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1.引言
在火力发电厂的工程设计中，对于风机（水泵）等大型电机拖动的旋转辅机的选配通常是按照热力系统最大需求进行配置的，而实际运行工况中，多数情况下热力系统并未运行在最大需求工况，此时则需要对风机（水泵）等辅机系统的输出流量或压力进行控制。控制的方法有通过安装在管道系统上的调节阀门进行节流、调节风机（水泵）的转速等。由于进行节流控制时，风机（水泵）输出端的压力增高，使得风机（水泵）但运转点偏离最佳效率点，电机输出功率未能减小，造成能量浪费。而且，长期的节流运行还很容易产生气蚀、冲刷、振动，导致设备损坏。调节风机（水泵）的转速，从而改变风机（水泵）出口的压力和流量，满足工况要求，使得风机（水泵）出力和消耗的电能大大降低，具有较好的节能空间和经济效益。控制风机（水泵）的转速最佳的方法就是控制电机转速。目前实现电机调速的方式主要有变频调速、串级调速、液耦调速、永磁调速等。
永磁调速装置作为作为传动史上的一场革命，以期结构简单、运行可靠、节能降耗的显著特点迅速的在现代化工业电机拖动领域得到了大规模的应用。但永磁调速装置的缺点和其优点一样显著，那就是“永磁体”的“退磁”现象。永磁体的材料一般为汝铁硼等永磁材料，该材料的退磁点一般在摄氏80度～180度，一旦超过这个温度，磁性材料就好“退磁”，而“退磁”后则直接丧失量转矩传递的功能。所以，永磁体不适合工作在高温环境中。但，永磁调速装置的工作原理又决定了，永磁调速装置在转矩传递的过程中必然会产生大量的热量，而且功率越大，产生的热量越大。如何消除这些热量对娇弱的永磁体的影响成为了各永磁调速装置制造厂家的核心技术，也成为了制约永磁调速装置输出功率的关键性技术门槛。
下面，我们就以一台1400KW锅炉离心式引风机调速装置的改造为例，讨论一下在火力发电行业利用大功率永磁调速装置替代高压变频调速装置的可行性和经济性，并对采用大功率永磁调速装置后的节能情况进行分析和探讨。
2.项目介绍
江苏镇江大港热电厂位于江苏省镇江市大港新材料产业园区，是为新材料产业园配套建设的唯一热源点，拥有2台75蒸吨和1台130蒸吨的循环流化床锅炉。为了适应环保控制大气污染物排放标准的要求，该厂在2015年进行了湿法脱硫的环保改造工作。由于新增了湿法脱硫系统，烟道阻力增加，为了保证环保改造后的正常运行，需对原配套的引风机进行增容。具体增容改造方案为：将原1000kW引风机增容为1400kW，并新增了一台由安徽沃弗电力科技有限公司生产的1400KW油冷式永磁调速装置替代原先的由北京利德华福电气技术有限公司生产的10KV高压变频器作为电机调速方式。
对于在改造方案中，为何选择永磁调速方式来替代变频调速方式主要是基于以下几个原因：
●变频器的输出存在谐波，引起电流波形畸变，降低供电效率及电源质量，增加了无功损耗，降低了继保装置的可靠性。
●变频输出导致电机温升增加，损害了电机绝缘。
●变频器安装环境要求高，对粉尘、湿度、温度都有较高要求，运行维护量大。
●变频器的电力电子元器件易老化（平均使用寿命在十年左右），随着运行时间的增加，可靠性显著降低（改造单位的高压变频器就是在第6年起，故障频发）
●随着电压等级的增加，变频器的成本与复杂性也同步增加，可靠性降低。变频器系统的维护需要专业的技术人员与工器具，工厂几乎没有维护和检修的能力，外送检修成本高，时间长。
●永磁调速装置的环境适应性强，安装于就地，对电网、电机、继保装置等均无要求、无影响。
●永磁调速装置结构简单，安装容易，故障预兆明显，易于查找排除。维护技术难度低，维护工作量少;变频器结构复杂，故障预兆不明显，难以排查，维护技术难度高，维护工作量高。
