中劲达-永磁调速器简介.doc

永磁调速技术的原理及应用永磁调速器的结构及应用广州中劲达节能科技有限公司GUANGZHOU ZO JINDA ENERGY MANAGEMENT CO.,LTD目 录1概述.32产品原理及特点.4 2.1结构及原理.4 2.2技术特点.63永磁调速系统集成. 94永磁调速器节能原理及量化分析. 11 4.1节能原理.11 4.2节能化分析.145应用领域环境.166与同类型产品对比.177典型案例 .20 7.1案例一：华能北方联合电力乌海热电厂水源地升压泵系统.20 7.2案例二：华电内蒙古能源有限公司卓资发电分公司.22 7.3案列三：中石化金陵分公司.238部分业绩表.249三种常用调速技术比较.259产品模型图.271 概述永磁调速技术是近年来国际上开发的一项突破性新技术，是专门针对风机、水泵类离心式负载调速节能的适用技术。通过改变负载转速取代传统阀门，风门挡板节流方式，在满足生产要求的同时降低电机系统功率达到节能效果。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且低速下不造成电机发热的优良调速特性更使其成为风机、水泵类离心式负载节能技术改造的首选。2 产品原理及特点2.1 结构及原理第二代永磁调速器由导体转子、永磁转子和调节器三部分组成。永磁转子在导体转子内，两者无连接，其间由空气隙分开，并随各自安装的旋转轴独立转动；调节器调节永磁转子与导体转子在轴线方向的相对位置，以改变导体转子与永磁转子之间的啮合面积，实现改变导体转子与永磁转子之间传递转矩的大小。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与导体转子相同的方向转动，结果是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。永磁调速器结构 啮合面从大到小，负载转速由98%到0转速调速原理，改变啮合面积2.2 技术特点 调速节能。可以根据现场的实际运行工况，通过调节永磁调速器永磁转子与导体转子之间的啮合面积实现负载调速，达到满足工艺的同时进行经济运行的目的。调速范围：0-98%无级调速。根据流体力学原理，对于所有的流体负载，输出的流量和流速成正比，负载扭矩（流体压差）和流速的平方成正比，输出功率和流速的立方成正比。由于气隙或啮合面积可以调节，从而直接调节转矩，使得电机可以输出恰好的转矩来跟随流体负载，节能效果显著，节电率达到10%60%。在这样的能量传递中，付出的代价只有涡流热。尤其是在工频附近调速时，效率非常高。从这个角度而言，永磁调速器可以说是当前最理想的产品。 空载启动。在启动时，将永磁调速器的导体转子与永磁转子之间的磁场啮合面积变得最小，从而将电机与负载完全脱开，实现零负载启动；电机启动后，再慢慢增加导体转子与永磁转子之间的作用面积，使负载逐渐加速，因此整个启动过程平稳，可以大大降低启动过程中的电流冲击、电机线圈发热、流量急剧变化等问题造成的影响。具有空载启动/空载停机功能特点，可以有效地降低电机的启动电流、解决水锤和气穴现象。电机和泵可以有选择启动和停止，大大提高系统启停性能。 过载保护功能，提高了整个电机驱动系统的可靠性。由于电机与泵之间没有机械链接，当泵过载或者堵转时，调速型永磁调速器可自动的将电机对泵体的力矩传递完全断开，此时电机空载运行，泵停转，可以完全消除泵系统因过载而导致的系统损害和巨大损失。 简单可靠、维护少。可靠性高，使用寿命长，设计寿命达25-30年。一旦安装完成投入使用，基本不受使用环境的干扰和影响，运行稳定可靠。在长期运行中，不会产生因为直接的轴连接而带来的轴承、密封的损坏，保证了设备的使用。因此永磁调速器的平均无故障时间较长，基本上是免维护的，较电子类设备故障率低，维护成本少。 隔振。据统计，超过80%的旋转设备的故障是由于振动引起，振动会缩短密封件和轴承的寿命，并且使设备温度升高。也会导致基座、管道接头、紧固件等松动、断裂或破损，振动还会导致产生强烈的噪声。永磁调速器取代了原来的刚性联轴器，使电机和负载没有机械联接，这样泵侧的振动就不会传递到电机侧，电机侧的振动也不会传到泵侧。同时也割断了振动在传递过程中的放大效应，因此可以消除刚性联轴器的振动放大效应，降低系统的振动。可以排除因对中误差大造成的振动。传统的联轴器需要很精确的对中，对中误差需要小于0.05mm，一般需要激光对中。