節(jié)能--永磁調(diào)速
點擊量：1989 日期：2018-11-05
2007年永磁耦合與調(diào)速驅(qū)動器從美國引進我國在美國已大量應用于冶金、石化、采礦、發(fā)電、水泥、紙漿、海運、軍艦等行業(yè)
永磁磁力驅(qū)動技術首先由美國MagnaDrive公司在1999年獲得了突破性的發(fā)展。該驅(qū)動方式與傳統(tǒng)的同步式永磁磁力驅(qū)動技術有很大的區(qū)別其主要的貢獻是將永磁驅(qū)動技術的應用大大拓寬。它不解決密封的問題但是它解決了旋轉(zhuǎn)負載系統(tǒng)的對中、軟啟動、減震、調(diào)速、及過載保護等問題并且使永磁磁力驅(qū)動的傳動效率大大提高可達到98.5%。該技術現(xiàn)已在各行各業(yè)獲得了廣泛的應用。該技術將對傳統(tǒng)的傳動技術帶來了嶄新的概念必將為傳動領域帶來一場新的革命。
該產(chǎn)品已經(jīng)通過美國海軍最嚴格的9-G抗震試驗。同時該產(chǎn)品在美國獲得17項專利技術在全球共獲得專利一百多項。目前由MagnaDrive公司和美國西北能效協(xié)會組成專門小組對該技術設備進行商業(yè)化推廣。由于該技術創(chuàng)新使人們對節(jié)能概念有了全新的認識。在短短的幾年中MagnaDrive獲得了很大的發(fā)展現(xiàn)已經(jīng)滲透到各行各業(yè)在全球已超過6000套設備投入運行。
永磁渦流調(diào)速技術引入我國之后，受到越來越多高耗能企業(yè)的關注。國內(nèi)已有大量文獻論述了永磁渦流調(diào)速技術在發(fā)電、石油、化工等行業(yè)中風機和泵類設備上的節(jié)能改造研究。實際應用中測得的各項指標數(shù)據(jù)均達到驗收標準，證明了永磁渦流調(diào)速技術具備改造工程簡單、節(jié)能效果明顯、可靠性高、環(huán)境適應能力強、維護成本低、隔振等優(yōu)點。盡管永磁渦流調(diào)速器還存在響應速度慢、高轉(zhuǎn)差運行損耗大等缺點，但不失為電機調(diào)速節(jié)能的新選擇。該技術在實際工業(yè)應用中體現(xiàn)出來的優(yōu)缺點及節(jié)能效果為今后電機系統(tǒng)的調(diào)速節(jié)能改造積累了經(jīng)驗。隨著永磁渦流調(diào)速技術的不斷發(fā)展，綜合考慮環(huán)境、投資成本、節(jié)能效果等因素，該技術將取代變頻器成為應用最廣泛的調(diào)速方式。
(一) 系統(tǒng)構成與工作原理
永磁磁力耦合調(diào)速驅(qū)動是通過銅導體和永磁體之間的氣隙實現(xiàn)由電動機到負載的轉(zhuǎn)矩傳輸。該技術實現(xiàn)了在驅(qū)動電動機和被驅(qū)動負載側(cè)沒有機械鏈接。其工作原理是一端稀有金屬氧化物硼鐵釹永磁體和另一端感應磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩通過調(diào)節(jié)永磁體和導體之間的氣隙就可以控制傳遞的轉(zhuǎn)矩從而實現(xiàn)負載速度調(diào)節(jié)。PMD主要由導體轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子和控制器三部分組成。導體轉(zhuǎn)子固定在電動機軸上永磁轉(zhuǎn)子固定在負載轉(zhuǎn)軸上導體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子之間有間隙稱為氣隙。這樣電動機和負載由原來的硬機械鏈接轉(zhuǎn)變?yōu)檐洿沛溄油ㄟ^調(diào)節(jié)永磁體和導體之間的氣隙就可實現(xiàn)負載軸上的輸出轉(zhuǎn)矩變從而實現(xiàn)負載轉(zhuǎn)速變化。由上面的分析可以知道通過調(diào)整氣隙可以獲得可調(diào)整的、可控制的、可以重復的負載轉(zhuǎn)速。