高速永磁同步電機在泵行業(yè)的應用

（耐馳泵閥科技（天津）有限公司）

摘要：應用永磁同步電機驅(qū)動的各類水泵及化工石油泵，具有效率高，體積小，性能優(yōu)越，是泵行業(yè)發(fā)展的方向。

關鍵詞：永磁同步電機  高速離心泵   率   節(jié)能

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活的各個方面，泵的應用隨處可見，在許多設備上也有泵的使用，泵在能耗方面是僅次于動力電機的設備能耗，據(jù)考證有占18-21%發(fā)電能耗，是耗能大戶。在當前節(jié)能減排的嚴峻形勢下，降低泵的能耗，對節(jié)能減排有著重大的意義。

泵主要有離心泵、潛水泵、管道泵、多級泵、旋渦泵、混流泵、軸流泵等。各種泵的葉輪在泵體里的電機軸上，電機旋轉(zhuǎn)作功使液體提升，電機是泵的最重要部件。泵的電機常用有單相異步電機和三相異步電機，是一種感應電機。由于直流電機、串接電機等可靠性差，效率低或價位高等原因很少采用，所以泵電機基本上是使用這種感應的異步電機。感應電機是根據(jù)電磁感應原理，轉(zhuǎn)子上鋁或銅的環(huán)形導體在定子旋轉(zhuǎn)的磁場里跟著旋轉(zhuǎn)，總慢于磁場旋轉(zhuǎn)稱為異步電機。永磁無刷同步電機的轉(zhuǎn)子是稀土磁鋼，由驅(qū)動器根據(jù)轉(zhuǎn)子和各繞組相對位置來驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的無刷的直流電機，它的轉(zhuǎn)速由驅(qū)動器的參數(shù)而定，轉(zhuǎn)子和定子旋轉(zhuǎn)磁場保持同步，不象異步電機一樣的慢一點，因此叫變頻驅(qū)動永磁同步電機。永磁同步電機又分為異步起動永磁同步電機和變頻驅(qū)動永磁同步電機，

永磁同步電機應用于設備動力是近十年來的事，目前常見到有加裝有位置編碼器的數(shù)控銑床、車床上用的伺服電機，以及注塑機上用的永磁同步電機。機床上用的是需要精準位置定位的伺服電機，考慮主要在于功能性方面，而注塑機上用的永磁同步電機則主要是為了節(jié)能提率而裝的。永磁同步電機在其他設備方面的應用還是比較少見。

本文介紹的是永磁同步電機在泵上的應用。永磁同步電機需要配套變頻控制器，它和普通矢量變頻器不一樣，是直流變頻技術，采用諸如模控制理論、自適應技術、速度、電流開環(huán)或閉環(huán)控制技術等無霍爾直流無刷電機控制的最新技術，可以以恒功率、恒轉(zhuǎn)速、恒扭矩等工作方式工作，具有響應速度快，控制精確的特點，它在整個功率負載段輸出功率曲線都平坦，電機效率方面，就7.5KW的電機的實驗表明，在額定功率的20%以上時都有＞80%的效率，10%的額定功率時效率有＞70%，3%的額定功率時有＞60%的效率，在整個功率段都是率的，這些都是其他電機所望塵莫及的。永磁同步電機具有率，和一般常用功率的異步電機相比，效率要高很多。普通交流電機的效率是工頻供電下測試的，如果用變頻器供電時，波形不如工頻好，效率要下約2個點，加變頻器本身損耗，整個就要損耗至少5%。永磁同步電機的效率是包括變頻控制器損耗，它比單相異步電機效率高15-20%，比三相異步電機的效率要高7-10%，如果三相異步電機也配用變頻控制的話，相比效率就要高12-15%。如果在低頻段工作時，相差還要大很多，因異步電機在低頻工作時效率很低。見電機負載特性表。泵的效率除泵體結(jié)構(gòu)的特性外，主要是電機的效率，用了的電機作泵動力，泵的機組效率就高了。泵體一般效率是在50-70%，如果選用效率比異步電機高10%的永磁同步電機，那泵的機組效率就能提高5-7%。

