马玉顺，吴 明，匡 俊，黄晓兵

(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)



永磁调速和变频调速技术对比研究

马玉顺1，2，吴 明1，2，匡 俊1，2，黄晓兵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)

永磁调速和变频调速是泵与风机等离心负载广泛应用的两种调速方式，从技术方面和经济性方面对这两种调速技术进行了对比研究，并通过实际案例对计算结果进行验证。在高转速比工况下，永磁调速效率更高，而低转速比时效率低于变频调速；相比于变频调速，永磁调速系统可靠性更高、振动小、对工作环境要求低。此外，永磁调速的初始成本和维护成本小于变频调速，即使在低转速工况下总成本也小于变频调速。因此，永磁调速的综合性能要优于比变频调速。

永磁调速；变频调速；效率；经济性

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[1]。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。

永磁调速技术是近年来专门针对风机、泵类离心负载调速节能发展的一项突破性新技术，并且作为国家重点节能技术得到了国家的大力推广[3]。永磁调速是利用永磁材料与导体之间的电磁效应，通过改变气隙来调节扭矩、实现负载转速变化的一种新型柔性传动技术。基本原理如图1所示：电机带动导体盘在永磁材料产生的磁场中旋转，导体盘切割磁力线，导体盘上感应产生电涡流及磁场，感应磁场和永磁场相互作用，阻碍导体盘和永磁盘的相对运动，从而达到传递扭矩的作用，带动负载转动。导体盘和永磁盘之间的气隙大小决定了传递力矩的大小，气隙越小，导体切割的磁力线越多，导体盘和永磁盘之间的作用力越大，传递的力矩也就越大，因此通过调节气隙大小可以调节负载转速。

图1 永磁调速原理图Fig.1 The schematic of permanent magnet speed regulation

对于水泵和风机等离心负载，变频调速和永磁调速都具有优异的调速性能和节能效果，得到了广泛应用。然而由于调速机理不同，导致二者在节能性、运行可靠性等方面存在差异；在实际使用过程中，经济性也是需要考虑的重要因素。因此，有必要对变频调速和永磁调速从技术和经济方面进行综合对比研究，为实际生产和应用提供指导。

1 永磁调速和变频调速技术对比

1.1 性能对比

1.1.1 能耗和效率

以调速前负载功率P0=2 000 kW、转速n0=1 485 r/min为例进行分析。将负载转速比调节至i=0.8时，负载转速为n=n0·i=1 188 r/min。根据离心负载相似定律可知，调速后负载功率为P负载=P0·i3=1 024 kW。

滑差损耗Q滑差计算：滑差损耗是由于导体盘和永磁盘转速存在差异，在导体盘上以热量形式损耗的能量部分，计算公式为Q滑差=P0(i2-i3)=256 kW。

因此，电机功率为P电机=Qf+Q滑差+P负载=1 298 kW，永磁调速器的效率为η永磁=P负载/P电机=0.789。

永磁调速器除了以上功率消耗以外，还需为冷却油和润滑油循环提供动力。对于2 000 kW调速器，所配置油泵功率为5 kW。对于调节气隙的执行器等，所需功率非常小，可忽略不计。综上所述，永磁调速系统消耗的总功率为1 303 kW。

B．变频调速。采用变频调速时变频电机和变频器存在损失，并且变频电机和变频器的效率随着负载率发生变化。图2(a)和(b)为对某典型变频系统所测的变频电机效率和变频器效率随着负载率的变化曲线。

图2 变频调速系统效率Fig.2 Efficiency of variable frequency speed regulation system

当转速比为i=0.8时，系统负载率为β=i3=0.512。从图2中可知，此时对应的电机效率为η电机=0.923，变频器效率为η变频器=0.918。整个变频调速系统的效率为η变频=η电机·η变频器=0.847。电机的功率为P电机=P负载/η变频=1 209 kW。

