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筒式永磁调速器在风机上的应用及节能分析吴晓波;张磊;闫雪兰;李成军;赵娜【摘要】为了实现风机节能改造的要求,通过采用筒式永磁调速器对风机进行调速控制,改变风机风量以适应工艺需要从而达到节能的目的.通过论述筒式永磁调速器的工作原理、结构特点以及在火电厂锅炉风机上的应用,分析得出其节电率可达到30%左右,实现了原理结构简单、运行安全可靠、高效环保的效果.该调速器具有广阔的应用前景.%In order to achieve the requirements of energy-saving fan,through the use of cylindrical permanent-magnet governor to the fan speed control and change the fan air volume to meet the needs of the process to achieve the purpose of energy conservation.This paper through discusses the theory and structure characters of cylindrical permanent-magnet governor,and the application in power plant fans.Analyses shows that the governor can save 30 percent energy with simpler structures,and makes more reliable,efficient operations.Thus it makes a prospective market in application.【期刊名称】《甘肃科学学报》【年(卷),期】2017(029)004【总页数】4页(P117-120)【关键词】筒式永磁调速器;调速节能;风机改造;风门节流【作者】吴晓波;张磊;闫雪兰;李成军;赵娜【作者单位】华能山东石岛湾核电有限公司,山东荣成 264312;华能山东石岛湾核电有限公司,山东荣成 264312;甘肃省科学院磁性器件研究所,甘肃兰州 730000;甘肃省科学院磁性器件研究所,甘肃兰州 730000;甘肃省科学院磁性器件研究所,甘肃兰州 730000【正文语种】中文【中图分类】TV732.7一套20 kg/s左右的蒸汽锅炉配置一次风机一台、二次风机一台、引风机一台。
永磁调速技术在余热回收系统中的应用及节能分析摘要：永磁调速技术是电动机调速节能技术。
文中主要介绍永磁调速技术的原理以及在天津石化炼油部2#常减压装置加热炉余热回收系统鼓、引风机中采用永磁调速技术进行变转速调节，实现永磁调速的方式替代调节烟道挡板的方式，达到节约电能的目的。
关键词：余热回收系统永磁调速改造节能一、引言在炼油行业中，风机是耗能大户，其中在常减压装置中，鼓风机和引风机作为加热炉余热回收系统中强制通风的动力设备，长期工作在额定转速下，消耗大量的电能。
采用永磁调速技术，进行变转速调节，具有较大的节能空间和很好的经济效益。
二、永磁调速技术探究1.永磁调速的工作原理永磁调速器的结构组成包括：永磁体，铜导体等。
如图1示。
永磁调速的工作原理和电动机的工作原理是相同的，导体盘相当于电动机转子；磁体盘相当于电动机定子。
当定子通入对称电压时，在空间产生逆时针的旋转磁场，转子在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流，形成转子磁场。
两种磁场相互作用，产生电磁转矩。
当两者有相对运动，旋转的磁体盘提供旋转磁场，导体盘在旋转磁场作用下，产生感应涡电流，进而在铜导体上产生感应磁场，导体盘感应磁场与磁体盘永久磁铁磁场相互作用，而产生扭距。
