摘要:永磁调速器是利用永磁耦合技术来达到驱动与调速目的的一种调速装置，可以实现电动机和负载间无机械连接并且可以使负载高效运转。本文通过电厂的一次电机永磁调速改造，介绍了改造过程中的具体实施流程和方法，指出了新兴永磁调速技术的特点。同时讨论了该设备运行中存在的问题，包括噪音、执行机构的后期维护、滑差问题、动态响应、调速机构的惯性问题等，并针对这些问题提出了相应的对策。
关键词： 节能降耗 永磁调速
1.改造背景
电厂化学水处理车间除盐水泵、中间水泵、预脱盐水泵采用工频运行方式，设计参数偏大，出口压力偏大、流量偏高。由于水泵容量本身有较大裕量，原水泵在工频运行方式下，无法根据现场工艺要求自动调整流量和压力，因为除盐水供水流量较小，只有20~30 M3/h，远小于额定流量的30%，如果除盐水泵长期投入工频运行，会造成气蚀甚至烧泵的风险；预脱盐水泵和中间水泵分别供阳床和阴床制水，且每台泵对应2台床，工频启动时压力和流量较大，经常造成刚投入的阳床或阴床震动、法兰漏水；且由于电机和水泵为刚性连接，易造成轴承的磨损，水泵电动机非软启动，启动瞬间冲击电流大，对电机绝缘造成一定损伤，缩短电机使用寿命。
为了解决以上问题，电厂尝试新技术，对化学车间里的化学除盐水泵、中间水泵、预脱盐水泵进行了永磁涡流柔性传动调速改造。
2. 水泵永磁调速改造具体情况
2.1 工程中的能耗设备情况
（1）改造前的水泵、电机参数见表1、表2。
表1 水泵参数
2.2 使用的工艺情况
永磁传动调速技术作为一项新的技术，有别于传统的变频器节能改造，相比变频器改造，永磁调速改造更加简单方便，只需要将永磁调速装置安装在电机与水泵之间，改造内容如下：
（1）电机基础改造和配置情况：电机基础水平后移495mm，在水泵和电机中间安装下永磁调速装置，在永磁体执行臂的平行位置上安装一套控制执行器，执行器由1根220V、100W控制电源线、3根控制信号线通过镀锌管铺设接至三期化学PLC室控制柜。
（2）永磁调速装置要求气隙/转速可靠，并可根据要求实现自动调速，要求装置高效节能。可通过逻辑控制器PLC或DCS控制系统发出的信号调节电动执行机构，调节导体盘与永磁盘之间的的气隙，到达调节输出的目的。如果远方信号异常或故障，可以现场就地通过手动装置调节执行器的动作。具体控制逻辑图见图1。
（3）上位机设定执行器开度控制画面，可进行执行器开度操作，设定永磁调速装置温度≥70°报警，≥90°跳闸水泵。
具体计量方法为当电机启动后，由检修人员现场读取综合保护装置的电流读数，并用钳形电流表进行测量，确认电流读书的精确性。因综合保护装置已接入后台DCS监控，电机频繁启动时还可调取DCS历史数据，根据电机的实际运行工况计量电流，以确定节能效果。
2.4 关于是否截轴的问题
由于原系统连接轴的直径为55mm，而轴的整体长度达到135mm。永磁调速器的自重较大，直接加装的话可能引起轴的弯曲，因此只能将原先的轴截断，或则是在轴的中间加装刚性支撑。
采用截轴的方法，只用将原联轴器位置的轴切除部分，多出的空间距离加装永磁调速装置，这样不仅不用对原有的基础进行施工加长，而且能切实做到电动机与负载泵无机械连接，降低整个系统对轴对中的要求，最大程度的改善系统整体的振动问题。但由于原轴径太小，如果在泵轴上直接加装永磁调速器，运行安全将处于一种完全不可控的状态，且设备厂家经过计算，结果也证明了可靠性较差，风险较大。
另外一种方式：加装刚性支撑。为了留出永磁调速器的安装位置，首先需要对泵和电机的基础进行加长，并对刚性支撑的地基基础进行制作，刚性支撑及配套的轴承的还需另外购买。整体方案需增加约4万元的投资，但是却可以将风险降到最低。需要指出的是，刚性支撑与泵之间依旧是机械连接。这样两则之间对中要求依然较高，永磁调速固有的隔振特性无法得到发挥。
综合以上，特别是出于对安全的考虑，最终确定加装刚性支撑，工艺图如图3 所示。
3.设备运行中存在的主要问题及对策
永磁调速作为一种新兴调速技术，其优势是相当明显的，主要包括：柔性启动，启动电流明显降低；噪声、振动大幅降低，大大延长了电机与负载的使用寿命；调速比大；能量转换和传递安全；长期运行稳定可靠；机械结构简单，出现故障时间长，易于或很少维护；绿色环保，高效节能等。但是结合目前国内外文献以及现场实际运行情况上来看，该技术也存在滑差、动态响应性较慢、额外的轴向载荷、漏磁、惯性大、改造成本高等问题。下面简述运行中主要存在的问题和相应的对策。
3.1 运行中的设备噪音问题
在前期的调研工作了解到，实际运行中的永磁调速器会发出尖锐的呼啸声，与电动机运行中的轴承磨碰声类似。经现场实证，此声音的来源主要是散热片与空气摩擦所产生的噪音。散热片的结构如图5所示。
图5 散热片
因调速机构永磁盘运动将在导体盘上感应出涡流，伴随而来的是大量的热量，因此需要加装散热装置。永磁调速机构的冷却方式分为两种，一种是加装散热片，一种是另外配置冷却油站。而冷却油站主要应用于功率大于400kW的大型电机调速机构上，按照通用的做法，400kW以下的电机调速机构主要靠散热片冷却。散热片安装在永磁调速机构的导体盘上。