由于变频调速器对工作环境要求高，在实际工程设计中，变频调速装置都需要安装在专门的房间内，并且加装散热风道、空调等设备来保证变频装置的可靠运行，一般制冷功率大约为电机额定功率的2%，为40 kW左右。综上可知，变频调速系统所消耗的总功率为1 209+40=1 249 kW。

表1为不同负载转速情况下永磁调速和变频调速对应的功耗和效率。在负载转速高(i>0.9)的情况下，永磁调速的效率要高于变频调速，而当负载转速低时，变频调速效率更高，但是变频调速下限一般不低于额定转速60%。

表1 不同转速下永磁调速和变频调速的功率和效率Tab.1 Efficiency and power of permanent magnet and variable frequency speed regulation at different rotation speed

1.1.2 可靠性

变频调速系统中包含众多电子元件，故障率相对较高，可靠性较低，使用寿命一般为8～10年；对于长期运行的变频器，其中的散热直流风扇、滤波电容等时常需要维修和更换[4]，并且变频器一般在正常使用3～6年以后进入故障高发期，经常出现元器件烧坏、失效、保护停机功能频繁动作等故障，一旦发生电气故障，需要专业技术人员进行维修，故障排除难度较大，维护成本高。此外，变频调速器工作时会产生大的谐波，会引起附近设备的干扰、电气设备的误动及损坏，从而影响整个系统的稳定运行。

永磁调速器不包含电子元件，为纯机械装置，可靠性高，长期运行稳定性好，永磁调速器的使用寿命为25～30年。永磁调速器维护十分简单，一般仅需每3～5年更换一次轴承、密封圈及冷却油即可。同时永磁调速器在工作过程中不会产生谐波干扰，不会影响其他设备的正常运行。

1.1.3 振动

采用变频调速时电机轴和负载轴硬性连接，电机和负载的振动会叠加，引起机械振动和噪声，加速密封圈和轴承等器件的磨损，使整个系统的可靠性降低。并且在安装过程中轴的对中要求高，安装比较困难。

永磁调速器导体盘和永磁盘没有任何机械连接，通过气隙传递扭矩，可大幅度降低系统振动，提高整个系统的可靠性和使用寿命。同时，轴对准精度的允差大，安装和维修方便快捷。表2为对某电厂空气预热器系统采用永磁调速器改造前后系统的振动状况。采用永磁调速器后，负载和电机在各个方向上的振动显著减小，噪声也得到了有效降低。

表2 空气预热器系统振动状况Tab.2 Vibration of an air preheater system

1.1.4 启动特性

高压变频的最低输出频率一般为60%，变频调速器启动特性为低频带载启动，能够在一定程度上减小启动冲击对系统的影响，但是变频器不能够频繁的开启和停机。

永磁调速器的最低输出功率接近零，可以实现空载启动，能够最大程度地降低启动电流峰值，减小电机启动时间，降低启动对系统的冲击，延长了电机和负载的使用寿命，保证系统安全可靠运行。此外，永磁调速器还可以频繁启停。

1.1.5 工作环境要求

变频调速器内部包含很多的电气电子装置，对环境要求严格。使用场所要求无爆炸性或者腐蚀性气体，需要防尘防潮处理，工作时环境温度一般不能高于40 ℃。因此变频调速系统一般都需要放置在特定的房间，并且安装空调、散热通道等设备来维持合理的工作环境温度。此外，变频调速装置内电气电子装置对电压敏感，因此无法适用于电力质量很差的情况。

永磁调速器是纯机械装置，对环境要求很低，工作温度可高达100 ℃，对湿度没有限制，能够适用于电网波动大、谐波含量高、易燃易爆、粉尘含量高、高海拔等恶劣环境。特别是对于电力质量很差的情况，比如发生电压波动、短时间断电、雷击等现象时，这些因素对电子设备往往是致命的，而永磁调速器由于是纯机械装置，因此既不会造成损害，也不会造成停机，能够保证整个系统持续稳定地运行。

