浅析实际应用中永磁和变频调速的优缺点

浅析实际应用中永磁和变频调速的优缺点

杨大鹏关士武

大庆油田化工有限公司甲醇分公司黑龙江大庆163411

摘要：变频调速和永磁调速是现代企业普遍使用的风机调速技术。本文分别介绍变频调速和永磁调速两种技术的原理及特点，并从安全性、可靠性、工作实际环境及运行效果等方面比较变频调速和永磁调速在风机中应用情况。

关键词：永磁调速；变频调速；风机；安全性；可靠性

风机是工业领域最常用的、通用机械设备，被广泛应用于电力、石油、化工、冶金、等工业领域。风机在设计时是按照满负荷输出设计的（并适当留有余量），绝大多数情况生产时的实际工况，并非满负荷运转，常用节流的方式对风机的流量进行调节，这种方式控制精度低，速度慢，能量损耗大已逐步淘汰。目前，风机调速技术多种多样，但在工业领域中，变频调速和永磁调速使用的比较广泛。变频调速在二十多年的发展中，技术越来越成熟，调速精度也越来越高。永磁调速技术因新永磁体材料技术的发展，近年来实际应用案例占比有所提高，其具有节能、可靠性高、调速比宽、稳定性好、对环境要求不高、使用寿命长等优点。目前永磁调速还处于应用推广期，企业应用较少，我公司新建装置设计中引入永磁调速风机，本文将浅析两种调速方式的原理和实际应用，比较两种风机调速技术特点。

一、变频调速

（1）变频调速原理

变频调速是直接驱动于电机电源，通过调节频率来控制电机转速，用以改变负载转速。电动机分为直流同步电动机和交流异步电动机，其中异步电动机在我国电机拖动中占比90%以上，使用普遍，本文所指电机皆为异步电动机。

异步电动机的转速与电机级数p和转差率x具有以下函数关系：n=（1-X）*60f/p。当电机级数p和转差率x因数无法改变时，或者转差率x变化不大时，电机转速n和电源频率f成正比例，调整电源频率f，即可以改变电机的转数n［1］。

变频调速基本原理是在整流桥半导体器件作用下，将工频交流电转换为直流电，逆变器将直流电转换为频率、电压可调的交流电，转化后的交流电作为电机的驱动电源，使拖动负载转速可调节。

（2）变频调速特点

变频调速通过改变电机的实际工作频率调节负载风机转速，是一种有效的调节方法，无额外的滑差损失。变频调速具有调整精度高，动态反馈快，调速性能好、效率高，节能等特点。

二、永磁调速

（1）永磁调速原理

永磁调速器主要由导体转子盘与永磁转子和气隙调节机构组成［2］。如图1所示。导体转子和永磁转子之间空隙，固定连接到电机轴和负载设备轴、并且独立旋转。当电机轴旋转时，导体转子盘切割永磁转子的磁力线，在导体转子盘上产生涡流，进一步形成了感应磁场。感应磁场根据同向排斥、反向相吸原理产生耦合力。耦合力可以带动永磁转子负载旋转运动。对于盘式永磁调速器，调节机构安装在负载端，通过调节导体转子与永磁转子之间的气隙距离，改变转矩的大小，从而调整负载转速的大小。

图1永磁调速器组成图

（2）永磁调速特点

根据永磁调速技术原理，永磁调速技术具有以下特点：

第一，永磁调速的调速范围为0%~97%，调速范围广。

第二，启动时，将气隙调节到最大，可实现空载启动，有效降低启动电流和启动时间。

第三，振动冲击小，系统平稳性高。电机和负载之间没有机械硬连接，扭矩通过气隙传递，振动传递被隔绝。

第四，永磁调速器（PMD）结构简单，故障率低，维护保养成本低，可使用25年

第五，节约能耗。通过调节负载转速，效率提高，降低电机负荷，减少中间环节损失，有效节约能源。

第六，对环境要求不高。适应粉尘含量高，易燃、易爆，潮湿，高、低温等环境较为恶劣的场所。

第七，无谐波干扰。永磁调速器（PMD）为纯机械连结，不会对电网产生谐波。

三、变频调速和永磁调速对比

变频调速是通过改变供电频率从而改变负载转速的控制方法。永磁调速是调节气隙间隙距离，利用永磁盘与导体盘之间的磁耦合效应，改变传动扭矩，进而调节负载转速的一种技术。

（1）环境

变频调速对环境要求较高。安装于室内，需配置专用房间，设备较大，对电机的绝缘等级要求高，要求运行环境较为严苛，需洁净、防火、防爆、防雷、低海拔、低湿度、温度变化范围小、电网电压波动小、电源谐波含量低。

永磁调速对环境要求不高。设备占空小，适当增加联轴器间距就可满足安装要求，可安装于室内或室外，电机绝缘一般即可，可适应各种恶劣的运行环境：潮湿、脏、易燃、易爆、高海拔、温差大、电压波动大、电源谐波含量高［3］。