●永磁调速装置可以实现空载/缓冲启动，大幅度降低电机启动的峰值电流，缩短浪涌持续时间，且可频繁启停、快速重启;变频器只能低频带载启动，电机容易发热，且不可频繁启停、快速重启。
●永磁调速装置设备寿命期长，故障率低，平均设备寿命期可达25年以上，基本做到了与主设备寿命同步。
项目改造时，对采用变频调速还是永磁调速进行了设备寿命期内的费用比较。比较结果如下表所示。其中，永磁调速装置的设备采购费用为150万元，寿命期25年，耗电功率约6KW，耗水量约20t/h;高压变频器的设备采购费用为90万元，寿命期10年，耗电功率约为1400×5%=70KW;电费按0.5元/KW .h計算，水资源费按0.2元/t计算;设备运行时间按4500h/a。未考虑设备故障影响生产所造成的损失。
通过对项目改造后永磁调速装置实际运行效果分析，从上面列出的永磁调速装置在不同工况、年份、季节情况下的实际运行参数可以看出，改造后的永磁调速装置响应速度快、调节精度高、调节曲线平滑，完全能够满足火电厂锅炉引风机负荷调整需要，能够完全替代变频调速方式。且运行工况稳定，截止至发稿日期，该套装置的缺陷为零，从未发生过因永磁调速装置原因而导致的锅炉出力受限或被迫停炉的异常情况和恶性事故。因此可以说明，永磁调速是一种安全、可靠、经济的新兴调速技术，相对于目前应用较多的变频调速方式具有无负面效应、可靠性高、安全性好、寿命周期内总费用低、环境适应性强、安装维护便利等显著优势。而且安徽沃弗电力科技有限公司通过其独创的油冷技术，攻克了限制永磁调节装置大功率化的技术壁垒，使得永磁调速装置在大功率电机调速应用场合有了用武之地，应用前景广阔。
3.永磁调速器装置节能性能分析
永磁调速器是透过气隙传递转矩的革命性传动设备，电机与负载设备转轴之间无需机械连结，电机旋转时带动导磁盘在装有强力稀土磁铁的磁盘所产生的强磁场中切割磁力线，因而在导磁盘中产生涡电流（Eddy Current），该涡电流在导磁盘上产生感应磁场，拉动导磁盘与磁盘的相对运动，从而实现了电机与负载之间的转矩传输。 永磁调速器的组成：
永磁转子：镶有永磁体（强力稀土磁铁）的铝盘，与负载轴连接导磁转子
导磁体盘（铜或铝）， 与电机轴连接
气隙执行机构：调整磁盘与导磁盘之间气隙的机构
转轴连接壳与紧缩盘：以专利紧缩盘装置与电机及负载轴连结
润滑冷却系统：高可靠润滑冷却系统保障永磁设备安全运行
永磁调速装置结构示意图
从上面的原理图中看出，电机与负载之间的扭矩传输，不同于常规的硬机械连接方式，是通过非接触式连接的，它不仅可以通过调整气隙实现转速调整，还带来很多其它调速方式所不具备的优点。电机启动前，将永磁体与导磁盘之间的间歇调到最大，此时启动电机带动导磁盘旋转，与永磁体磁场发生相对运动，切割磁力线，在导磁盘中产生涡流磁场，保持系统内磁场平衡。由于此时穿过导磁盘的磁力线较少，导磁盘内的感生电势较低，因此永磁体与导磁盘之间的耦合作用相对较弱，电机几乎处于空载状态;当需要提高转速带载时，调整导磁盘与永磁体间的间隙，使得穿过导磁盘的磁场强度急剧增加，耦合作用加强，向负载端传递更大转矩，从而起到调节转速的目的。
3.1永磁调速装置的性能分析
由于永磁调速装置采用了气隙传递扭矩的方法，所以在安装时不需精确进行轴对中校准，其最大误差可以达到0.5～1mm。转动设备的振动、冲击、噪音等完全取决于设备自身精度，与安装精度几乎无关。在实际运行过程中，由于振动水平的降低，减少了机械能耗和磨损损耗。
