石家庄良村热电有限公司 河北石家庄 050000
摘要：本文通过比较永磁调速和变频调速两种方法的结构形式，调速方式，节能情况、对厂用电的影响等方面进行了详细的数据对比，认为永磁调速装置较变频调速装置经济性更高、维护更方便，在未来将会有更广阔的应用前景。
关键词：永磁调速 变频调速 节能
目前，火力发电厂厂用电率要集中6kv高压电机上，类似于凝结水泵以及六大风机等设备的能耗是厂用电的主力部分。而目前电机进行调速节能的主流方法有变频调速和永磁调速两种。
变频调速技术使用较为广泛，其原理为电源的整流和逆变，主要是通过整流桥将工频电压变为直流电压，再通过IGBT进行SPWM带宽控制从而达到调节电机转速节能的目的。变频器调速的优点是对电机设备的保护功能强大、变频启动电流小、调速精度好等特点。但同时也存在着，对环境温度要求高、电子元器件使用寿命短、产生的谐波对电网影响较大等问题。
随着技术发展，永磁调速技术也已经日渐成熟。其原理是通过磁场传递转矩，通过调整气隙间距或啮合面积从而改变转矩达到调速节能的目的。永磁调速的优点是节能、简单可靠、挠性连接对找正要求低，机械振动小对电机机械保护性好等特点。 一、永磁调速机构
（一）永磁调速机构介绍
永磁调速装置主要由三个部分组成，一是导体盘，此部件与和电动机转轴连接；二是安装有磁性材料的永磁盘，与负载端相连接；导体盘和永磁盘之间有可调节的间隙。三是一个电动执行机构，用于调整间隙。整体结构如图1所示。
图1 永磁调速装置简单示意图
（二）永磁调速节能的原理介绍
从流体力学的原理得知，使用感应电机驱动的离心式负载，轴功率P与流量Q，压力 H 的关系为：
Q1/Q2 = n1/n2 （流量变化与转速变化成正比） （1）
H1/H2 =（n1/n2）2（压力变化与转速变化的平方成正比） （2）
T1/T2 =（n1/n2）3 （负载扭矩变化与转速变化的立方成正比） （3）
P1/P2 =（n1/n2）3（负载功率变化与转速变化的立方成正比） （4）
根据以上定律可以看出，如果电动机的转速不变，而负载的转速下降，这时电动机的输出功率会急剧下降，从而减少了功率的输出，达到了节能的目的。通过图2可以清晰的看出其中的的关系。
图2 节电率与各个运行参数的关系（单位%）
但实际因电机转速下降，会引起系统效率下降，加上调速系统的效率影响，实际节电效率会比理论计算值略小。
（三）针对凝结水泵电机永磁调速进行的节能效果计算
目前按照一台330MW机组配备两台凝结水泵计算。为保证机组满负荷运行时，凝结水系统能够满足需求，所以凝泵电机型号为YSKPPL560-4,1250KW配置。凝泵型号为NL0400-500,转速为1480，扬程为321mH20，流量1096。而根据机组的实际率负荷率，凝泵一般在60%-80%负荷区间运行。所以，在没有调速系统的情况下，运行人员只能根据负荷需要，调节出口电动门来实现流量的控制，从而满足机组的负荷要求。但是通过此种方法进行调节，根据能量守恒定律，大部分能量在流量阀门处被消耗。采用永磁调速后，在电机转速不变的情况下实现流量的线性控制，从而达到节能效果。
根据现场实际参数计算凝泵每年的节能效果计算如下。未改造前，每日24小时运行时，机组带负荷按 270 MW计算(约80%负载)，此时凝泵的实际电流大约为 130A, 每年共计运行5000 h。
凝结水泵电机的实际运行功率:
P1=U×I×1.732×cosΦ=6×130×1.732×0.88=1188.84KW。 （5）
年耗电量 :
K1=T×P1=5000×1188.84=5944224KWh。 （6）
加装永磁调速装置后，机组还是在270MW负荷的情况下，实际流量与额定流量比为 75%，根据相似定律（Affinity Law）， Q1/Q2=n1/n2 （流量变化与转速变化成正比）， P1/P2=（n1/n2）3（负载功率变化与转速变化的立方成正比），将阀门全开后，转速降到 75%即可输出所需水量；考虑保持必要供水压力，转速以 80% 估算；
凝结水泵实际消耗功率:
P2= Pn×（N2/Nn）3 /η=1250×0.83 /0.8=800KW （7）
年耗电量：
K2=T×P2=800×5000=4000000KWh （8）