（2）可靠性

变频调速系统中因大量使用电子器件，易多发故障，可靠性差。长周期连续运行的变频器，一般正常使用年限为3-6年，即进入高发期故障期。变频器系统中风扇和滤波电容的维护和更换频率通常很高，且经常会出现诸如烧坏和部件故障组件等。如发生电气故障，需专业技术人员对其进行修理，这会导致故障排除和维护成本高，生产中断。并且工作时会产生大量谐波，干扰电网质量，损坏附近设备，影响系统的稳定性。

永磁调速器为无电子元器件，机械结构方式。使用生命周期长达25年左右，运行稳定，结构可靠。维护简单，一般正常使用只需每4年更换轴承等易损部件即可。永磁调速器在工作时不产生谐波，不会影响电网供电质量［1］。

（3）安全性

在易燃、易爆、腐蚀、高温等恶劣环境中，由于内置当量电子元件对环境要求高，变频控制存在发生火灾、爆燃、爆炸和电击等事故风险。因为永磁调速器是纯机械设备，安全属性远高于变频调速。

（4）经济性

由于永磁调速器的使用寿命长，机械连接，故障率低，运行成本和维护成本相对较低，并且设备运行期的年平均成本较低。由于变频器使用寿命相对较短，内置电子元件众多，设备故障率高，运行成本高、维护成本高，因此设备生命周期内的年平均成本较高。比较而言，永磁调速是较为经济的一种技术。

四、实际应用中两种调速方式问题的对比

风机转速是化工装置转化炉“炉膛负压”的关键控制参数，炉膛负压能否稳定、精确、及时调节，直接关系到装置运行的安全性和经济性。

（1）永磁调速在实际应用中存在的问题

风机转速采用永磁调速方式进行调节，在运行过程中存在以下问题：

1）永磁传动原理决定了他会发热，在转速调整过程中导体盘温度变化率大，容易造成导体盘轴承损坏。采用水冷却降温会有水垢现象产生，采用油冷却方式存在安全隐患，采用风冷方式对环境有较高要求，因露天安装，杨絮柳絮爆发式容易导致，散热盘堵塞，散热不好，所以热量处理是其技术首要难点之一；

2）从信号输入到反馈有时间的延时，调节及时性很差，对突变信号反映不灵敏；

3）轴承及轴承座间隙的较小，因为永磁传动设备工作时导体盘发热，如散热效果不好，将导致润滑脂高温变质轴承损坏。且永磁调速导体盘轴承更换极为复杂，安装精度要求高，运行保养、故障处理困难且周期较长；

4）该调速方式受外部环境影响大，低气温和大量降雨都会造成该调速机构出现不稳定，因露天安装，环境温度，冬夏两季，环境温差大，同一种润滑脂，无法适用，大范围温度变化，会导致轴承损毁；

5）轴承窜动的问题。永磁驱动和速度控制装置的结构原理，连接方式决定了永磁转子，铜转子对电机轴承及负载轴承会有轴向的吸力，轴承轴向载荷较大。

（2）实际应用中变频控制存在的问题

利用变频调速方式控制调节风机风量，存在以下问题：

1）风机电动机由1台变频器拖动，在装置运行过程中容易出现因变频器故障而导致装置全面停车，短时间内不能恢复生产的情况发生。为有效减少变频器故障带来的设备意外停机，导致装置全面停产，利用双变频切换控制驱动电动机的方法，可有效保证主变频器故障时，备用变频器自动启动，确保设备正常运行，不影响正常生产。这种调速方式前期投入资金较多，且一台变频器大部分时间处于闲置状态的。

2）变频器运行时，产生谐波会引起电流波形畸变，降低供电效率及电能质量，增加无用功率，影响继电保护功能元件运行可靠性。并且必须使用专用电动机，电机风扇独立运行。

3）采用变频调速方式，电机与负载机械硬链接，需精准对中，否则机械振动有放大效果，引起噪声，加快密封部件及轴承磨损，降低运行有效时间，增加维修成本及次数。

结论

本文从原理分析，调速特点，设备工作环境，可靠性，安全性等方面，对比分析。结果表明，风机调速采用哪种方式，在设计时，应充分考虑，实际环境因素，维护人员技能水平，工艺负荷变化实际需求，经济效益，等因素进行选择。如实际情况，无法满足，调速方式的需求，必将导致故障率增高，影响生产平稳，导致经济损失过大。

参考文献：

[1]马玉顺，吴明，匡俊等.永磁调速与变频调速对比研究[J].黑龙江科学，2017，8（8）：63-67.

[2]李冬冬，刘建频，匡俊等.永磁调速技术节能研究[J].黑龙江科学，2014，5（4）：26-27.

[3]苏少锦，龚曙光，贺运初.永磁调速与变频调速的综合比较分析[J].设计与分析，2017，（21）：132-133，135.