永磁调速技术在水泥工业的应用

谢蓉，石巍，许聪，郭玉兴

1 前言

永磁调速技术是近年来国际上开发的一项突破性新技术，是专门针对水泵、风机类离心式负载调速节能的适用技术。它具有高效节能、高可靠性、无刚性连接传递扭矩、可在恶劣环境下应用、极大减少整体系统振动、减少系统维护和延长系统使用寿命等特点。尤其是其不产生高次谐波并且低速下不造成电机发热的优良调速特性，更使其成为水泵、风机类离心式负载节能技术改造的首选。

2 永磁调速驱动器的工作原理及特点

2.1 工作原理

永磁调速器主要由导体转子、永磁转子和控制器三部分组成，其中导体转子和永磁转子的故障率几乎为零，执行机构的可靠性决定了设备乃至系统的可靠性。根据调节方式主要分为气隙调节和啮合面调节两种。根据冷却方式主要分为空冷型永磁调速驱动器和水冷型永磁调速驱动器。

（1）气隙调节（第一代永磁调速驱动器）

气隙调节是将永磁调速驱动器中的导体转子固定在电动机轴上，永磁转子固定在负载转轴上，导体转子和永磁转子之间无接触，有间隙（称为气隙）。这样电动机和负载由原来的硬（机械）接转变为软（磁）连接，通过调节永磁体和导体之间的气隙就可实现负载轴上的输出转矩变化，从而实现负载转速变化。通过调整气隙获得可调整的、可控制的、可以重复的负载转速（图1、图2）。

（2）啮合面调节（第二代永磁调速驱动器）

啮合面调节是根据啮合面的大小来控制相应的磁场大小，从而实现负载转速变化。即导体转子安装在输入轴上，永磁转子安装在输出轴上，当导体转子转动时，导体转子与永磁转子产生相对运动，永磁场在导体转子上产生涡流，同时涡流又产生感应磁场与永磁场相互作用，从而带动永磁转子沿着与导体转子相同的方向转动，将输入轴的转矩传递到输出轴上；输出转矩的大小与啮合面积相关，啮合面积越大，扭矩越大，反之亦然。

永磁转子在调节器作用下，沿轴向往返移动时，永磁转子与导体转子之间的啮合面积发生变化。啮合面积大，传递的扭矩大，负载转速高；啮合面积小，传递的扭矩小，负载转速低；啮合面积为零，传递扭矩为零，永磁转子与导体转子完全脱开，永磁转子转速为零，负载转速也为零（图3、图4）。

（3）空冷型永磁调速驱动器

空冷型永磁调速驱动器由铜导体转子上的散热片带动冷却气流来冷却转子与铜导体转子之间因转差所产生的热量，该转差与传动的扭矩相关，且转差由调整磁转子与铜导体转子之间的气隙来达成。通常情况下，空冷型永磁调速适用于功率范围在315kW以内的电机。

（4）水冷型永磁调速驱动器

水冷型永磁调速驱动器由磁转子与铜导体转子转动的离心力去驱动冷却水流来冷却磁转子与铜导体转子之间因转差所产生的热量。水冷型永磁调速驱动器适用于315kW（含）以上电机以及当电机转速较低以致空气冷却不足时的情况。

2.2 永磁调速驱动器的特点

（1）平滑无级调速，节能效果显著，调速范围0～98%，实现高效节能。

（2）柔性启动，减少电机的冲击电流，延长电机使用寿命。

（3）控制精度可达到±1%。

（4）绿色环保，无谐波，无污染物、无电磁波干扰，对环境的噪音增量小于5dB。

（5）能适应各种恶劣环境，如电网电压波动大、谐波严重、易燃易爆、潮湿、高粉尘等场所。

（6）无机械连接，隔离振动，传动平稳、安全。

（7）安装简单，允许轴向窜量～10mm、对中误差～1mm。

（8）延长传动系统各主要部件(轴承、密封等)的使用寿命，降低维护成本。

3 四种调速方式性能对比（表1）

4 永磁调速技术的应用

风机的一个特点是负载转矩与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。在水泥厂的设计和选型中，由于风机系统设计时富余系数过大，同时单机选型也宁大勿小，最终会造成系统负荷的增加。尤其风机采用阀门来节流，人为地增加管道的阻力以减小流量，因此阻力损失相应增加，而此时风机的特性曲线不变，叶片转速不变，系统输入功率并无太多减少。所以流量变化时，会浪费大量的电能。永磁调速驱动器的应用可有效缓解上述现象。永磁调速驱动器根据所需的流量调节转速，可获得很好的节电效果。

对5500 t/d规模水泥生产线，系统风机的装机功率约为13250kW，占全厂总装机功率（约33500kW）的35%。生产系统中窑头排风机、窑尾排风机、生料磨废气处理排风机、篦冷机冷却风机、煤磨系统通风机、水泥磨系统通风机、窑头燃烧器用罗茨风机等设备通常需要根据工况调整风量，这些风机装机功率约为7870kW，如采用永磁调速驱动器调速，节能效果相当显著。

表2为水泥厂部分风机在不同功率参数下配备不同形式的调速系统投资费用估算表。由2表可以看出，对于单台设备而言，第二代永磁调速系统前期投资（初装费用）略高于高、低压变频器系统。水泥厂往往采用较多的高、低压变频器系统，常需加装谐波治理装置，其投资一般约100万元，所以从水泥厂整体而言两者前期投资相当。

表1 四种调速方式性能对比

2007年永磁耦合器与调速驱动器从美国引进我国，在美国已大量应用于冶金、石化、采矿、发电、纸浆、海运、军舰等行业。目前国内应用案例主要有浙江嘉兴电厂、山东海化自备热电厂、华电东华电厂、华能南京电厂、中石化北京燕山石化、枣庄煤业集团蒋庄煤矿等大型企业集团。

表2 水泥厂部分风机在不同功率参数下配备不同形式的调速系统投资费用估算表

某石化公司根据系统工况采用永磁调速系统对灰浆泵进行转速调整，当泵转速由1470r/min逐级降低到720r/min时，电机电流相应降低。生产中最大转速1400r/min左右时间只占总数的10%，转速1200r/min左右时间约占总数的40%，转速1300r/min左右时间约占总数的35%，转速低于900r/min左右时间约占总数的10%，平均节电率为30.86%。同时不同转速下振动幅值仅为改造前的15%～40%，振动降低60%～85%。在某矿业公司引风机改造中，引风系统调速平稳，运行稳定，节电效果明显，达37%左右，而且对电网无任何干扰。

5 结语

第二代永磁调速驱动器与高、低压变频器系统一次性投入上相当，但其可靠性高、寿命长、投资回报快，其经济收益是通过设备的无故障正常运行时间和一定时间内的节能效果来体现。从后期的维护费用、节能减排来说，第二代永磁调速驱动器较高低压变频器有明显的优势。

目前国内水泥行业中，工艺系统风机调速基本都使用普通变频调速，随着人们对永磁调速技术的认可及永磁调速技术的发展，在目前的节能环保的大环境要求下，永磁调速作为一种新型的节能环保产品，在水泥行业有着良好的应用前景。

［1］王向东,闫华光,高学田.永磁调速器在节能中的应用[C].第二届工业企业节电技术研讨会论文集.中国机械工程学会,2007.

［2］刘国华,王向东,永磁调速器在电厂灰浆泵系统中的应用和节能分析[J].电力设备,2008.10.

［3］钱广华,高海山.永磁调速器应用在鼓风机上的节能效果分析[J].电气节能,2009.11.■