永磁调速和变频调速各方面性能综合对比见表3。从表中可知，永磁调速在可靠性、适用性、长期稳定运行及安装维护等方面具有不可比拟的优势。

表3 永磁调速和变频调速技术对比Tab.3 Technical comparison between permanent magnet speed regulation and variable frequency speed regulation

1.2 经济性对比

为了对比分析永磁调速和变频调速的经济性，现以24年为例，对变频调速和永磁调速的初始成本、维护成本及运行成本进行分析。

1.2.1 初始成本

A.永磁调速。对于2 000 kW功率的永磁调速器，永磁调速器主体加上稀油站、配电柜等所有配套元件，整体报价为70万元左右，施工基础建设费用约为5万元。普通电机2 000 kW成本约为20万元。

B.变频调速。2 000 kW变频器主体设备，国产名牌约为50万元，中外合资品牌为90万元左右，进口品牌约为120万元，在对比分析时，取国产和中外合资品牌中间值70万元进行对比分析。变频调速器需要建造专门的空调房提供合适的工作环境，电缆、土建、设计等费用在30万元左右，立式空调费用4万元左右，2 000 kW变频专用电机成本约为30万元。

永磁调速和变频调速的初始成本如表4所示。尽管永磁调速的主体设备和变频调速相当，但是综合考虑其他辅助设备和设施等费用，永磁调速的初始成本远小于变频调速。

表4 永磁调速和变频调速初始成本对比Fig.4 Initial costs of permanent magnet and variable frequency speed regulation

1.2.2 维护成本

A.永磁调速。永磁调速器的维修十分方便，每3～5年更换一次轴承和轴承密封，加上拆装人工费，大约需要5万元，平均每年1.25万元；每年换一次冷却油，约为2万元。因此每年维护费用在3.25万元左右，24年总维修费用为78万元。

B.变频调速。变频调速器是复杂的电子设备，投入运行后易受环境的干扰和影响，新设备投用前两年可靠性尚可，后续可靠性越来越低，平均每年都要发生一次故障，长期运行稳定性较差。一般2 000 kW变频器每年维修费用平均为10万元左右，24年总维修费用为240万元。

1.2.3 运行成本

A.永磁调速。当转速比为0.8时，每年运行时间按照6 000 h计，则每年耗电为：P=1 303×6 000=7 818 000 kW·h。电费按照每度电0.3元(厂用电)计算，则每年运行成本为：W=7 818 000×0.3=2 345 400元，24年总运行成本为5 628.96万元。

B.变频调速。当转速比为0.8时，每年消耗电量为：P=1 249×6 000=7 494 000 kW·h。电费按照每度电0.3元(厂用电)计算，则每年的运行成本为：W=7 494 000×0.3=2 248 200元，24年总运行成本为5 395.68万元。

永磁调速和变频调速24年的总成本如表5所示。永磁调速系统的初始成本和维护成本远小于变频调速系统，总成本比变频调速系统少115.72万元。

表5 永磁调速和变频调速总成本Tab.5 Total costs of the permanent magnet and variable frequency speed regulation

2 具体应用案例

为了对比分析变频调速和永磁调速技术，现对某电厂的两台凝结水泵分别采用永磁调速器和变频调速器进行节能改造，改造后的运行曲线分别如图3所示。为了进一步对比分析，选取运行曲线中运行相对稳定的工况进行分析。

图3 永磁调速和变频调速运行曲线Fig.3 Performance curves of permanent magnet and variable frequency speed regulation