永磁同步電機還有一個特點就是速度越高優(yōu)勢越明顯，它的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)要求來設計，速度高時，電機體積小，耗材少，單位功率的成本低。普通異步電機的轉(zhuǎn)速由磁極數(shù)決定，常用2極或4極，異步電機的轉(zhuǎn)速在50Hz時2極的最高工作轉(zhuǎn)速不會超過2900轉(zhuǎn)/分，泵的葉輪的設計只能根據(jù)這個轉(zhuǎn)速來設計。如果再提高轉(zhuǎn)速，則要采用矢量變頻器對交流異步電機變頻提速，但是變頻的異步電機的體積重量還是小不了，效率也不能提高多少，是沒法與同步電機的優(yōu)良性能相比的。根據(jù)流體力學的原理，離心泵、潛水泵、管道泵、多級泵、旋渦泵、混流泵、軸流泵等離心式水泵，提高轉(zhuǎn)速可以提高揚程和流量，流量是轉(zhuǎn)速提高倍數(shù)的1次方，而揚程則是轉(zhuǎn)速提高倍數(shù)的2次方，功率是3次方，可以看出，提高轉(zhuǎn)速對提高泵的揚程和流量效果顯著，對改善泵的性能大有好處，而高速的永磁同步電機比低速的常規(guī)轉(zhuǎn)速的永磁同步電機，在體積上成本上更具優(yōu)勢，在性能上也同樣有優(yōu)勢。提高轉(zhuǎn)速起到了這兩方面的利好，這個轉(zhuǎn)速該高到如何呢，根據(jù)材料工藝來定，一般選4000至7000轉(zhuǎn)/分為合適，如果把密封、軸承、軸、葉輪等關鍵材料以及加工工藝解決好，特別是葉輪、轉(zhuǎn)子、軸等制作好，同心度高，高速運行時能平穩(wěn)不震動，這樣就可以把轉(zhuǎn)速選定得更高，如10000轉(zhuǎn)/分，這泵的性能就發(fā)生了質(zhì)的變化，就是一個高科技的全新泵產(chǎn)品。而這些經(jīng)過設備更新，加工工藝改正，通過常規(guī)努力就能實現(xiàn)。

永磁同步電機配有直流變頻技術的控制器，有過熱，過流、過載等各種自動保護功能。同步電機的恒轉(zhuǎn)速功能使泵在電網(wǎng)電壓變化時能使流量和揚程保持不變，能寬電壓使用而保持工作的良好穩(wěn)定性。控制器的數(shù)字處理電路的核心是一個單片機，可以根據(jù)泵的工作需要設定各種程序指令，可以恒流、恒壓供水、水位控制、定時開機關機，可以和電腦主機通訊、聯(lián)機，實現(xiàn)辦公室桌面遠程控制以及網(wǎng)絡遠程控制，實現(xiàn)泵的智能化，自動化。

用高速永磁同步電機配套離心泵、旋渦泵、混流泵、軸流泵等泵后，泵的流量揚程和效率都會發(fā)生很大的變化，揚程和流量會大幅提高，機電一體化少，體積小重量輕。永磁同步電機及同步變頻技術無論從技術特性、控制性能、應用范圍、性價都比目前普遍使用的異步電機及變頻技術要先進，同步電機及其變頻技術相信將會逐步應用于各類泵，而且異步電機變頻技術將會逐步淡出市場，這會對泵行業(yè)帶來一場產(chǎn)業(yè)技術革命，推動泵行業(yè)的節(jié)能減排上一個臺階， 提高10%的節(jié)能效果對整個泵行業(yè)乃至全國的節(jié)能減排工作都有著非常重大的意義。

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