磁感應原理是通過磁體和導體之間的相對運動產(chǎn)生。也就是說PMD的輸出轉(zhuǎn)速始終都比輸入轉(zhuǎn)速小，轉(zhuǎn)速差稱為滑差。典型情況下在電動機滿轉(zhuǎn)時通過PMD輸入轉(zhuǎn)矩總是等于輸出轉(zhuǎn)矩因此電動機只需要產(chǎn)生負載所需要的轉(zhuǎn)矩。PMD傳輸能量和控制速度的能力不受電動機軸和負載軸之間由于安裝未對準原因而產(chǎn)生的小角度或者小偏移的影響。排除了未對準而產(chǎn)生的震動問題由于沒有機械鏈接即使電動機本身引起的震動也不會引起負載震動使整個系統(tǒng)的震動問題得到有效降低。
PMD控制器通過處理各種信號實現(xiàn)對負載調(diào)速包括壓力、流量、皮帶速度、位移等其它過程控制信號。PMD可以方便地對現(xiàn)有設備進行改造不需要對現(xiàn)有電動機和供電電源進行任何改動極少的現(xiàn)金和安裝投入。安裝PMD以后對整個系統(tǒng)不產(chǎn)生電磁干擾。在大多數(shù)情況下關閉或者拆除現(xiàn)有的過程控制硬件設備。負載將在最優(yōu)化的速度運行增加能源效率減少運行和維護成本。
永磁磁力耦合調(diào)速的特點
1. 總成本最低。
2. 維護工作量小，幾乎為免維護產(chǎn)品，維護費用極低。
3. 容忍較大的安裝對中誤差。大大簡化了安裝調(diào)試過程。
4. 過載保護功能。提高了整個電機驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性，完全消除了系統(tǒng)因過載而導致的損害現(xiàn)象。
5. 帶緩沖的軟啟動/軟制動剎車。
6. 節(jié)能效果顯著。節(jié)電率達到25%--66%。
7. 使用壽命長，設計壽命30年。美國海軍品質(zhì)。
8. 過程控制精確高。
9. 減震效果好。
10.結(jié)構簡單，適應各種惡劣環(huán)境。對環(huán)境友好，不產(chǎn)生污染物，不產(chǎn)生諧波。
11.體積小，安裝方便，可方便地對現(xiàn)有系統(tǒng)進行改造或用在新建系統(tǒng)。
12.應用現(xiàn)場多。
I. 可控過程啟動
對于大型帶式輸送機，其對驅(qū)動系統(tǒng)的要求主要體現(xiàn)在啟動、制動過程中
能最大限度的降低系統(tǒng)的慣性力，并能實現(xiàn)過載保護和負載平衡，將帶式輸送機的加速、停車和運行時的膠帶張力減到最小。永磁磁力耦合調(diào)速驅(qū)動(PMD)的性能完全滿足這些要求使大型帶式輸送機的性能達到最好。而由傳統(tǒng)的電動機、減速器所組成的驅(qū)動裝置在啟動和停車過程當中輸送帶的帶速隨著電動機的轉(zhuǎn)速變化而快速變化，加劇了輸送機本身的振動，增大了系統(tǒng)的慣性力，特別是在輸送帶滿載情況下啟動更為困難，因此傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足長距離、大
運量的大型帶式輸送機需求 ，一條皮帶可以由一臺電動機及一套PMD驅(qū)動，也可以由多臺電動機及多套PMD驅(qū)動。驅(qū)動電動機在皮帶機啟動之前空載啟動，此時PMD的輸出軸保持不動，當驅(qū)動電動機達到滿轉(zhuǎn)速時，控制系統(tǒng)逐漸減小每臺PMD的氣隙，啟動皮帶機并逐漸加速到滿速度。這使得皮帶機在被加速至滿速度之前有一個緩慢而均勻的預拉伸過程。加速時間可以根據(jù)需要在規(guī)定范圍內(nèi)進行調(diào)整。啟動驅(qū)動電動機可以按順序空載啟動，所以電動機的沖擊電流非常小。由于驅(qū)動電動機可以根據(jù)運行負載進行選擇而不必根據(jù)啟動負載選擇，所以PMD驅(qū)動系統(tǒng)可以選用功率較小的電動機。