负载在全速运行时，负载与电机之间的滑差损耗<3%，效率>97%，与变频器的性能相当，明显优于液力耦合器的调速方式。负载端的转速调节死区<20%，可平滑无极调速，无任何跳动、阶跃、迟滞等不正常现象出现。
3.2节能分析
表四中反映的节能数据是同额定轴功率对比的，在总体的能效上与变频调速装置相当，特别是在高转速段（>90%额定转速）永磁调速装置拥有更好的效率表现。而在低转速段，虽然变频器可能更有效率，但是，变频器制造商提供的效率数据中并没有将其它冷却设施和辅助型设施的能量计算在内（包括变压器、滤波器、控制装置、照明设施、空调设施等），同时也没有计算电机的效率损失（这个损失是由于电机速度减慢后谐波增加所导致的）。当这些损失统统计算在内的时候，往往铭牌上标注效率为95%的变频器在实际应用时的效率只有85%甚至是更低。
俄勒冈州大学Alan Wallace博士关于PMD与VFD差异性研究
PMD（永磁调速）的工作原理要求永磁体与导体之间必需存在相对运动，这就意味着输出速度总是低于输入速度，这一速度差被称之为“滑差”。典型状态下，当PMD工作于额定转速，滑差為1%～4%，永磁调速装置的输出转矩总是等于输入转矩，即电机仅需产生负载所需数量的转矩。这就是PMD节能的根本原因所在。从PMD的调速特性及流体机械的相似定律（流量与负载转速成正比，功率与转速的立方成正比）可知，PMD特别适合风机、水泵等离心负载的调节应用，且节能效果显著。
4.小结
永磁调速装置具有结构简单、适应性强、安装维护方便、自身损耗小、设备寿命长等显著优点。能效、传动效率、调节特性等均优于阀门节流调节方式与液力耦合方式;与变频调节方式的能效、传动效率、调节特性等相当，但不存在变频调节方式的负面效应，且在维护保养、绿色环保、运行环境要求等方面均优于变频调节方式。因此，永磁调速方式作为新兴的电机拖动调速手段，在打破了大型化的桎梏后，完全可以适用于火力发电行业的大功率电机拖动系统的调速应用场合。
在火力发电厂的工程设计中，对于风机（水泵）等大型电机拖动的旋转辅机的选配通常是按照热力系统最大需求进行配置的，而实际运行工况中，多数情况下热力系统并未运行在最大需求工况，此时则需要对风机（水泵）等辅机系统的输出流量或压力进行控制。控制的方法有通过安装在管道系统上的调节阀门进行节流、调节风机（水泵）的转速等。由于进行节流控制时，风机（水泵）输出端的压力增高，使得风机（水泵）但运转点偏离最佳效率点，电机输出功率未能减小，造成能量浪费。而且，长期的节流运行还很容易产生气蚀、冲刷、振动，导致设备损坏。调节风机（水泵）的转速，从而改变风机（水泵）出口的压力和流量，满足工况要求，使得风机（水泵）出力和消耗的电能大大降低，具有较好的节能空间和经济效益。控制风机（水泵）的转速最佳的方法就是控制电机转速。目前实现电机调速的方式主要有变频调速、串级调速、液耦调速、永磁调速等。
永磁调速装置作为作为传动史上的一场革命，以期结构简单、运行可靠、节能降耗的显著特点迅速的在现代化工业电机拖动领域得到了大规模的应用。但永磁调速装置的缺点和其优点一样显著，那就是“永磁体”的“退磁”现象。永磁体的材料一般为汝铁硼等永磁材料，该材料的退磁点一般在摄氏80度～180度，一旦超过这个温度，磁性材料就好“退磁”，而“退磁”后则直接丧失量转矩传递的功能。所以，永磁体不适合工作在高温环境中。但，永磁调速装置的工作原理又决定了，永磁调速装置在转矩传递的过程中必然会产生大量的热量，而且功率越大，产生的热量越大。如何消除这些热量对娇弱的永磁体的影响成为了各永磁调速装置制造厂家的核心技术，也成为了制约永磁调速装置输出功率的关键性技术门槛。
