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对永磁调速技术用于离心式水泵的分析

作者：王永标

来源：《中国新技术新产品》2016年第17期

摘 要：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。本文将对永磁调速技术的原理与主要结构进行讨论，在此技术上对比永磁调速器和变频器，主要从投资费用、节能效率与运行费用3方面进行分析。最后分析永磁调速改造的应用与节能效果。

关键词：永磁调速；离心式水泵；节能 中图分类号：TK263 文献标识码：A

离心式水泵在各个工业领域应用广泛，总体来看，水泵每年的耗电量几乎达到了整个工业耗电的30%左右。我国目前采用的离心式水泵运行效率偏低，但又是生产活动中必不可少的一部分，因此有必要对其进行改造。近年来永磁调速技术越来越成熟，将永磁调速技术应用在离心式水泵中可以实现良好节能效果。 1.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，从离心式水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。 2.永磁调速器与变频器对比

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永磁调速与变频调速、液力耦合调速相比在使用寿命更长，维护时间短，容易查找故障。将永磁调速器和变频器进行对比，分析采用永磁调速器的可行性，主要从投资费用、节能效率以及运行费用3方面进行讨论。 2.1 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。为方便二者对比，取20年作为一个周期，变频器主体设备90（45×2）万元，辅助设备10万元，基础建设费用2万元，总投资金额为102万元；永磁调速器主体设备60万元，辅助设备2万元，基础建设费用2万元，总投资金额64万元。

可见相同使用年限情况下，永磁调速器投资费用更低。 2.2 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。

2.3 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。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。

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2.4 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。

总而言之，永磁调速优势明显，节能效率高，效率高于90%，通过磁耦合进行转矩的传递，可实现空载启动，输入功率因数基本等同于电机，支持频繁启停，轴对中容忍误差大，可以达到5mm。同时永磁调速系统减震性能好，无须防护措施（防雷、防尘、防燃等），容易查找故障，维护时间极短，相比变频调速以及液力耦合调速性能更优。 3.永磁调速改造的应用

为讨论永磁调速器在离心式水泵中的实际应用，本文以某热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。

热电厂热网循环水泵要求最大振动双振幅极限值应不超过0.076mm，而某电厂采用的热网循环水泵振动幅值超过标准限制，而且运行中出口管路上电动阀门仅能打开40%左右，即热网循环水泵提供的扬程很大一部分消耗在了水泵出口阀的节流损失上，造成能源极大的浪费，同时易发生泵轴承损坏事故。另外，出口阀门长期节流水流冲刷阀芯，会导致出口阀失去关断功能，造成极大的安全隐患。因此需要进行改进。由于热网系统循环水供水流量通常随着环境温度变化而改变，所以必须对泵的流量进行实时控制。由于运行工艺要求，操作人员需要不定时对阀门开度进行调节，进而控制水泵流量。。

为了更好地达到节能降耗的目标，对本电厂#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式水泵之后，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