而永磁调速器可容忍较大的安装对中误差，最大可达2mm。同时在运行过程中，电机和负载之间的动态同轴度也允许较大的范围，不会产生振动。 允许2mm对中误差，不产生附加载荷。可适应轴向窜动量达10mm的电机拖动系统。 适应各种恶劣工况：电网电压波动较大，谐波含量较高，易燃、易爆，潮湿，粉尘含量高，高温、低温等场所；不产生任何污染物。 大大延长轴承和密封件的寿命。由于电机和负载之间没有机械链接，没有磨损，降低了系统的振动幅度，延长电机和负载，特别是轴承和密封件的寿命。 安装简单，维护工作量少。安装简单，不需要对电机和负载做任何改变。安装时，只需用永磁调速器替换原来联轴器即可，现场安装调试方便。技术参数 a、节电率：20-60% b、允许安装对中误差1mm c、电机振动减少量：50-85% d、控制精度1% e、对环境的噪音增量小于5dB f、传递效率：98% g、零负载启动 h、过载保护：过载之后自动将和负载脱开，两者互不影响 3 永磁调速系统集成通常永磁调速系统由永磁调速器、电动执行器、转速变送器、温度变送器、控制信号源、就地显示控制箱、远程控制系统、电缆等设备集成。永磁调速器安装在电机和负载之间，传递扭矩，通过永磁调速器的调节机构实现导体转子与永磁转子之间的磁场啮合面积改变，从而实现负载转速变化。啮合面积大，通过永磁调速器传递的扭矩就大，负载转速高；啮合面积小，通过永磁调速器传递的扭矩就小，负载转速低。电动执行器提供动力使得啮合面积随着电动执行机构的指令变化而变化，电动执行机构接受控制中心（根据不同的情况，可以是PLC控制，也可以是DCS控制）的指令，电动执行器根据控制中心的指令进行动作，并将结果反馈给控制中心。控制信号源则为工艺需要的控制对象，对于泵系统而言可能是管网压力、流量、或者液位，而对于水泵 而言则可能是压力、流量等其它工艺需要的一些参数，因此控制信号源可能为压力信号、流量信号、液位信号等等。通常而言信号为4-20mA的电流信号。就地显示控制箱提供就地显示功能，并提供系统信号的上传下达的通道，方便工作人员到现场巡检。反馈信号电 机PLC现场控制器(或直接到DCS)压力, 流量或其它控制信号水泵风机 或其它负载设备执行器永磁调速器控制/反馈信号(4 20 mA)反馈遥控转速人机界面4 永磁调速器节能原理及量化分析4.1 节能原理 阀门调节方式耗能情况：根据风机、水泵系统设计原则，为了保证负荷最大时风机或水泵系统满足输出要求，通常需要按系统的最大输出能力配备风机水泵系统。而真正实用中，绝大多数情况下并非需要系统在满负荷下使用，而是根据负载的实际需要，通过流量控制元件如阀门或风门挡板等实现流量或压力的调节，以满足生产过程的需要。最典型的控制流量或压力的方法是使用阀门或风门挡板。此时，风机或水泵系统的效率电机效率调节流量或转速或压力控制原件的效率风机或水泵效率输送管道的效率。如果其它效率恒定的情况下，系统效率取决于调节流量或转速或压力控制设备的效率。由于阀门或风门挡板是通过调节开度来实现输出流量或压力的调节，电机和负载的转速并未发生变化，根据相似定律，输入功率并不会因为阀门开度变化而变化。当阀门或风门挡板开度100%或调节器非直通型，流体经过阀门或风门挡板都会造成非常大的能量损失，同时在阀门或风门挡板两端产生很大的压差，特别是在风机或水泵的输出端的压力增高，使得风机或水泵的运转点偏离最佳效率点，因此，阀门开度减小时，电机输入功率不会显着减小，很多能量因此浪费掉。 采用永磁调速改造的系统耗能情况：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，扬程H的关系为： 离心式负载特性曲线其中：Horsepower：轴功率曲线、Speed：转速及流量曲线、Torque：压力曲线如图所示：当电机的转速由n1变化到n2时, Q、H、P与转速的关系如下: (1) (2)= (3)可见流量Q和电机的转速n是成正比关系的，而扬程与转速的二次方成正比，所需的轴功率P与转速的立方成正比关系。所以当需要80的额定流量时，通过调节电机的转速至额定转速的80，此时系统的扬程仅为原来的64%，此时所需功率将仅为原来的51.2，即： 离心式负载调速性能表转速(%)流量(%)压力(%)轴功率(%)节电率(%)备注1001001001000在实际运行中，由于转速下降会引起其机泵系统效率下降，加上调速装置效率的影响，实际节电率小于表中所列数值。