节电率：
η1=K1-K2/K1=32.7% （9）
二、变频调速机构
（一）变频调速机构介绍
以额定输出电压为6KV的变频器为例，每相由5个额定电压为690V的功率单元串联而成，其原理（如图3所示）。
图3功率单元串联叠加
输出相电压最高可达3450V，线电压可达6000V，每个功率单元承受全部的输出电流，但只提供1/5的相电压和1/15的输出功率。这样设计，单元的电压等级和串联数量决定变频器输出电压，单元的额定电流决定变频器输出电流。
（二）变频节能原理介绍
当电动机磁极对数不变的情况下，电动机的转速与其电源频率成正比，也就是说为了得到连续、可变的转速，我们就要不断地改变电源的输出频率。变频调速主要是通过改变电源的输出频率从而改变电动机的转速，从而达到节能的效果。
（三）针对凝结水泵电机变频调速进行的节能效果计算
凝泵增加变频后， 在270 MW负荷下变频器系统的功率
P3=U×I×1.732×cosΦ=6×93×1.732×0.91=879.47KW。 (10)
年耗电量
K3=T×P3=879.47×5000=4397374.8KWh (11)
节电率：
η2=K1-K3/K1=26.02% (12)
三、变频调速与永磁调速对比
（一）运行环境要求
使用变频器对电机进行节能调速，变频器对环境温度的要求较高。目前高压变频间一般都需要配备多联机空调，来保证变频器等运行温度。以我厂为例，配备YBDB-B型多联机空调，制冷量为44KW,制冷总输入功率14.6KW,按全年运行300天计算，消耗电量为K=300*24*14.6=105120KWh；而永磁调速装置结构简单且为纯机械设备，可以在恶劣环境下运行，对运行环境要求低。
（二）变频调速与永磁调速对厂用电系统影响
根据变频器的调速原理，由于起变频回路采用了大量的电子元器件，尤其是变频器的逆变电路，会产生高次谐波，如果滤波电路设计不足会导致电机电磁噪音较大，温度升高等问题，所以一般变频改造会使用绝缘等级相对较高的变频专用电机。同时，谐波也会对厂用电系统设备产生如寿命缩短等影响。而永磁调速装置为纯机械设备，不会产生如上的一些问题。
(三)变频调速与永磁调速对电机影响
使用变频调速的设备，启动时电机速度逐渐 增加，启动时间长，启动电流小，电机容易发热，同时由于其为电子元器件，故不能短时频繁启动。而永磁调速装置为纯机械的设备，启动时电机直接升为额定转速，通过气隙改变逐渐带载，电机发热 量与改造前对比基本无变化，启动时间较变频调速短，启动电流较变频器大，可以短时频繁启动。
（四）变频调速与永磁调速调速精度对比
变频调速装置为电子产品，通过其内部精密 的电子元器件控制，使其调节电机出力精度高、且通过电压及频率的变化，使其调节范围广；而永磁调速装置因其为纯机械式，其调节精度、调节范围 均低于变频调速。
（五）变频调速与永磁调速调速故障率及维护成本对比
变频调速装置为电子产品，内部为精密的电子元器件，且数量较多，相对于纯机械式的永磁调速装置，易产生故障；且因其构造原因，故障原因排查难度也较永磁调速装置大。同时变频调速装置维护时需定期更换滤网而永磁调速装置基本无维护工作，其维护成本较永磁调速装置高。
四 结语
通过对永磁调速和变频调速从运行、检修、维修等情况对比可知，相比于变频调速技术，永磁调速的调节范围及调节精度、响应速度比变频调速低，但其对电机与泵安装、调试、检修方面，比变频器简单、方便，且使用寿命、运行环境适应性、软启动、过载保护、对电网谐波影响等方面的性能，都要优于变频调速装置；经济方面，永磁调速机构投资于变频调速装置持平，但如果考虑到设备寿命，永磁调速装置相比于进口变频调速装置经济性更高。
参考文献：
[1] 马玉顺,吴明，匡俊，黄晓兵.永磁调速和变频调速技术 对比研究[J].黑龙江科学.2017，8（8） .
[2] 苏少锦，龚曙光，贺运初.永磁调速与变频调速的综合比较分析[J].机电信息. 2017（21） .
论文作者:刘鹏程
论文发表刊物:《中国电气工程学报》2019年第4期
论文发表时间:2019/6/28
标签：永磁论文; 变频调速论文; 转速论文; 电机论文; 装置论文; 变频器论文; 节能论文; 《中国电气工程学报》2019年第4期论文;