节能--永磁调速
点击量：2502 日期：2018-11-05
2007年永磁耦合与调速驱动器从美国引进我国在美国已大量应用于冶金、石化、采矿、发电、水泥、纸浆、海运、军舰等行业
永磁磁力驱动技术首先由美国MagnaDrive公司在1999年获得了突破性的发展。该驱动方式与传统的同步式永磁磁力驱动技术有很大的区别其主要的贡献是将永磁驱动技术的应用大大拓宽。它不解决密封的问题但是它解决了旋转负载系统的对中、软启动、减震、调速、及过载保护等问题并且使永磁磁力驱动的传动效率大大提高可达到98.5%。该技术现已在各行各业获得了广泛的应用。该技术将对传统的传动技术带来了崭新的概念必将为传动领域带来一场新的革命。
该产品已经通过美国海军最严格的9-G抗震试验。同时该产品在美国获得17项专利技术在全球共获得专利一百多项。目前由MagnaDrive公司和美国西北能效协会组成专门小组对该技术设备进行商业化推广。由于该技术创新使人们对节能概念有了全新的认识。在短短的几年中MagnaDrive获得了很大的发展现已经渗透到各行各业在全球已超过6000套设备投入运行。
永磁涡流调速技术引入我国之后，受到越来越多高耗能企业的关注。国内已有大量文献论述了永磁涡流调速技术在发电、石油、化工等行业中风机和泵类设备上的节能改造研究。实际应用中测得的各项指标数据均达到验收标准，证明了永磁涡流调速技术具备改造工程简单、节能效果明显、可靠性高、环境适应能力强、维护成本低、隔振等优点。尽管永磁涡流调速器还存在响应速度慢、高转差运行损耗大等缺点，但不失为电机调速节能的新选择。该技术在实际工业应用中体现出来的优缺点及节能效果为今后电机系统的调速节能改造积累了经验。随着永磁涡流调速技术的不断发展，综合考虑环境、投资成本、节能效果等因素，该技术将取代变频器成为应用最广泛的调速方式。
(一) 系统构成与工作原理
永磁磁力耦合调速驱动是通过铜导体和永磁体之间的气隙实现由电动机到负载的转矩传输。该技术实现了在驱动电动机和被驱动负载侧没有机械链接。其工作原理是一端稀有金属氧化物硼铁钕永磁体和另一端感应磁场相互作用产生转矩通过调节永磁体和导体之间的气隙就可以控制传递的转矩从而实现负载速度调节。PMD主要由导体转子、永磁转子和控制器三部分组成。导体转子固定在电动机轴上永磁转子固定在负载转轴上导体转子和永磁转子之间有间隙称为气隙。这样电动机和负载由原来的硬机械链接转变为软磁链接通过调节永磁体和导体之间的气隙就可实现负载轴上的输出转矩变从而实现负载转速变化。由上面的分析可以知道通过调整气隙可以获得可调整的、可控制的、可以重复的负载转速。磁感应原理是通过磁体和导体之间的相对运动产生。也就是说PMD的输出转速始终都比输入转速小，转速差称为滑差。典型情况下在电动机满转时通过PMD输入转矩总是等于输出转矩因此电动机只需要产生负载所需要的转矩。PMD传输能量和控制速度的能力不受电动机轴和负载轴之间由于安装未对准原因而产生的小角度或者小偏移的影响。排除了未对准而产生的震动问题由于没有机械链接即使电动机本身引起的震动也不会引起负载震动使整个系统的震动问题得到有效降低。
PMD控制器通过处理各种信号实现对负载调速包括压力、流量、皮带速度、位移等其它过程控制信号。PMD可以方便地对现有设备进行改造不需要对现有电动机和供电电源进行任何改动极少的现金和安装投入。安装PMD以后对整个系统不产生电磁干扰。在大多数情况下关闭或者拆除现有的过程控制硬件设备。负载将在最优化的速度运行增加能源效率减少运行和维护成本。
永磁磁力耦合调速的特点
1. 总成本最低。
2. 维护工作量小，几乎为免维护产品，维护费用极低。
3. 容忍较大的安装对中误差。大大简化了安装调试过程。
4. 过载保护功能。提高了整个电机驱动系统的可靠性，完全消除了系统因过载而导致的损害现象。
5. 带缓冲的软启动/软制动刹车。