对于其中稳定运行的高负荷段，永磁调速和变频调速的转速比都在i=0.8附近。其中永磁调速对应的凝泵电机电流平均为125 A，此时机组发电的有功功率为555 MW，因此机组每兆瓦有功功率需要的电流为0.225 A/MW。对于变频调速，对应的凝泵电机电流平均为100 A，此时机组有功功率为517 MW，因此机组每兆瓦有功功率需要的电流为0.193 A/MW。综上可知，当机组有功功率相同时，永磁调速和变频调速对应的凝泵电机电流比(功率比)为0.225/0.193=1.16。从表1中可知，当转速比为0.8时，永磁调速和变频调速消耗的功率比为1 298/1 209=1.07。同样，对于图3中稳定运行的低负荷段，永磁调速和变频调速的转速比都在i=0.7附近。通过计算可知，采用永磁调速时机组每兆瓦有功功率对应的凝泵电机电流为0.203 A/MW，而采用变频调速时对应的值为0.174 A/MW，因此当机组产生相同的有功功率时，永磁调速和变频调速对应的电流比(功率比)为0.203/0.174=1.17。根据表1可知，当转速比为0.7时，永磁调速和变频调速消耗的功率比为1.20。综上可知，在不同工况下，计算结果和实验值都比较接近，说明前面的计算和分析是可靠的。

上述分析仅针对电机消耗功率，尽管永磁调速系统消耗的功率要稍高于变频调速系统，但是将所有成本都考虑时，永磁调速系统的成本反而比变频调速系统要低。永磁调速的初始投资成本远小于变频调速，能够有效缓解企业前期投资的经济压力。此外，永磁调速系统的可靠性高于变频调速，长期运行稳定性好，维护简单。因此，从综合性能来讲，永磁调速比变频调速更具有优势。

3 结论

本文从效率、振动及可靠性等运行特性和经济性等方面对永磁调速和变频调速技术进行了对比研究。结果表明，在高转速比工况下，永磁调速效率更高，而在低转速情况下，变频调速效率更高。但是永磁调速可靠性更高，能够有效缓解系统振动和噪声，能够适应于各种恶劣的工作环境。此外，永磁调速的初始成本和维护成本远小于变频调速，即使在低转速情况下，永磁调速的总成本也低于变频调速。因此，永磁调速的综合性能要优于变频调速。

[1] 严新荣，张东.永磁调速技术在火力发电厂中的节能应用研究[J].华电技术，2009，31(12)：26-28.

[2] 穆为明，张文钢，黄刘琦.泵与风机的节能技术[M].上海：上海交通大学出版社，2013.

[3] 国家重点推广的电机节能先进技术目录(第一批)[J].中国设备工程，2014，(08)：71-72.

[4] 赵勇，张春杰，王刚，等.电厂闭式水泵永磁调速器改造的经济效益分析[J].华电技术，2015，37(3)：38-41.

Comparative study of permanent magnet speed regulation technology and variable frequency speed regulation technology

MA Yu-shun1,2, WU Ming1,2, KUANG Jun1,2, HUANG Xiao-bing2

(1.China Ship Scientific Research Center, Shanghai 200011, China; 2.Shanghai Oriental Maritime Engineering Technology Co., Ltd, Shanghai, 200011, China)

Permanent magnet speed regulation technology and variable frequency speed regulation technology are widely applied to regulate the speed of the centrifugal load such as pump and fan. Comparison between permanent magnet speed regulation and variable frequency speed regulation technology are conducted in terms of technical and economic performance. The calculating results are validated by the practical case. The permanent magnet speed regulation system has higher efficiency at high rotation speed ratio, while it has lower efficiency at lower rotation speed. Compared with the variable frequency speed regulation system, the permanent magnet speed regulation system has higher reliability in a long running process, less vibration during the operation, and lower demand for the working environment. In addition, it has less initial and maintenance costs. Even under the low rotation speed ratio, the permanent magnet speed regulation system has less total cost. Therefore, it can be concluded that the overall performance of the permanent magnet speed regulation technology is better than that of the variable frequency speed regulation technology.

Permanent magnet speed regulation; Variable frequency speed regulation; Efficiency; Economic performance

2017-02-01

上海张江国家自主创新示范区专项发展资金(201505-HP-C104-004)

马玉顺(1978-)，男，硕士，高级工程师。

吴明(1989-)，男，博士，工程师。

TM921.51

A

1674-8646(2017)08-0063-05