90908172.927.180806451.248.870704934.465.660603621.678.450502512.587.5从泵的运行曲线来分析采用永磁调速后的节能效果：图3 离心式负载的运行曲线当所需流量从Q1减小到Q2时，如果采用调节阀门的办法，管网阻力将会增加，管网特性曲线上移，系统的运行工况点从A点变到新的运行工况点B运行，所需轴功率P2与面积H2Q2成正比；如果采用调速控制方式，泵转速由n1下降到n2，其管网特性并不发生改变，但泵的特性曲线将下移，因此其运行工况点由A点移至C点。此时所需轴功率P3与面积HBQ2成正比。从理论上分析，所节约的轴功率Delt(P)与（H2-HB）（C-B）的面积成正比。在实际运行中，系统能够调节的空间通常是在考虑流量满足的同时还必须考虑系统的扬程能不能满足要求。通过实践的统计，离心式水泵 泵类负载通过调速控制可节能2050。4.2 节能量化分析（1）、改造前电能年消耗量: -（1）其中：改造前总耗电量，。全年平均运行时间，；单一负荷下工频运行功率，；这种负荷下的全年运行时间比例；电机电压，kV；电机电流，A；单一负荷下运行功率因数，小于额定功率因数。（2）、改造后电能年消耗量:-（2）其中：改造后总耗电量，。全年平均运行时间，； 改造后电机消耗功率，kW；泵额定轴功率。这种负荷下的全年运行时间比例；为转速比， 为改造后的流量。为改造后的压力。为综合效率（包括永磁调速器效率、泵和电机效率下降比率）计算时保守一点取值为0.90。应用领域广泛应用于电力、石油、化工、自来水厂、造纸、钢铁、水泥、冶金、采矿、市政、舰船、灌溉、输送带等领域。 l 可在高温低温、高海拔、高粉尘、湿度大、雷击、易燃易爆、腐蚀、空间狭小等恶劣环境中使用l 适应于任何异步电机，对电力品质无要求l 产品适宜的负载 离心泵 离心风机 离心压缩机26与同类型产品的对比 当前，国内企业的风机和水泵所采用的调速方式大部分是变频调速。鉴于变频器在生产运行中所出现的问题，尤其是变频设备故障的不确定性，给企业生产上带来了隐患，直接影响了生产运行的连续性，稳定性和可靠性，也给企业带来了较大的经济损失，这种损失通常是因为电气设备故障时，造成停机，而采用大功率永磁调速器调速方案取代目前的变频器调速方案，则可获得使用变频器调速方案所无法比拟的绝对优势。我们就企业最为关心的以下四个方面来进行分析比较（一）系统的可靠性永磁调速器 永磁调速器是一个机械产品，结构简单，性能稳定，对供电电源没有任何要求，且使用中不会对电网产生高次谐波污染（谐波污染对电网产生的危害众所周知，这里不再赘述）。因为不用电，所以不存在电磁干扰问题。高压变频器尽管高压变频器目前技术比较过关，但是作为一个高度复杂的电子设备而言，其运行中故障的不可预见性，不确定性还是有目共睹的。首先对环境的要求十分苛刻，专用房间要密封，防尘，夏季要有空调来保持设备正常运行所要求的温度，辅助设施投入较大。其次对供电电源有一定的要求，电子设备易受电磁干扰，会造成变频器设备运行的不可靠。同时在变频器运行时，对电源系统也会产生高次谐波污染，破坏电网质量，严重时甚至影响电子设备的稳定运行，需要用户采用其他的设备（滤波器）来消除，另外，由于采用变频器时，电机和负载的轴连接是接触式的，不具备减少轴承，密封损坏的优点。（2） 长期运行的稳定性永磁调速器 永磁调速器具有机械结构简单，一旦安装完成投入使用，基本不受使用环境的干扰和影响，运行稳定可靠。因为不用电，所以不存在电磁干扰问题。由于采用永磁调速器时，电机与负载之间的轴连接是非接触的，因此，负载的振动不会传递到电机上，也正是由于轴连接是非接触的，所以带来了两方面的好处，一是安装时“对中”要求低；二是长期运行中不会因为直接的轴连接而带来的轴承，密封的损坏保证设备的使用。作为机械设备，其可能的运行故障是可预见的，不会因为突发故障而给用户带来措手不及的事故。高压变频器 变频器的核心是一个复杂的电子设备，安装完成投入运行后，易受使用环境的干扰和影响，难以保证其运行的稳定可靠。根据多数企业使用情况调查，变频器在使用过程中，平均每年都要发生一次故障，长期运行稳定性很差。作为复杂的电子设备，其运行故障是不可预见的，它会因为突发故障而给用户带来措手不及的事故。（3） 初始安装及日后可维护性永磁调速器 结构简单，电机与负载的轴连接是非接触的，对中精度要求低，安装调试快捷。