越靠近时磁力线密度越密集，产生效应越强，扭距越大（间隙越小，扭矩越大）；相对运动越快，效应越强，产生扭距越大（转差越大，扭距越大）；相对运动越大，两者感应同极磁场越强，产生互相排斥的力量（磁悬浮效应）。
2.永磁调速的节能原理我们将永磁调速器替代电机和风机之间的联轴器，安装在电机转轴的输出端和风机的动力输入端之间，通过改变永磁调速器上的磁体间隙来改变风机的转速，实现对风机流量的连续控制。
由于风机的功率与转速的3次方成正比，因此，在电动机转速不变的情况下，调节风机的转速下降时，其输出的流量成比例的减少，电动机的功率急剧下降，减少了能源的需求，从而大量节约电能。
三、永磁调速技术应用1.加热炉余热回收系统存在的问题天津石化炼油部2#常减压装置的余热回收系统采用鼓、引风机强制通风，如图1示，整个流程为：空气通过鼓风机，经过空气预热器送至加热炉，加热炉的烟气通过引风机，经过空气预热器抽出送至烟囱排出。
永磁调速技术在循环水泵上的节能应用分析作者：缴庆丰来源：《海峡科技与产业》 2016年第10期摘要：为实现辅机循环水系统的经济运行，采用了永磁调速技术对循环水泵进行节能改造。
介绍了筒式永磁调速器的调速原理及特点，对影响永磁调速器节能量的因素进行了分析，根据永磁调速器在循环水泵上应用的数据，研究了永磁调速器在共母管并联系统中的节能效益。
关键词：永磁调速器；循环泵；并联；节能0引言大唐武安发电有限公司2×300MW机组的辅机循环冷却水系统设有3台辅机循环水泵，2用1备，露天布置，为辅机提供冷却水，并将使用后的冷却水通过冷却风机进行冷却，通过回水管重新进入吸水井，实现冷却水的循环，满足冷却需求。
1永磁调速器1.1永磁调速器结构及原理永磁调速器属于机械调速设备，适用于风机、泵类等离心式负载‘“，安装在电机和负载之间，实现一对一调速。
结构主要包括导体转子、永磁转子和调节器三部分。
导体转子与永磁转子通过气隙间隔开，结构如图1所示。
调节器调节永磁转子轴向移动，从而改变导体转子与永磁转子的啮合面积。
工作时，导体转子切割永磁转子的磁力线，在导体上产生涡流，涡流产生的感应磁场与永磁体磁场相互作用，带动永磁转子旋转，从而将电机的动力传递给负载。
通过调节导体转子和永磁转子的啮合面积，可改变永磁调速器的输出转速和转矩，调节负载的流量和压力。
1.2永磁调速器特点永磁调速器运用于离心式负载系统中有如下优点：(1)节能效果显著，节电率可达10%～60%；(2)结构简单，维护成本低，使用寿命长；(3)通过气隙磁场传递扭矩，传动平稳，可减小系统的振动；(4)可实现电机的轻载启动和过载保护，提高系统的运行可靠性；(5)对环境的适应能力强；(6)不受电网质量的影响，也不会产生谐波污染电网。
1.3永磁调速器节能量影响因素永磁调速器最主要的作用是节能，节能量是与系统的运行参数有关，主要有以下几点：(1)原运行工况参数值。
例如压力、流量等可调节的量值大小，可调整量越大，节能量越高。
永磁调速技术在火力发电厂中的节能应用研究总结和探讨，并从解决这一问题出发，提出了永磁调速驱动器改造方案，对改造方案的实施过程和实施后带来的效果进行了全面分析。
【关键词】永磁调速技术；火力发电；电力能源；节能技术前言：离心式泵与风机在火电厂的总耗电量中占据较大比例，有时可高达发电总量的60%～70%。
对于大多数泵与风机而言，其工作状态长期处于在恒定转速下，并通过阀门节流手段实现对流量及压力的调整。
如果系统持续保持长时间的运行，不仅会造成大量不必要的节流能量消耗，同时也会产生气蚀、冲刷、振动等现象，从而导致设备损坏。
为了解决这一难题，可将永磁调速技术应用于火力发电厂中，再根据机组负荷、环境温度等外在因素变化随时调节泵与风机的转速，这样就能对出口压力和流量进行控制，降低泵与风机出力及消耗的电能，因此具有更大的节能空间并能创造巨大的经济效益。