6. 节能效果显着。节电率达到25%--66%。
7. 使用寿命长，设计寿命30年。美国海军品质。
8. 过程控制精确高。
9. 减震效果好。
10.结构简单，适应各种恶劣环境。对环境友好，不产生污染物，不产生谐波。
11.体积小，安装方便，可方便地对现有系统进行改造或用在新建系统。
12.应用现场多。
I. 可控过程启动
对于大型带式输送机，其对驱动系统的要求主要体现在启动、制动过程中
能最大限度的降低系统的惯性力，并能实现过载保护和负载平衡，将带式输送机的加速、停车和运行时的胶带张力减到最小。永磁磁力耦合调速驱动(PMD)的性能完全满足这些要求使大型带式输送机的性能达到最好。而由传统的电动机、减速器所组成的驱动装置在启动和停车过程当中输送带的带速随着电动机的转速变化而快速变化，加剧了输送机本身的振动，增大了系统的惯性力，特别是在输送带满载情况下启动更为困难，因此传统的驱动系统已经不能满足长距离、大
运量的大型带式输送机需求 ，一条皮带可以由一台电动机及一套PMD驱动，也可以由多台电动机及多套PMD驱动。驱动电动机在皮带机启动之前空载启动，此时PMD的输出轴保持不动，当驱动电动机达到满转速时，控制系统逐渐减小每台PMD的气隙，启动皮带机并逐渐加速到满速度。这使得皮带机在被加速至满速度之前有一个缓慢而均匀的预拉伸过程。加速时间可以根据需要在规定范围内进行调整。启动驱动电动机可以按顺序空载启动，所以电动机的冲击电流非常小。由于驱动电动机可以根据运行负载进行选择而不必根据启动负载选择，所以PMD驱动系统可以选用功率较小的电动机。同样PMD 也可以象控制皮带机的启动那样控制皮带机的停车，通过延长停车时间可以降低对胶带的动态冲击力。 当驱动系统中有多台PMD控制系统可以确保每台驱动电机分担相同的负载。合理的功率平衡可以有效地延长整个驱动系统各部件的寿命。功率平衡是通过控制每台PMD的气隙，并允许一台或几台PMD进行轻微滑差来实现的系统中的任何负载的增加都引起PMD产生滑差，这样驱动系统的所有部件、轴承和齿轮等都将在冲击或者过载时受到保护从而延长其使用寿命。
大功率电机系统的启动问题一直是困惑用户的难题，因为电机系统在启动时基本上可以看作是满载启动，电机在合闸瞬间启动电流超出额定工作电流的十几倍甚至几十倍使得变压器、配电设备短期严重过载造成电压跌落(“黑电”)甚至启动失败，严重时还可能烧毁电机。电机启动过程短的持续几秒，长的达到几十秒，电机线圈严重发热，造成电机线圈提前老化，缩短电机使用寿命。
II. 高可靠性
1 PMD在启动负载之前驱动电机空载启动，电机达到额定的速度之后通过控制系统使每台PMD气隙逐渐缩小来缓慢、平稳地对输送带进行张紧输送带平稳地加速到全速，使带式输送机在重载工况下可控制地逐步克服整个系统的惯性而平稳地启动，使输送带的启动非常平滑，速度由零逐渐缓慢上升，加速度为连续的实现了无冲击的软启动。
2PMD不仅降低了电动机的启动电流和减小对电动机的热冲击负荷及对电网的影响，从而节约电能并延长电动机的工作寿命而且极为有效地减小了启动时传动系统对输送胶带的破坏性张力，消除了输送机启动时产生的振荡，还能大幅加速时间可以根据需要在规定范围内进行调整。启动驱动电动机可以按顺序空载启动，所以电动机的冲击电流非常小。由于驱动电动机可以根据运行负载进行选择而不必根据启动负载选择，所以PMD驱动系统可以选用功率较小的电动
机。同样PMD 也可以象控制皮带机的启动那样控制皮带机的停车通过延长停车时间可以降低对胶带的动态冲击力。
当驱动系统中有多台PMD时控制系统可以确保每台驱动电机分担相同的负载。合理的功率平衡可以有效地延长整个驱动系统各部件的寿命。功率平衡是通过控