由于是纯机械设备，无复杂电子设备，经简单培训后，电厂的机务人员与电气人员将会快速确定故障原因，并迅速自行解决故障，不必请专业公司的人来维修。其寿命可达30年。变频器 变频器是复杂的电子设备，一旦有电气故障发生，电厂的机务人员与电气人员难以快速准确的确定故障原因，并涉及备件更换，不可能迅速的解决故障，只能由变频器生产厂家或专业的公司派人修理，难以保证快速恢复，不影响生产。变频器的使用寿命最长也不过7到10年。（四）经济性分析永磁调速器 永磁调速器的初始投资与进口变频器的投资目前大致相同，比国产变频器初始投资稍高。永磁调速器基本上是免维护的，所以维护费用几乎为0。永磁调速器故障率低，不会因为频繁的故障造成设备停机，给企业带来经济损失。高压变频器 平均每年都要有一次故障，每次的维护换件，人工费用价值不菲。且由于故障的不确定性，给生产造成的损失也更大。为了确保变频器突发故障时生产不受影响，变频器的备件通常要备的全一些，这样造成了资金的占用，而且由于故障的不确定性，经常发生有的备件常年不用。由于电子元件有一定的实效性，所以过期的备件只能报废，造成资金的浪费。 所以从长远的经济回报角度来考虑，永磁调速器都具有比变频器优越得多的经济性。 无论是从经济效益还是从生产的安全稳定性来看，采用永磁调速器具有高变频器调速方案无可比拟的绝对优势，是国内企业的最佳应用选择。典型案例6.1案例一：华能北方联合电力乌海热电厂水源地升压泵系统项目地点：水源地1#、4# 升压泵系统系统参数：电机：Y315L1-4 额定功率：160KW 额定转速：1486 rpm 额定电流：289.04A 额定电压：380V 水泵：DFSS150-605B 轴功率：160KW 额定转速：1480 rpm 需求背景：乌海热电厂水源地升压泵系统是通过4台水泵分别将1#、2#蓄水池的水打往厂区，供厂区生产，系统运行状态为两投两备。永磁调速改造前，再循环阀门开度：75%，水泵出口阀门开度：75%，两台电机电流分别为：278.7A、225A。由于厂区整体生产用水要求压力变化较频繁，故导致手动调节阀门较频繁，且通过再循环阀门和出口阀门调节水压，导致大量能量浪费。使用效果：本次永磁调速改造针对#1、#4水泵。改造完成后系统可随时通过远程控制中心在线调节水泵转速，减轻了现场操作人员的工作强度，使调节更加方便。同时，系统运行后，再循环阀门全部关闭，水泵出口阀门全部打开，达到了节能节电的最终目的。改造完成后，其现场运行参数如下（投运一台永磁调速改造系统、一台原系统，再循环阀门全关，出口阀门全开）：永磁调速器行程电机转速水泵转速#1泵电流#3泵电流10%1486 rpm298 rpm99 A267.3 A30%1486 rpm558 rpm106 A265.2 A50%1486 rpm890 rpm125 A268.6 A70%1486 rpm1250 rpm158 A267.6 A90%1486 rpm1360 rpm176 A266.9 A 改造前 改造后通过实际运行，在使用#1水泵永磁调速器调节出口压力后，永磁调速器行程只需控制在30%-40%即可大部分时间满足生产要求，此时电流为105A-112A：。经过1个月的运行统计，与原系统耗电相比，对1#泵加装永磁调速器后，系统节电率可达45%。 6.2案例二：华电内蒙古能源有限公司卓资发电分公司项目地点：热网总站4# 循环泵系统系统参数：电机：YKK45024 额定功率：500KW 额定转速：1480 rpm 额定电流：60A 额定电压：6000V 水泵：OTS250-600A 轴功率：500KW 额定转速：1480 rpm 扬程：130m 流量：990m3/h需求背景：原热网总站循环泵系统采用的是原始的节流阀系统。通过控制出口阀门开度来控制水量，从而实现对卓资县地区的冬季供热。永磁调速改造前，水泵出口阀门开度：10%-15%，电机电流为55A-56A，大量能量浪费于节流阀节流。使用效果：本次永磁调速改造针对#4水泵。改造完成后系统可随时通过远程控制中心在线调节水泵转速，实现了节能节电的目的，同时减轻了现场操作人员的工作强度，使调节更加方便。改造完成后，系统运行参数如下（水泵出口阀门全部打开）：伺服机行程电机转速(rpm)负载转速(rpm)电机电流（A）0%148020812.520%148062016.240%148086022.360%1480105032.680%1480120047.6100%1480143856.9安装完成后，根据系统运行要求，永磁调速器行程在30%-40%即可大部分时间满足生产要求，其节电率可达50%以上，得到了用户的高度认可。