1、永磁调速技术1.1工作原理永磁调速驱动器的结构主要包括铜转子、永磁转子以及控制机构这3部分。
铜转子安装在电动机轴上，永磁转子安装在负载转轴上，控制机构则位于铜导体和永磁体之间的气隙内以便实行控制。
由于系统工作时电动机轴上的铜转子和负载轴上的永磁转子之间会产生相对运动，因此根据电磁感应原理可知，当导体在磁力线中运动会产生感应涡电流，而导体上方则产生感应磁场，进而产生扭矩，且会随着与磁力线的逐渐靠近而变得更加密集，带来的效应也会增强、扭矩也会越大；扭矩的大小与相对运动的速度密切相关，当相对运动处于高速运行状态中时，二者之间会感应到极强的同级磁场，这时产生的扭矩明显远大于相对运动较慢时的扭矩[1]。
通过对永磁体和铜导体之间的气隙进行调节，能够显著改变负载轴上输出的转矩，从而对负载的转速加以控制。
1.2节能原理永磁调速驱动器可以根据需要来调节负载的转速，因而能够实现对离心式泵与风机的流量及压力的连续控制。
由于离心式泵及风机的扬程与转速的二次方成正比例相关，而功率则与转速的三次方成正比。
河北工业大学本科毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：非独立控制励磁的直流调速系统的仿真研究适用专业：自动化专业学生信息：081025 刘建锋自动化083班指导教师信息：江春冬讲师下达任务日期：2012年1月16日1．本毕业设计（论文）课题应达到的目的直流电动机一直以其具有较好的调速性能应用于有高精度调速要求的调速系统中。
为提高系统的高速范围，往往采取调压调速和弱磁调速配合方式，基速以下采用调压调速，属于恒转矩调速，基速以上采用弱磁调速，属于恒功率调速。
但二种调速控制的给定装置不应该完全独立，而是要互相关联的。
实际运行中，需要选择一种合适的控制方法，可以在二种调速控制方法中实现平滑过渡。
仿真技术是设计系统前对系统进行研究，发现问题，避免走弯路，为实际系统的设计打下基础。
本文就是对非独立控制励磁的直流调速系统进行仿真研究，旨在指导学生掌握调速系统的仿真工具及仿真方法，同时掌握调速系统的仿真设计研究过程。
2．本毕业设计（论文）课题内容及方法在阅读文献的基础上，掌握调压和弱磁控制时直流调速系统理论，设计调压和弱磁控制时调节器，熟悉调速系统的仿真工具（Matlab/Simulink），掌握调速系统的仿真研究过程，最后对一个非独立控制励磁的直流调速进行仿真研究。
3．主要参阅资料（包括参考书、文献、前期成果等）（1）陈伯时.电力拖动自动控制系统--运动控制系统（第三版）北京：机械工业出版社.2005（2）宋巍; 李姿. 基于Simulink/SPS模块的同步发电机短路仿真分析.[J] 电机与控制应用 , 2008,(6)（3）董尔佳; 高嵩. Matlab软件电力系统仿真应用简介. 黑龙江电力.2005，（5）（4）陈众,文艺,陈小林. 基于SimPowerSystems的电力系统仿真与潮流分析[J]长沙电力学院学报(自然科学版), 2004,(03)（5）刘刚利.全数字化双闭环可逆直流PWM调速系统研究[硕士学位论文]. 电子科技大学,2005（6）黄永安，马路，刘慧敏.MATLAB7.0/Simulink6.0建模仿真开发与高级工程应用. 北京：清华大学出版社.2005（7）薛定宇，陈阳泉. 基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用. 北京：清华大学出版社.2002（8）赵洋; 卜怿鑫; 许婕. 基于单片机的双闭环直流调速系统的设计与仿真. 装备制造, 2009，(8)（9）逄海萍, 刘建芳. 带饱和非线性调节器的直流调速系统的MATLAB仿真[J]. 电气传动自动化 , 2004,(03)（10）李威震, 于敬玲. 