制每台PMD的气隙，并允许一台或几台PMD进行轻微滑差来实现中系统中的任何负载的增加都引起PMD产生滑差这样驱动系统的所有部件、轴承和齿轮等都将在冲击或者过载时受到保护从而延长其使用寿命。永磁调速器是非直接连接的机械调速装置最小气隙宽度为1/8英寸(约0.317mm)一般能在空气中飞扬的尘粒直径不会大于该尺寸，所以它可以用于空气中粉尘较高的环境如水泥厂、矿山等钡狈鄢竞穸鹊贾禄械摩擦时可用高压水枪冲洗。 而电子或电气式的调速装置必须在洁净环境工作因此对机房环境要求极高
3易燃易爆环境
永磁调速器是机械式的、无摩擦传递扭矩的调速装置除执行机构使用较弱电力需要采用防爆结构外，主功率部分绝不会产生火花或静电因而在易燃易爆环境下使用较为安全。适合于煤矿、油田、油船、军械库、化工、矿井、高浓度粉尘工厂等使用的皮带机、破碎机、水泵、风机、鼓风机、油泵等设备。
电子或电气式设备工作过程中易产生静电火花甚至燃烧，不能在易燃易爆环境下使用否则带来安全隐患。
4高可靠要求环境
因为永磁调速器元件数量少可靠性高，因而可用于对可靠性要求高的环境如消防、远洋轮船、海军舰船、潜艇等。复杂的电子或电气装置不适宜于对可靠性要求高的使用环境。
5电力质量差的环境
由于永磁调速器为机械式调速装置几乎与电力无关，当电力质量很差时如电压波动、电力谐波、闪变、跌落、短时间断、雷击、浪涌等这些因素对电子或电气调速装置往往是致命的。采用永磁调速器不会因为电力质量造成损坏。
6各种电压、频率等级
由于永磁调速器为机械式调速装置几乎与电力无关，因此无论电机系统的电V 电机不会过热,也不需更换和改造电机,从电机转速改变的三个因素频率、极对数和滑差来看改变任何一个要素将导致电机转速改变。
现有的调速装置,除永磁调速和液力调速技术外,基本上都是通过改变电机本身的转速实现调速的。我们知道电机在运转过程中因电能消耗,电机线圈、硅钢片、机械摩擦都会造成电机发热因此电机内部都设计了风叶用以冷却电机。采用改变电机转速的技术,包括变频器、串级调速、双馈调速在电机低速旋转时电机的发热都很大,有时不得不使用外部风扇帮助散热。
永磁调速器是通过改变电机与负载之间的滑差实现调速的,也就是说电机转速始终维持设计转速,因此不会因为电机转速下降导致电机过热。
变频器调速因为变频器产生的正弦波实际是由方波叠加而成高次谐波,很多电流的趋肤效应导致电机线圈发热影响绝缘强度,应该更换绝缘等级更高的电机,如果不更换,电机的可靠性将大大下降,甚至造成绝缘击穿损坏,采用永磁调速技术,不会改变电机的输入电压、电流和频率,因此不会要求改造原电机系统。
VI. 降低维护成本延长系统设备寿命
电机系统的故障主要原因是振动,振动会导致轴承、油封等的加速磨损,也会导致基座、管道接头、紧固件等松动或断裂或破损,振动还会导致产生强烈的噪声。
振动的产生主要由于以下因素
1. 电机与负载设备连接时,轴不同心或有一定角度误差
2. 减速机, 皮带机运行发生的振动
3. 机械设备的固有频率的共振等等。
除永磁调速器外其他的调速或调节装置,如CST、变频器、等因为不改变电机与负载设备的连接因此在安装过程中必须保证其轴的同心度,这种误差会直接影响电机系统的振动。
永磁调速器因为采用气隙传递扭矩,电机与负载设备之间没有刚性连接,且在机械冲击过程中具有通过滑差实现缓冲,因此极大减小了振动和噪音。采用改变电机转速的技术,包括变频器、串级调速、双馈调速,在电机低速旋转时电机的发热都很大,有时不得不使用外部风扇帮助散热。
永磁调速器是通过改变电机与负载之间的滑差实现调速的,也就是说电机转速始终维持设计转速,因此不会因为电机转速下降导致电机过热。
变频器调速,因为变频器产生的正弦波实际是由方波叠加而成高次谐波很多电流的趋肤效应导致电机线圈发热,影响绝缘强度,应该更换绝缘等级更高的电机,如果不更换电机的可靠性将大大下降,甚至造成绝缘击穿损坏,采用永磁调速技术,不会改变电机的输入电压、电流和频率,因此不会要求改造原电机系统。
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