实际上散热片的安装方式有很多形式，经生产厂家实验研究得出：当散热槽与导体盘的实际运动方向平行时，产生的噪音最小。反之，当散热槽与导体盘的实际运动方向垂直时，产生的噪音最大。但是从散热效率上来说，研究结果表明平行安装的散热效率仅为垂直安装的10%。因此从目前的综合情况考虑，永磁调速机构在运行中产生的噪音不可避免。
为了解决这一问题，主流做法是在永磁调速机构外加装隔音罩，隔音罩的内部还配备有隔音棉，以达到最大的隔音效果。本项目电厂所选用的调速机构正是采用了这样的降噪形式，具体样式如图3-7所示。经现场实测，调速机构所产生的噪音保持在82分贝左右，而隔音罩内部为130分贝以上。首先此隔音罩的安装成本低，不用额为投资冷却油站，另外也很好的保护了设备及人身安全，降低了噪声污染，特别是避免了现场人员受到转动机械的伤害。
3.2 关于电动执行机构的维护问题
从之前的设备调研及厂家现场服务人员处了解到，永磁调速机构在后期的维护工作主要集中在电动执行机构上。
电动执行机构的工作原理都是利用电机的正反转来实现目标设备的实际位移，其移动行程量可通过就地手动调整，或则通过控制系统的闭环控制实现。当泵组实际运行时，永磁调速机构会根据实际负载量的反馈来调整永磁盘和导体盘之间的间隙。但是当负载变化频繁时，执行机构的电机的也将频繁的正向和反向运动，这种频繁的运动将会大大的降低执行机构的使用寿命。同时，由于调速机构为纯机械调节，调整目标值的精确度与变频调速相比还是有很大的区别，如果遇到调整市区，在目标值反复摆动，也将造成调速机构的频繁正反向运动。
目前解决这一问题的主要途径是适当放宽目标调整值的区间，也就是说当调速机构调整到某一调节区间时，电动执行机构就将结束调整运动，从而减少执行器的运动频率，提高使用寿命。
3.3 滑差
由磁力耦合器的工作原理知，这种耦合传输转动是由永磁转子与导磁转子的相互作用而产生的，所以该转矩的传输是不同步的，也就是说与负载相连的永磁转子的转速小于与电动机轴相连的导磁转子的转速。形成这个转速差就叫滑差。气隙值越大，速度越小，滑差就愈大，所以滑差在低速阶段是很明显的。
从原理上知，滑差是不可避免的，因此为了减少滑差带来的振动和噪声，一般建议系统启动时空载或轻载启动，这样系统启动时，系统不会因为过高负载而出现稳定性差等一系列问题。
3.4 动态响应
该耦合器调速原理是通过改变电机转速来改变输入系统的转速，由于一般的异步电机的转动惯量可能大于执行元件（比如液压泵）的转动惯量以及本身的滑差影响了加速性能，减速也不能过快。
改善控制系统的结构、减小控制环节的个数会提高该耦合器与系统之间响应的快速性。
3.5 额外的轴向载荷
因为电机与泵之间是无接触机械连接，主要通过气隙来调节转矩，所以两者之间的耦合器需要良好的机械支撑，那么轴向载荷就不可避免的增加。
合理的布置永磁转子与导磁转子的位置，利用磁路之间的作用力可以减小轴向的载荷。
3.6 漏磁问题
漏磁无处不在，这个问题是不可避免的。解决这个问题初步设想可以采用合理的磁路结构或者是采用好的磁隔离装置，比如，采用内磁式和双磁式结构，可以形成磁屏蔽，减少漏磁。
3.7 调速机构的惯性问题
根据磁力耦合器的调速原理，当电机停止工作时，由于惯性，负载轴还会继续转动，不利于调速的稳定性；而且惯性越大，调速的稳定性越差。
解决这个问题可以从两方面着手：一是在负载轴位置增加一个制动机构；二是每次要电机停止工作时，可以先将气隙调到最大，然后再停机，这样便可以降低负载轴的转速，减小惯性对其影响时间。
4.小结
通过永磁调速技术在化水车间3台水泵改造应用中的调试以及运行观察，其节能率平均值为45%，设备温升振动值等其他参数均符合技术协议之要求，且永磁调速器对提高系统运行安全稳定性，降低生产成本和运行费用等方面，具有更为重要的意义。
在永磁调速进行节能改造的过程中，设备制造厂家与电厂技术人员一起对永磁调速装置的实际应用进行了深入探讨研究，积累了宝贵经验，实现了优化设备结构，节能降效的目的。并且本次改造的成功实施，也为永磁调速技术的现场改造提供了成功范例和一手数据。
参考文献:
[1] 王仁才.磁力耦合器在火电厂供水系统中的应用[J].城市建设理论研究，2013，12：50-53.
[2] 万援.调速型稀土永磁磁力耦合器的性能研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2013.
[3] 张宏.新型节能调速设备永磁磁力偶合调速器的原理及应用[J].中国电力教育，2009，：551-553.
论文作者:李浩
论文发表刊物:《防护工程》2019年第7期
论文发表时间:2019/7/2
标签：永磁论文; 电机论文; 水泵论文; 调速器论文; 散热片论文; 机构论文; 负载论文; 《防护工程》2019年第7期论文;