基于MATLAB的双闭环可逆直流调速系统的仿真研究[J]. 计算机仿真 , 2004,(11)（11）何颖, 鹿蕾, 赵争鸣. 直流调速系统的Matlab建模与仿真[J]. 现代电子技术 , 2004,(23)（12）Leonhard, W. Control of Electrical Drives 3rd ed.Springer-Verlag,2001 （13）Yamamura S.AC Motor for High-performance Applications(Analysis and Control).New York: Newyork Marcel Dekker,1986（14）Patel H.S., Hoft R.G. Generalized Techniques of Harmonic Elimination and Voltage Control in Thyristor Inverters: Part I- Harmonic Elimination.IEEE Trans.IA,1997,9(3)(15) 李瑛瑛.双闭环直流调速系统.装备制造技术.2009，（1）4．论文工作计划起迄日期工作内容2月13日～3月5日3月6日～3月20日3月21日～3月24日3月25日～4月10日4月11日～4月25日4月26日～5月 3 日5月4日～5月20日5月21日～6月1日6月2日～6月8日6月9日～6月12日了解任务，查阅资料阅读相关文献并撰写前期报告学习调压调速系统原理，设计调节器参数学习弱磁调速原理，设计调节器参数建立部分非独立励磁的直流调速系统的仿真模型整理前期工作资料，撰写中期报告对所建立的仿真模型进行仿真研究撰写论文初稿总结资料，修改论文，最终定稿，准备答辩答辩。
148研究与探索Research and Exploration ·工艺流程与应用中国设备工程 2023.06 （下）1.3 节能控制锅炉风机能耗较大，调速控制上较为严格，一般采用永磁调速方式，对风机转速进行调节，保障风机的转速特性，满足调速控制的节能需求。
影响风机节能控制的因素较多，如电机效率、调节流量等，在永磁调节器的作用下，确保工作效率的恒定，提供稳定的调速控制功率，使节能控制具有显著效果。
永磁调速器能够实现负载的无级调速，调速精度达到1%，实现高效化的传动过程，降低机械及电能方面的损耗。
永磁调速节能改造能够提高负载的寿命，设计寿命在20年以上，使风机能够适应工作环境。
节能控制与电机及负载具有相关性，需要对能耗损失进行控制，保证风机能够达到最佳效率点，使风机具有恒定的功率变化，提高风机的稳定控制水平。
2 永磁调速器在锅炉风机上的节能改造2.1 风量调节风机永磁调速过程中，需要对风量进行调节改造，提高风力控制的合理性，对风量进行稳定供应。
风量与风机转速具有正比关系，对风量进行调节具有必要性，是实现锅炉稳定供氧的关键，需要做好风量调节方面的改造。
风量调节受到风量、风压、轴功率的影响，随着风量的增加，轴功率将会增加，使得风压显著增强。
风量调节过程中，应遵守压力优先原则，使出口压力能够优先达到规定值，保证风压控制在标准值以上。
风量调节需要在实际值以上，提高风量控制的有效性，使风量调节能够基于实际条件。
风量调节需要注重工作电流的变化，对节能改造的电流变化进行对比，提高节能控制的可靠性。
传统锅炉风机为“电机＋风机”控制形式，改造后为“电机+永磁调速装置+风机”控制形式，在风量调节中增加调速控制环节，使调速控制过程易于进行展开。
以风压3600Pa 锅炉风机改造为例，永磁电机转速应调至850r/min，使出口风压达到3600Pa，满足压力优先的风量调节原则。
调节前工作电流为29.7A，调节后工作电流为20.5A，节能率为31%，因此在风量调节方面节能效果较为显著。
