永磁调速与变频调速的应用分析

永磁调速与变频调速的应用分析

包晓斌

中国电建集团核电工程有限公司， 山东济南 250102

摘要：随着社会的发展，我国的科学技术的发展也有了很大的发展。水泵与风机是我国工业领域最常用的通用机械，被广泛应用于电力、石油、化工、冶金、城建等领域。水泵与风机耗能巨大，电力消耗占全国发电总量的40%左右。通常在水泵与风机等设备选型时，从安全可靠性方面考虑，选取的水泵与风机都留有很大的裕量，实际运行流量远小于额定流量。而这些水泵和风机大都采用定速驱动，因此在实际运行过程中通常是采用调节阀门或者风门挡板的方式来调节流量，从而导致系统效率低下，能量浪费严重，具有很大的节能潜力。众所周知，转速调节是水泵和风机等离心设备最有效的节能方式。目前，在众多调速技术中，变频调速和永磁调速是应用最为广泛的两种调速方式。

关键词：永磁调速；变频调速；应用分析

引言

永磁驱动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、泵类离心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。尤其是其不产生谐波且低速下不造成电动机发热的优良调速特性，更使其成为风机及泵类设备节能技术改造的首选。变频调速技术是在电动机供电电源与电动机定子间加入一个可改变电动机供电电源频率的变流装置，将通常50Hz工频交流电源变为频率可调的交流电源的调速技术。

1两类调速系统的优缺点比较

1.1永磁调速系统

第一热电运行车间7#炉送风机所采用的永磁调速装置，可以进行远端和就地控制，运行操作方便，有一定的节电效果。永磁调速器是通过气隙传递转矩的，从而实现了电动机与负载之间的转矩传输，减少了电动机由于风机造成的振动问题。在实现软起动过程中，永磁调速器的起动过程是先将气隙调节到最大，这时电动机与负载是完全脱开的，实现电动机的空载起动，然后通过慢慢加速起动负载，当永磁调速器自动系统出现故障时，可以通过执行器手动调节。尽管永磁调速存在着许多优点，但在实际应用中还存在一些缺陷。另外永磁调速在安装时，电动机要向后移动，对电动机基础要加以改造，并对其加装刚性支座，相对于变频调速改造时间较长，同时还要求电动机的轴向窜动要在一定范围内，以保证运行平稳。

1.2变频调速系统

变频调速是通过改变定子电源的频率来改变同步频率实现电动机调速的。在调速的整个过程中，从高速到低速可以保持有限的转差率，理论上来讲具有高效、调速范围宽（10%～100％）和准确度高等性能，节电效果可达到30%～40％。变频器技术运用时间较长，技术相对成熟，设备运行平稳，故障率较低。由于变频器的变流过程都是由半导体电力电子器件进行整流及逆变而实现的。而变流过程需要电力电子器件能承受相应工作电压（这是电力电子器件最重要的），同时在变流过程中产生功率损耗。功率损耗与通过变流装置的电能功率成正比，在一定程度上影响了节电率。另外，变频器的寿命约为8年，且随着使用年限的增加，故障率逐年提高，同时，变频器运行维护费用高，厂家配件贵，维护保养难度较大。

2技术特性比较

2.1负面效应

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率电能的控制装置，以变频器作为调速功能件的变频调速伴随着诸多负面效应，其中主要的负面效应如下：变频器会输出谐波，引起电流波形畸变，降低供电效率及电能质量，增加无功损耗，降低继电保护及自动装置可靠性，影响通讯系统正常工作，损害用电设备及人体健康；导致电机的温升要比工频时增加10%～20%，损害电机绝缘，有些变频电机的使用寿命只有1～2年，甚至在试运行期间电机绝缘就被击穿损坏，还增大了电机内部的功率消耗；加快电机轴承的损坏速度，在所有损坏的电机轴承中，25%是由于逆变器输出电压的dv/dt过大而产生轴电流造成的；对电源产生强烈的电磁干扰；变频器和电机之间采用长线电缆连接时，会在电机输出端出现过电压现象，造成电机或电缆的绝缘损伤，甚至被击穿，严重时会导致电机烧毁、电缆爆裂；当变频器产生的高频电磁振荡的频率与电机的零部件的固有频率相近时，会诱使其发生机械振动和噪声；在电机低速运行时，还会发生步进现象，可能引起电机与负载组成的机械系统共振。永磁调速器是比较精密的纯机械产品，没有配置电力电子组件，因而永磁调速不会出现变频调速所伴随的负面效应。

2.2可靠性

永磁调速属柔性联接传递转矩，可避免振动传递，最大可减振80%，调速过程中不会产生共振；可避免负载所受冲击载荷对电机的负面影响；对电机散热性能无影响；无易损件，故障点很少，可靠性高，无故障运行时间可达30000h；使用寿命在25年以上。变频调速属刚性联接传递转矩，无隔离、减小振动的功能，调速过程中可能产生共振；负载所受冲击载荷会对电机造成负面影响；电机散热性能下降；易损件多，故障点很多，可靠性低；使用寿命在10年以内；运行5年以后，故障很多。

2.3安全性

在易燃、易爆、易腐蚀、高温等环境下，变频调速由于变频器配置了大量电力电子元件，伴随着诸多负面效应，存在起火、爆燃、爆炸、电击等安全风险。永磁调速因为永磁调速器属于机械设备，不会出现起火、爆燃、爆炸、电击等安全事故，其安全性比变频调速好得多。

2.4环境适应性

永磁调速只需现场局部改造，设备占用空间小，可安装于室内或室外，对电机绝缘无特别要求，适应潮湿、肮脏、易燃、易爆、高海拨、易雷击、温度变化范围大、电网电压波动大、电源谐波含量高等各种恶劣的运行环境。变频调速需配置专用房间，设备占用空间大，只能安装于室内，对电机的绝缘等级要求高，要求运行环境洁净、防火、防爆、防雷、低海拨、低湿度、温度变化范围小、电网电压波动小、电源谐波含量低。

结语

近年来，由于对节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，各种调速装置技术成熟，同时其操作简单、节电效果明显，并可以实现高功能化等特点，因而采用各种调速装置逐步取代风门、挡板和阀门的控制方案。通过实际使用发现：变频调速装置虽然能达到良好的节电效果，但大型的电动机高压变频器安装环境要求较高，需要设置配电间隔，考虑到其散热问题要安装空调器等散热装置。特别是其产生的谐波电流和谐波电压，对公用电网是一种污染，使用电设备所处的环境恶化，给周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。永磁调速在传递效率、调节准确度和响应速度方面略低于变频调速。

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