6.3案列三：中石化金陵分公司项目地点：热电运行部3# 发电机C凝结水泵系统参数：电机：YLST355-4 额定功率：185KW额定转速：1480rpm额定电压：6000 V水泵：7LDTG-4 轴功率：168 KW扬程：100m 流量：350 m3/h需求背景：金陵石化热电运行部3#发电机凝泵系统是通过3台立式凝泵来泵送发电机凝结水的，由于3台凝泵系统型号不一致，导致各凝泵并网时水压不同，故原系统常年采用节流阀调节出水口压力。且原系统水泵无推力轴承，导致电机前轴承由于长期承受水泵推力而经常损坏，其轴承更换周期约为3-4个月。永磁调速改造前，电机电流约为20.5A。使用效果本次永磁调速改造针对#3发电机A凝结水泵。改造完成后系统可随时通过远程控制中心在线调节水泵转速，从而调节水泵出口压力，水泵出口阀门全部打开，实现了节能节电的目的。同时，永磁调速器能够隔离电机和水泵，使两者完全没有机械链接，并且我公司在永磁调速器部分设计了推力轴承组，大大延长了电机的寿命，至2009年永磁调速改造完成至今，电机轴承再未损坏。改造完成后，系统运行参数如下（水泵出口阀门全部打开）：行程10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%流量289310321330338342347350353355电流12.314.015.316.116.817.317.618.118.318.4电机转速1480148014801480148014801480148014801480安装完成后，根据系统运行要求，永磁调速器行程在30%-40%即可大部分时间满足生产要求，此时电流大致为16A，根据耗电量统计，其节电率约为22%，节电效果相当显著，得到了用户的广泛好评。部分业绩表：序号用户项目名称功率数量时间1金陵石化热电灰浆泵永磁调速器改造220KW220102南京自来水公司水泵永磁耦合器改造110KW420093金陵石化热电凝泵永磁调速器改造185KW320114仪化热电排粉风机永磁调速改造220KW220115巴陵石化热电引风机永磁调速改造200KW420116南京自来水公司水泵永磁耦合器改造55KW220107大庆石化总厂水泵永磁调速器改造300KW220118大庆油田某采油厂污水泵永磁调速器改造90KW620129内蒙华能上都电厂循环水泵永磁调速器改造550KW1201210内蒙乌海电厂循环水泵永磁调速器改造160KW6201211胜利油田发电灰渣泵永磁调速器改造200KW2201112胜利油田发电循环水泵永磁调速器改造1500KW1201113内蒙卓资电厂循环水泵永磁调速器改造500KW1201114陕西龙门钢铁送风机永磁调速器改造155KW2201315苏州钢铁风机永磁调速器改造155KW2201316茂名石化循环水泵永磁调速器改造630KW1201217山东莱州电厂水泵永磁调速器改造55KW2201218合肥热电水泵永磁调速器改造55KW6200919长岭石化排粉机永磁调速器改造560KW1201220内蒙华能上都电厂冷却塔风机永磁调速改造168 KW2201121胜利油田油气集输总厂供油泵永磁调速器改造680 KW1201322胜利油田集输永安水泵永磁调速器改造800 KW1201323中石化胜利油田发电厂排渣泵永磁调速器改造160 KW1201224中石化仪征化纤一次风机永磁调速器改造280 KW4201125中石化南化分公司引风机永磁调速器改造220 KW2201126巴陵石化水泵永磁调速器改造800 KW2201327仪征化纤热电厂引风机永磁调速器改造500 KW6201328金陵石化热电厂清水泵永磁调速器改造280 KW2201329金陵石化炼油厂水泵永磁调速器改造380 KW1201330金陵石化烷基苯厂水泵永磁调速器改造280 KW2201331国电大连庄河发电公司开式泵永磁调速器改造198 KW2201332神华集团乌海能源公司永磁调速器改造250 KW2201333中石化巴陵石化水泵永磁调速器改造400 KW1201334青岛石化水泵永磁调速器改造160 KW22013三种常用调速技术比较序号描述变频调速液力耦合调速永磁调速器1总费用较高较高最低2对中要求激光对中，要求较高激光对中