备》2017年第20期
论文发表时间:2017/11/14
标签：永磁论文; 调速器论文; 转速论文; 水泵论文; 变频器论文; 离心泵论文; 电动机论文; 《电力设备》2017年第20期论文;