下面，我们就以一台1400KW锅炉离心式引风机调速装置的改造为例，讨论一下在火力发电行业利用大功率永磁调速装置替代高压变频调速装置的可行性和经济性，并对采用大功率永磁调速装置后的节能情况进行分析和探讨。
2.项目介绍
江苏镇江大港热电厂位于江苏省镇江市大港新材料产业园区，是为新材料产业园配套建设的唯一热源点，拥有2台75蒸吨和1台130蒸吨的循环流化床锅炉。为了适应环保控制大气污染物排放标准的要求，该厂在2015年进行了湿法脱硫的环保改造工作。由于新增了湿法脱硫系统，烟道阻力增加，为了保证环保改造后的正常运行，需对原配套的引风机进行增容。具体增容改造方案为：将原1000kW引风机增容为1400kW，并新增了一台由安徽沃弗电力科技有限公司生产的1400KW油冷式永磁调速装置替代原先的由北京利德华福电气技术有限公司生产的10KV高压变频器作为电机调速方式。
对于在改造方案中，为何选择永磁调速方式来替代变频调速方式主要是基于以下几个原因：
●变频器的输出存在谐波，引起电流波形畸变，降低供电效率及电源质量，增加了无功损耗，降低了继保装置的可靠性。
●变频输出导致电机温升增加，损害了电机绝缘。
●变频器安装环境要求高，对粉尘、湿度、温度都有较高要求，运行维护量大。
●变频器的电力电子元器件易老化（平均使用寿命在十年左右），随着运行时间的增加，可靠性显著降低（改造单位的高压变频器就是在第6年起，故障频发）
●随着电压等级的增加，变频器的成本与复杂性也同步增加，可靠性降低。变频器系统的维护需要专业的技术人员与工器具，工厂几乎没有维护和检修的能力，外送检修成本高，时间长。
●永磁调速装置的环境适应性强，安装于就地，对电网、电机、继保装置等均无要求、无影响。
●永磁调速装置结构简单，安装容易，故障预兆明显，易于查找排除。维护技术难度低，维护工作量少;变频器结构复杂，故障预兆不明显，难以排查，维护技术难度高，维护工作量高。
●永磁调速装置可以实现空载/缓冲启动，大幅度降低电机启动的峰值电流，缩短浪涌持续时间，且可频繁启停、快速重启;变频器只能低频带载启动，电机容易发热，且不可频繁启停、快速重启。
●永磁调速装置设备寿命期长，故障率低，平均设备寿命期可达25年以上，基本做到了与主设备寿命同步。
项目改造时，对采用变频调速还是永磁调速进行了设备寿命期内的费用比较。比较结果如下表所示。其中，永磁调速装置的设备采购费用为150万元，寿命期25年，耗电功率约6KW，耗水量约20t/h;高压变频器的设备采购费用为90万元，寿命期10年，耗电功率约为1400×5%=70KW;电费按0.5元/KW .h計算，水资源费按0.2元/t计算;设备运行时间按4500h/a。未考虑设备故障影响生产所造成的损失。
通过对项目改造后永磁调速装置实际运行效果分析，从上面列出的永磁调速装置在不同工况、年份、季节情况下的实际运行参数可以看出，改造后的永磁调速装置响应速度快、调节精度高、调节曲线平滑，完全能够满足火电厂锅炉引风机负荷调整需要，能够完全替代变频调速方式。且运行工况稳定，截止至发稿日期，该套装置的缺陷为零，从未发生过因永磁调速装置原因而导致的锅炉出力受限或被迫停炉的异常情况和恶性事故。因此可以说明，永磁调速是一种安全、可靠、经济的新兴调速技术，相对于目前应用较多的变频调速方式具有无负面效应、可靠性高、安全性好、寿命周期内总费用低、环境适应性强、安装维护便利等显著优势。而且安徽沃弗电力科技有限公司通过其独创的油冷技术，攻克了限制永磁调节装置大功率化的技术壁垒，使得永磁调速装置在大功率电机调速应用场合有了用武之地，应用前景广阔。
3.永磁调速器装置节能性能分析