目前，风机与泵类负载主要的调速方式有液力耦合调速、变频调速和永磁调速，液力耦合调速的发展已经有上百年的时间，技术已经比较成熟。
变频调速从２０世纪７０年代出现，有近半个世纪的发展，其功能越来越全面，调速精度也越来越高。
虽然液力耦合与变频调速都有很多的优点，但是，其固有的缺点也是显而易见的，液力耦合器调速精度差、响应慢、维护费用高，变频器电子元器件众多、可靠性差、电力谐波等问题都很难解决［１－２］。
２０世纪９０年代末期，美国ＭａｇｎａＤｒｉｖｅ公司在永磁调速方面取得突破性的进展，开发出了永磁调速器［３］。
永磁调速具有节能、调速比大、可靠性高、稳定性好、无物理连接传递扭矩、环境适应性强、寿命长等优点，解决了液力耦合器和变频器存在的一些固有缺陷，被不断地推广到各行各业。
永磁调速在我国还处于起步阶段，应用也比较少，因此本文将研究其原理和调速性能，并分析其节能原理，充分发挥优越性能。
１永磁调速原理永磁调速器（ＰＭＤ）基本构成如图１所示，主要由４部分组成：导体转子、永磁转子、气隙调节机构、法兰和胀紧套。
导体转子是在钢盘上镶嵌导电性能较好的铜盘或者铝盘，通常有２个导体盘构成１个鼠笼形的导体转子，导体转子与电机轴通过法兰和胀紧套连接；永磁转子是在铝盘中放置永磁体，通常也有２个铝盘构成１个永磁转子，它与负载轴同样通过法兰和胀紧套连接；气隙调节机构可调整永磁转子与导体转子之间的气隙，其调节方式可以采用手动或自动控制。
导体转子和永磁转子可以自由独立旋转，当导体转子旋转时，在永磁转子中永磁体磁场的作用下，导体转子中的铜盘或铝盘将产生涡电流，由于涡电流的生产，将产生感应磁场，感应磁场与永磁体磁场相互作用，从而带动永磁转子旋转，实现电机与负载之间的转矩传输。
调节永磁体和铜导体之间的气隙，气隙磁场的磁阻将改变，使得传递的扭矩和速度改变，从而获得可调整的、可控制的、可重复的负载转速，实现负载速度的调节［３－５］。
图１永磁调速器组成原理图２永磁调速特点由永磁联轴器的结构原理可知，其具有以下特点：第一，永磁调速可在０％￣９７％的范围内对负载进行无级调速，可满足过程控制要求。
第二，可实现空载启动，减小启动电流冲击大小与时间。
ＰＭＤ在启动时，将气隙调节到最大，即可实现空载启动。
第三，振动冲击小。
电机和负载之间没有机械硬连接，完全通过气隙传递扭矩，避免了振动的传递，提高了系统运行的平稳性。
第四，可靠性高。
ＰＭＤ结构简单，故障率低，维护保养成本低。
第五，使用寿命长。
ＰＭＤ的使用寿命可达２５年。
第六，可节约能耗。
通过调节负载转速，提高效率，减少管路损失，降低电机负荷，达到节能的目的。
第七，适应各种严苛环境。
适应易燃、易爆，潮湿，粉尘含量高，高温、低温等场所。
第八，无谐波干扰。
ＰＭＤ为纯机械联结，不会导致变频器工作时产生的谐波干扰。
３节能分析在实际工程设计与应用中，为满足负荷最大时风机或水泵系统输出要求，通常按系统的最大输出能力配置系统，而实际使用过程中，绝大多数情况下系统并非满负荷运转，而是根据需要，通过控制阀门或风门挡板等实现流量／压力控制，以满足生产需要。
图２为风机／泵类负载调速节能原理图，曲线ｎ１为风机／泵在转速为ｎ１时的运行曲线，其与管网特性曲线的交点Ａ为额定工况点，若流量从减小到时，采用阀门和调速调节的过程为：永磁调速技术节能研究李冬冬１，２，刘建频２，匡俊１，２，马玉顺１，２，吴义敏２，陈永跃２（１．中船重工第７０２研究所上海分部，上海２０００１１；２．上海市东方海事工程技术有限公司，上海２０００１１）摘要：永磁调速技术具有液力耦合和变频调速无法比拟的优点，受到国内用户的关注，本文详细分析了永磁调速的原理及特点，研究了风机／泵类负载采用永磁调速节能的原理。
永磁调速能大幅降低系统能耗，提高系统可靠性，风机／泵类负载采用永磁调速，比液力耦合调速和变频调速更具优越性。