同樣PMD 也可以象控制皮帶機的啟動那樣控制皮帶機的停車，通過延長停車時間可以降低對膠帶的動態(tài)沖擊力。 當驅(qū)動系統(tǒng)中有多臺PMD控制系統(tǒng)可以確保每臺驅(qū)動電機分擔相同的負載。合理的功率平衡可以有效地延長整個驅(qū)動系統(tǒng)各部件的壽命。功率平衡是通過控制每臺PMD的氣隙，并允許一臺或幾臺PMD進行輕微滑差來實現(xiàn)的系統(tǒng)中的任何負載的增加都引起PMD產(chǎn)生滑差，這樣驅(qū)動系統(tǒng)的所有部件、軸承和齒輪等都將在沖擊或者過載時受到保護從而延長其使用壽命。
大功率電機系統(tǒng)的啟動問題一直是困惑用戶的難題，因為電機系統(tǒng)在啟動時基本上可以看作是滿載啟動，電機在合閘瞬間啟動電流超出額定工作電流的十幾倍甚至幾十倍使得變壓器、配電設備短期嚴重過載造成電壓跌落(“黑電”)甚至啟動失敗，嚴重時還可能燒毀電機。電機啟動過程短的持續(xù)幾秒，長的達到幾十秒，電機線圈嚴重發(fā)熱，造成電機線圈提前老化，縮短電機使用壽命。
II. 高可靠性
1 PMD在啟動負載之前驅(qū)動電機空載啟動，電機達到額定的速度之后通過控制系統(tǒng)使每臺PMD氣隙逐漸縮小來緩慢、平穩(wěn)地對輸送帶進行張緊輸送帶平穩(wěn)地加速到全速，使帶式輸送機在重載工況下可控制地逐步克服整個系統(tǒng)的慣性而平穩(wěn)地啟動，使輸送帶的啟動非常平滑，速度由零逐漸緩慢上升，加速度為連續(xù)的實現(xiàn)了無沖擊的軟啟動。
2PMD不僅降低了電動機的啟動電流和減小對電動機的熱沖擊負荷及對電網(wǎng)的影響，從而節(jié)約電能并延長電動機的工作壽命而且極為有效地減小了啟動時傳動系統(tǒng)對輸送膠帶的破壞性張力，消除了輸送機啟動時產(chǎn)生的振蕩，還能大幅加速時間可以根據(jù)需要在規(guī)定范圍內(nèi)進行調(diào)整。啟動驅(qū)動電動機可以按順序空載啟動，所以電動機的沖擊電流非常小。由于驅(qū)動電動機可以根據(jù)運行負載進行選擇而不必根據(jù)啟動負載選擇，所以PMD驅(qū)動系統(tǒng)可以選用功率較小的電動
機。同樣PMD 也可以象控制皮帶機的啟動那樣控制皮帶機的停車通過延長停車時間可以降低對膠帶的動態(tài)沖擊力。
當驅(qū)動系統(tǒng)中有多臺PMD時控制系統(tǒng)可以確保每臺驅(qū)動電機分擔相同的負載。合理的功率平衡可以有效地延長整個驅(qū)動系統(tǒng)各部件的壽命。功率平衡是通過控
制每臺PMD的氣隙，并允許一臺或幾臺PMD進行輕微滑差來實現(xiàn)中系統(tǒng)中的任何負載的增加都引起PMD產(chǎn)生滑差這樣驅(qū)動系統(tǒng)的所有部件、軸承和齒輪等都將在沖擊或者過載時受到保護從而延長其使用壽命。永磁調(diào)速器是非直接連接的機械調(diào)速裝置最小氣隙寬度為1/8英寸(約0.317mm)一般能在空氣中飛揚的塵粒直徑不會大于該尺寸，所以它可以用于空氣中粉塵較高的環(huán)境如水泥廠、礦山等鋇狽鄢競穸鵲賈祿械摩擦時可用高壓水槍沖洗。 而電子或電氣式的調(diào)速裝置必須在潔凈環(huán)境工作因此對機房環(huán)境要求極高
3易燃易爆環(huán)境
永磁調(diào)速器是機械式的、無摩擦傳遞扭矩的調(diào)速裝置除執(zhí)行機構使用較弱電力需要采用防爆結(jié)構外，主功率部分絕不會產(chǎn)生火花或靜電因而在易燃易爆環(huán)境下使用較為安全。適合于煤礦、油田、油船、軍械庫、化工、礦井、高濃度粉塵工廠等使用的皮帶機、破碎機、水泵、風機、鼓風機、油泵等設備。
電子或電氣式設備工作過程中易產(chǎn)生靜電火花甚至燃燒，不能在易燃易爆環(huán)境下使用否則帶來安全隱患。
4高可靠要求環(huán)境
因為永磁調(diào)速器元件數(shù)量少可靠性高，因而可用于對可靠性要求高的環(huán)境如消防、遠洋輪船、海軍艦船、潛艇等。復雜的電子或電氣裝置不適宜于對可靠性要求高的使用環(huán)境。
