绕组式永磁耦合调速与高压变频调速效率比较

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

曹 霆，徐国祥

（国电江苏电力有限公司谏壁发电厂，江苏镇江212006）

本文介绍了一种永磁耦合调速技术。提供了一种比较计算变频调速和永磁耦合调速效率的数学简化模型。按照该模型，很方便地计算出变频调速和永磁耦合调速的系统效率。以一个额定功率为1000 kW的风机、泵类负载传动系统为例，得出了在10%~100%转速下，永磁耦合调速效率高于变频调速的结论。

绕组式永磁耦合调速 高压变频调速 效率

0 引言

随着我国经济转型的不断深化，节能减排具有越来越重要的社会效益、经济效益，甚至具有重要的政治意义。我国总发电量中，50%左右是消耗在风机、泵类负载上[1]。风机、泵类负载最节能的运行方式是调速运行。目前最常见的调速技术是变频和液偶。两者相比较，液偶的可靠性比较高，而且不存在谐波污染；变频器的效率高。

近两年国内出现一种永磁耦合调速技术，它具有谐波污染少、可靠性高的优点，而效率远比液偶高。根据用户使用情况来看，有些工况下其节电率甚至比变频器还要高。由于永磁耦合调速技术应用还不是很广泛，因此有必要将它与高压变频调速作理论上的分析，从而指导用户的选择应用。

1 绕组式永磁调速技术介绍

按照绕组式永磁耦合调速结构示意图见图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，用于导出绕组上的转差功率（表现为电压和电流）。电动机起动后，装在原动轴上的永磁体随原动轴一起旋转，产生旋转磁场，切割负载轴上的绕组，在绕组内产生感应电动势。若绕组是一个闭合的回路，则在闭合的绕组回路内产生感应电流，感应电流和原动轴上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。转差功率通过变流回馈到电网，达到更加节能的目的。

2 效率计算数学模型

2.1变频器效率计算模型

1-永磁体，2-轴一，3-外壳，4-绕组转子铁芯，5-绕组，6-电刷，7-集电环，8-轴二，9-气隙

假定高压变频器（含变压器）的总损耗为不变损耗和可变损耗之和，额定情况下，不变损耗占40%，可变损耗占60%[2]。为了确定变频器的额定效率值，可以参考高压变频器标准产品作为依据。对于额定功率1000 kW（额定容量在1200kVA左右）的高压变频器，额定效率为96%，则输入功率为:

总损耗为：

额定不变损耗和额定可变损耗分别为：

此外，高压变频器通常都要求空调房。假设采用40匹的工业空调，相当于不变损耗增加29.4 kW。修正后的不变损耗为：

假设在任意负载下，不变损耗保持不变，而可变损耗与输出功率标幺值的平方成正比。即输出功率为P，可变损耗为：

其中P为功率基准值，取额定值1000 kW。

2.2电机效率计算模型

假设电机的总损耗为铜耗和铁耗之和（其它损耗都合并到这两种损耗中），额定情况下，铁耗占40%，铜耗占60%。以标准产品为依据，YKK5601-4,额定功率1000 kW，额定效率为95.1%。则额定输入功率为：

总损耗为：

额定不变损耗和额定可变损耗分别为：

在任意负载下，铁耗与频率的1.3次方成正比，铜耗与电流的平方成正比[3-4]。由于两种调速方式下，电机的运行机理不一样，损耗的计算也不一样。对于永磁耦合调速，电机速度恒定，铁耗不变。而电流大致与输出功率成正比，因此铜耗与输出功率标幺值的平方成正比。即在任意工况下，输出功率为，铜耗为：

而对于变频调速来说，电机的转速是变化的，频率正比于转速，则铁耗正比于转速标幺值的1.3次方。此时电流不再与输出功率成正比，而是与转矩成正比。因此铜耗与输出转矩标幺值的平方成正比。转矩标幺值为输出功率标幺值除以转速标幺值。即在任意工况下，输出功率为，铜耗：