关键词：永磁调速；节能；风机中图分类号：ＴＫ２４３．６文献标志码：Ａ文章编号：１６７４－８６４６（２０１４）０４－００２６－０２永磁转子法兰和胀紧套气隙调节机构导体转子第５卷第４期２０１４年４月黑龙江科学ＨＥＩＬＯＮＧＪＩＡＮＧＳＣＩＥＮＣＥＶｏ１．５Ｎｏ．４Ａｐｒｉｌ２０１４２６调速方式液力耦合变频调速永磁调速风量（％）９０８０９０８０９０８０ｔ０．９００．８００．９５０．９４０．９６０．９４Ｐｌ（ｋＷ）７２９５１２７２９５１２７２９５１２Ｐ（ｋＷ）１００３．０７９２．６９５０．３６７４．５９４０．４６７４．５耗电量（万ｋｗ·ｈ／年）８０２．５６３４．０７６０．２５３９．６７５２．３５３９．６节能率（％）１９．００３６．００２３．２６４５．５３２４．６０４５．５３节电量（万ｋｗ·ｈ／年）２３５．３４４５．８２８８．０５６３．９２９８．０５６３．９节省电费（万元／年）９４．１１７８．３１１５．２２２５．５１１９．２２２５．５第一，采用阀门调节时，管网特性曲线由变为，风机／泵工作点由Ａ调至Ｂ点，此时风机耗功为，与风机／泵在Ａ点时的耗功相比，其功耗变化很小，而此时风机／泵的效率从降至，效率降低较大。
第二，采用调速调节时，可根据系统需要调整电机转速，改变设备的性能曲线，若将电机转速从ｎ１调整为ｎ２，风机／泵工作点将从Ａ调至Ｃ点，此时风机／泵耗功为，从图中可以看出，表明调速调节比阀门调节节能效果显著，而且其效率Ｃ明显比Ｂ大。
图２风机／泵类负载调速节能原理图风机和泵的系统效率可表示为：（１）式中：为电机效率，为调节流量或转速或压力控制设备的效率，为风机或水泵效率，为管道效率。
在其他效率一定的情况下，调节流量或转速控制设备的效率决定了系统效率。
采用阀门或风门挡板调节输出流量或压力时，电机和负载转速不变，从相似定律可以看出，输入功率不变。
当阀门或风门挡板开度小于１００％或调节器非直通型，流体经过阀门或风门挡板将造成很大的能量损失，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时，因此，阀门开度减小时，电机输入功率不会显著减小，很多能量由此浪费掉。
风机和水泵类负载符合相似定律，在不同转速下的流量、压力（扬程）、功率和转速之间的关系为［６－７］：（２）（３）（４）图３为按照离心负载相似定律计算得到的理论节能值，从图３可以看出，若转速降低全速时的２０％，输出流量降低２０％满负荷流量，输出压力降低满负荷的３６％，而能源需求降低了４９％，如果不考虑调速装置的能耗，节能效果可达４９％。
当然，任何一种调速装置都是需要耗能的，但这种能耗远远低于输入能耗的降低，因此可以实现很好的节能效果。
图３理论节能效果耗电量可表示为：（５）式中：为电网输入功率，为运行时间。
电网输入功率可表示为：（６）式中：为负载功率，为调速装置效率，为电机效率，为管道效率。
若１０００ｋＷ风机风量从１００％分别降低到９０％和８０％，年运行８０００ｈ，单价电费０．４元／ｋｗ·ｈ，电机效率ｍ为０．８５，管道效率ｐ为０．９５，分别采用液力耦合调速、变频调速和永磁调速，则采用３种调节方式后其节能效率如表２所示。
表２１０００ｋＷ风机采用不同调速方式节能比较从表２可以看出，在风机风量为９０％时，液力耦合调速的效率最低，永磁调速效率最高，永磁调速节省的电费要比液力耦合调速每年多２５万元，比变频调速节省的电费每年多４万元，其节能效益相当可观。
在风机风量为８０％，变频调速和液力耦合调速的效率相当，两者每年节省的电费都比液力耦合调速多４７万元。
４结语永磁调速技术具有高效节能、可靠性高、柔性连接传递扭矩，可在严苛环境下使用，极大减少系统振动、减少系统维护和延长系统使用寿命，比液力耦合调速与变频调速具有更大的优势，可大幅节省系统能耗，具有良好的应用前景。
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