高速永磁同步電機在泵行業的應用

（耐馳泵閥科技（天津）有限公司）

摘要：應用永磁同步電機驅動的各類水泵及化工石油泵，具有效率高，體積小，性能優越，是泵行業發展的方向。

關鍵詞：永磁同步電機  高速離心泵   率   節能

在工農業生產及生活的各個方面，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，據考證有占18-21%發電能耗，是耗能大戶。在當前節能減排的嚴峻形勢下，降低泵的能耗，對節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。感應電機是根據電磁感應原理，轉子上鋁或銅的環形導體在定子旋轉的磁場里跟著旋轉，總慢于磁場旋轉稱為異步電機。永磁無刷同步電機的轉子是稀土磁鋼，由驅動器根據轉子和各繞組相對位置來驅動旋轉的無刷的直流電機，它的轉速由驅動器的參數而定，轉子和定子旋轉磁場保持同步，不象異步電機一樣的慢一點，因此叫變頻驅動永磁同步電機。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、電流開環或閉環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。泵的效率除泵體結構的特性外，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勢越明顯，它的轉速可以根據要求來設計，速度高時，電機體積小，耗材少，單位功率的成本低。普通異步電機的轉速由磁極數決定，常用2極或4極，異步電機的轉速在50Hz時2極的最高工作轉速不會超過2900轉/分，泵的葉輪的設計只能根據這個轉速來設計。如果再提高轉速，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良性能相比的。根據流體力學的原理，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，提高轉速可以提高揚程和流量，流量是轉速提高倍數的1次方，而揚程則是轉速提高倍數的2次方，功率是3次方，可以看出，提高轉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轉速的永磁同步電機，在體積上成本上更具優勢，在性能上也同樣有優勢。提高轉速起到了這兩方面的利好，這個轉速該高到如何呢，根據材料工藝來定，一般選4000至7000轉/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、轉子、軸等制作好，同心度高，高速運行時能平穩不震動，這樣就可以把轉速選定得更高，如10000轉/分，這泵的性能就發生了質的變化，就是一個高科技的全新泵產品。而這些經過設備更新，加工工藝改正，通過常規努力就能實現。

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。同步電機的恒轉速功能使泵在電網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定性。控制器的數字處理電路的核心是一個單片機，可以根據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、聯機，實現辦公室桌面遠程控制以及網絡遠程控制，實現泵的智能化，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，這會對泵行業帶來一場產業技術革命，推動泵行業的節能減排上一個臺階， 提高10%的節能效果對整個泵行業乃至全國的節能減排工作都有著非常重大的意義。

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