5電力質(zhì)量差的環(huán)境
由于永磁調(diào)速器為機械式調(diào)速裝置幾乎與電力無關，當電力質(zhì)量很差時如電壓波動、電力諧波、閃變、跌落、短時間斷、雷擊、浪涌等這些因素對電子或電氣調(diào)速裝置往往是致命的。采用永磁調(diào)速器不會因為電力質(zhì)量造成損壞。
6各種電壓、頻率等級
由于永磁調(diào)速器為機械式調(diào)速裝置幾乎與電力無關，因此無論電機系統(tǒng)的電V 電機不會過熱,也不需更換和改造電機,從電機轉(zhuǎn)速改變的三個因素頻率、極對數(shù)和滑差來看改變?nèi)魏我粋€要素將導致電機轉(zhuǎn)速改變。
現(xiàn)有的調(diào)速裝置,除永磁調(diào)速和液力調(diào)速技術外,基本上都是通過改變電機本身的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)調(diào)速的。我們知道電機在運轉(zhuǎn)過程中因電能消耗,電機線圈、硅鋼片、機械摩擦都會造成電機發(fā)熱因此電機內(nèi)部都設計了風葉用以冷卻電機。采用改變電機轉(zhuǎn)速的技術,包括變頻器、串級調(diào)速、雙饋調(diào)速在電機低速旋轉(zhuǎn)時電機的發(fā)熱都很大,有時不得不使用外部風扇幫助散熱。
永磁調(diào)速器是通過改變電機與負載之間的滑差實現(xiàn)調(diào)速的,也就是說電機轉(zhuǎn)速始終維持設計轉(zhuǎn)速,因此不會因為電機轉(zhuǎn)速下降導致電機過熱。
變頻器調(diào)速因為變頻器產(chǎn)生的正弦波實際是由方波疊加而成高次諧波,很多電流的趨膚效應導致電機線圈發(fā)熱影響絕緣強度,應該更換絕緣等級更高的電機,如果不更換,電機的可靠性將大大下降,甚至造成絕緣擊穿損壞,采用永磁調(diào)速技術,不會改變電機的輸入電壓、電流和頻率,因此不會要求改造原電機系統(tǒng)。
VI. 降低維護成本延長系統(tǒng)設備壽命
電機系統(tǒng)的故障主要原因是振動,振動會導致軸承、油封等的加速磨損,也會導致基座、管道接頭、緊固件等松動或斷裂或破損,振動還會導致產(chǎn)生強烈的噪聲。
振動的產(chǎn)生主要由于以下因素
1. 電機與負載設備連接時,軸不同心或有一定角度誤差
2. 減速機, 皮帶機運行發(fā)生的振動
3. 機械設備的固有頻率的共振等等。
除永磁調(diào)速器外其他的調(diào)速或調(diào)節(jié)裝置,如CST、變頻器、等因為不改變電機與負載設備的連接因此在安裝過程中必須保證其軸的同心度,這種誤差會直接影響電機系統(tǒng)的振動。
永磁調(diào)速器因為采用氣隙傳遞扭矩,電機與負載設備之間沒有剛性連接,且在機械沖擊過程中具有通過滑差實現(xiàn)緩沖,因此極大減小了振動和噪音。采用改變電機轉(zhuǎn)速的技術,包括變頻器、串級調(diào)速、雙饋調(diào)速,在電機低速旋轉(zhuǎn)時電機的發(fā)熱都很大,有時不得不使用外部風扇幫助散熱。
永磁調(diào)速器是通過改變電機與負載之間的滑差實現(xiàn)調(diào)速的,也就是說電機轉(zhuǎn)速始終維持設計轉(zhuǎn)速,因此不會因為電機轉(zhuǎn)速下降導致電機過熱。
變頻器調(diào)速,因為變頻器產(chǎn)生的正弦波實際是由方波疊加而成高次諧波很多電流的趨膚效應導致電機線圈發(fā)熱,影響絕緣強度,應該更換絕緣等級更高的電機,如果不更換電機的可靠性將大大下降,甚至造成絕緣擊穿損壞,采用永磁調(diào)速技術,不會改變電機的輸入電壓、電流和頻率,因此不會要求改造原電機系統(tǒng)。
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