2.3绕组式永磁耦合调速器效率计算模型

参考明腾公司TYPKK5004-4永磁电机，额定功率1000 kW，额定效率为96.4%。假定铜耗与铁耗分别占60%和40%。额定输入功率：

额定总损耗, 额定铁耗, 额定铜耗分别为：

铜耗的计算要以电磁功率为基准。作为一种转差调速，输出机械功率P、电磁功率PEM以及转差功率PS之间的关系如下[5]：

因此任意工况下，铜耗为：

必须注意到，永磁耦合调速器的频率是和转差成正比。因此铁耗为：

转差功率回馈到电网的损耗计算是比较复杂的，其实质是一个特殊的低压变频器。但是对整个效率计算影响并不大。因为对于风机、泵类负载，总的转差功率最多仅仅占额定容量的14.81%。初略计算，按照转差功率的10%外加风机功耗1.1 kW，应该来说是比较客观的。即：

3 损耗和效率计算

下面按照上述模型来计算一个典型的传动系统总效率。额定功率1000 kW，负载为风机、泵类，即功率与转速的三次方成正比。采用永磁耦合调速时，功率的流向是电机→永磁耦合调速器→负载。其损耗和效率计算是反向的：在一定的转速下，得到负载的轴功率，依次计算永磁耦合调速器输出功率（等于负载轴功率）、永磁耦合调速器输入功率（永磁耦合调速器的输出功率+铁耗+铜耗+转差功率）、电机输出功率（等于耦合调速器输入功率）、电机输入功率（等于电机输出功率+铜耗+铁耗）。由于各种损耗和转差功率已经建立起它们与输出功率和转速之间的关系式，因此可以计算出总的效率：负载轴功率/（电机输入功率-转差功率+转差功率转换时的损耗）。具体计算见表1。

采用变频调速时，功率的流向是变频器→电机→负载。其损耗和效率计算也是反向的：在一定的转速下，计算负载的轴功率，依次计算电机输出功率（等于负载轴功率）、电机输入功率（电机输出功率+铁耗+铜耗）、变频器输出功率（等于电机的输入功率）、变频器输入功率（等于变频器的输出功率+不变损耗+可变损耗）。由于各种损耗已经建立起它们与输出功率和转速之间的关系式，因此可以计算出总的效率：负载轴功率/变频器的输入功率。具体计算见表2。

4 结论

本文提供了一种比较计算变频调速和永磁耦合调速效率的数学简化模型。关于电机和永磁耦合调速器，主要包含铁耗和铜耗，分别与频率和电流的平方成正比；变频器则包含不变损耗和可变损耗，前者是恒定值，后者与输出功率的平方成正比。按照该模型，很方便地计算出变频调速和永磁耦合调速的系统效率。以一个额定功率为1000 kW的风机、泵类负载传动系统为例，得到的计算结果是在10%～100%转速范围内，永磁耦合调速效率均高于变频调速。

[1] 张瑞．乌海热电厂升压泵永磁调速改造及应用[D]．华北电力大学, 2013．

[2] 王爱元．变频器供电的感应电机节能控制若干技术的研究[D]．华东理工大学, 2010．

[3] 赵海森，张冬冬，王义龙等．变频供电条件下感应电机空载铁耗分布特点及其精细化分析[J]．中国电机工程学报, 2016, 36（8）:2260-2269．

[4] Bertotti G．General properties of power losses in soft ferromagnetic materials[J]．IEEE Transactions on Magnetics, 1988, 24(1)：621-630．

[5] 徐甫荣．大功率风机水泵调速节能运行的技术经济分析[J]. 电源应用技术, 2001,12:649-654．

Efficiency Analysis of Winding Permanent-magnet Coupling VSD Compared with High-voltage VFD

Cao Ting, Xu Guoxiang

(GuoDian Jianbi Power Plant, Zhenjiang 212006, Jiangsu, China)

TM 461

A

1003-4862（2017）11-0022-03

2017-10-15

曹霆（1979-），男，工程师。研究方向：电厂设备管理。