永磁调速器是透过气隙传递转矩的革命性传动设备，电机与负载设备转轴之间无需机械连结，电机旋转时带动导磁盘在装有强力稀土磁铁的磁盘所产生的强磁场中切割磁力线，因而在导磁盘中产生涡电流（Eddy Current），该涡电流在导磁盘上产生感应磁场，拉动导磁盘与磁盘的相对运动，从而实现了电机与负载之间的转矩传输。 永磁调速器的组成：
永磁转子：镶有永磁体（强力稀土磁铁）的铝盘，与负载轴连接导磁转子
导磁体盘（铜或铝）， 与电机轴连接
气隙执行机构：调整磁盘与导磁盘之间气隙的机构
转轴连接壳与紧缩盘：以专利紧缩盘装置与电机及负载轴连结
润滑冷却系统：高可靠润滑冷却系统保障永磁设备安全运行
永磁调速装置结构示意图
从上面的原理图中看出，电机与负载之间的扭矩传输，不同于常规的硬机械连接方式，是通过非接触式连接的，它不仅可以通过调整气隙实现转速调整，还带来很多其它调速方式所不具备的优点。电机启动前，将永磁体与导磁盘之间的间歇调到最大，此时启动电机带动导磁盘旋转，与永磁体磁场发生相对运动，切割磁力线，在导磁盘中产生涡流磁场，保持系统内磁场平衡。由于此时穿过导磁盘的磁力线较少，导磁盘内的感生电势较低，因此永磁体与导磁盘之间的耦合作用相对较弱，电机几乎处于空载状态;当需要提高转速带载时，调整导磁盘与永磁体间的间隙，使得穿过导磁盘的磁场强度急剧增加，耦合作用加强，向负载端传递更大转矩，从而起到调节转速的目的。
3.1永磁调速装置的性能分析
由于永磁调速装置采用了气隙传递扭矩的方法，所以在安装时不需精确进行轴对中校准，其最大误差可以达到0.5～1mm。转动设备的振动、冲击、噪音等完全取决于设备自身精度，与安装精度几乎无关。在实际运行过程中，由于振动水平的降低，减少了机械能耗和磨损损耗。
负载在全速运行时，负载与电机之间的滑差损耗<3%，效率>97%，与变频器的性能相当，明显优于液力耦合器的调速方式。负载端的转速调节死区<20%，可平滑无极调速，无任何跳动、阶跃、迟滞等不正常现象出现。
3.2节能分析
表四中反映的节能数据是同额定轴功率对比的，在总体的能效上与变频调速装置相当，特别是在高转速段（>90%额定转速）永磁调速装置拥有更好的效率表现。而在低转速段，虽然变频器可能更有效率，但是，变频器制造商提供的效率数据中并没有将其它冷却设施和辅助型设施的能量计算在内（包括变压器、滤波器、控制装置、照明设施、空调设施等），同时也没有计算电机的效率损失（这个损失是由于电机速度减慢后谐波增加所导致的）。当这些损失统统计算在内的时候，往往铭牌上标注效率为95%的变频器在实际应用时的效率只有85%甚至是更低。
俄勒冈州大学Alan Wallace博士关于PMD与VFD差异性研究
PMD（永磁调速）的工作原理要求永磁体与导体之间必需存在相对运动，这就意味着输出速度总是低于输入速度，这一速度差被称之为“滑差”。典型状态下，当PMD工作于额定转速，滑差為1%～4%，永磁调速装置的输出转矩总是等于输入转矩，即电机仅需产生负载所需数量的转矩。这就是PMD节能的根本原因所在。从PMD的调速特性及流体机械的相似定律（流量与负载转速成正比，功率与转速的立方成正比）可知，PMD特别适合风机、水泵等离心负载的调节应用，且节能效果显著。
4.小结
永磁调速装置具有结构简单、适应性强、安装维护方便、自身损耗小、设备寿命长等显著优点。能效、传动效率、调节特性等均优于阀门节流调节方式与液力耦合方式;与变频调节方式的能效、传动效率、调节特性等相当，但不存在变频调节方式的负面效应，且在维护保养、绿色环保、运行环境要求等方面均优于变频调节方式。因此，永磁调速方式作为新兴的电机拖动调速手段，在打破了大型化的桎梏后，完全可以适用于火力发电行业的大功率电机拖动系统的调速应用场合。