目前，國際航運市場低迷，受燃油價格、低航速經(jīng)濟性、碳排放等因素的影響，為了降低船舶運行總成本，許多在運船舶普遍采用主機降速的運行方式，但主機降速運行，意味著主機冷卻水泵冷卻水需求量降低，勢必對冷卻水泵電機進行降速節(jié)能。而如何實現(xiàn)船舶主機冷卻水泵的降速節(jié)能目標(biāo)，是擺在各船東眼前的一道重要課題。

首先，讓我們先來了解一下船舶主機的冷卻水泵（離心式海水泵、淡水泵），船舶主機冷卻水泵通常以電機作為原動機，它是船舶上耗能較多的設(shè)備。冷卻水泵在工作中往往根據(jù)需要隨時調(diào)節(jié)排量，

這就需要對冷卻水泵的工況點進行調(diào)節(jié)。

一、船舶主機冷卻水泵的工況點調(diào)節(jié)方式現(xiàn)狀分析

1.旁通調(diào)節(jié)法

設(shè)置旁通管路與主管路并聯(lián)工作，用改變旁通閥門的開度來改變旁通管路的流量，以調(diào)節(jié)泵的主管路排量。

2.節(jié)流調(diào)節(jié)法

冷卻水泵定速運行時，改變排出閥門的開度，以改變泵的工況點，實現(xiàn)調(diào)節(jié)泵的排量的目的。

3.變速調(diào)節(jié)法（變頻調(diào)節(jié)較多）

采用可變速的原動機，改變泵的特性，實現(xiàn)排量和壓頭的調(diào)節(jié)，從而控制船舶主機冷卻水泵的流量。

上述三種調(diào)節(jié)方法中，前兩種方法有相當(dāng)多的能量損失在旁通管路和排出閥開度減小后的節(jié)流損失上，其經(jīng)濟性較差。而變速調(diào)節(jié)法，不僅具有較寬的調(diào)節(jié)范圍，同時節(jié)省了功率，使泵的運行效率保持很高。

二、變頻調(diào)節(jié)技術(shù)在船舶主機冷卻水泵節(jié)能調(diào)速中存在的問題分析

以第三種調(diào)節(jié)方法為例，結(jié)合目前各船舶主機冷卻水泵原動機配置現(xiàn)狀，已經(jīng)加裝了變頻裝置的主機冷卻水泵，采用變頻降頻的方式降低主機冷卻水泵驅(qū)動電機的運行轉(zhuǎn)速，從而降低冷卻水的需求量，但存在以下問題：

1.電磁諧波干擾大

變頻器在工作時往往產(chǎn)生很多的干擾電磁波，這些電磁波如果不采取適當(dāng)?shù)姆婪洞胧�，將會影響儀表和儀器的正常工作，而且對無線電通導(dǎo)設(shè)備的工作會有干擾。

2.環(huán)境溫度和工作溫度要求高

變頻器內(nèi)部的功率電力電子元件要求有合適的工作溫度，一般要求為55℃ 以下，在變頻器逆變電路中，如果溫度超過了某一個限定的值的話，就會立即導(dǎo)致IGBT功率管的損壞，而且由于船舶環(huán)境復(fù)雜，濕氣嚴(yán)重，潮濕悶熱，水汽容易凝結(jié)，雷雨，粉塵，油污，金屬碎屑等等的進入也會導(dǎo)致非絕緣型電路板的燒毀，雖然船舶用變頻器相比較工業(yè)用變頻器的防護等級有所提高，并且在電器元件涂特殊的漆，但仍然不能完全應(yīng)對船舶對船用變頻器的要求

3.振動與沖擊對變頻控制影響大

變頻器控制柜如受到機械振動或沖擊時，往往會引起電氣接觸不良，影響電路的正常工作，船舶常因風(fēng)浪而受到振沖或沖擊，所以船用變頻器控制柜必須應(yīng)有一定的機械強度。安裝時要遠離振動源和沖擊源，還需應(yīng)用抗震橡皮墊進行固定。

4.接地要求

變頻器正確接地是提高系統(tǒng)靈敏度、抑制噪聲的重要手段，變頻器接地端子接地電阻越小越好，要求要與動力設(shè)備的接地點要分開，不能共地。輸入信號線的屏蔽層應(yīng)接至變頻器接地端子E(G)上。

而未加裝變頻及其他調(diào)速裝置的主機冷卻水泵，由于主機降低運行速度，冷卻水需求量降低，因為主機冷卻水泵未加裝任何調(diào)速裝置，這就意味著冷卻水泵會在滿負荷情況下運行，這種工作狀態(tài)存在嚴(yán)重的不節(jié)能，而且是目前大多數(shù)在運船舶面臨的現(xiàn)實問題。

那我們不禁要問，有沒有一種調(diào)速節(jié)能技術(shù)，既可以實現(xiàn)變頻調(diào)速的所有功能，還沒有這么嚴(yán)苛的環(huán)境、安裝要求？

接下來，讓我們一起再來了解一下永磁調(diào)速節(jié)能技術(shù)。

三、永磁調(diào)速節(jié)能技術(shù)分析

1.永磁調(diào)速技術(shù)概況

大部分離心式水泵、風(fēng)機的額定參數(shù)大于實際需求，而且水泵、風(fēng)機常年處于恒速運行狀態(tài)，通常都是以閥門或風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)所需流量與壓力, 大量能量耗損于閥門或風(fēng)門所增加的阻力上, 極不經(jīng)濟更不合乎國家節(jié)能檢排的號召.

永磁驅(qū)動技術(shù)近年來國際上開發(fā)的一項突破性新技術(shù)，是專門針對風(fēng)機、泵類離心負載調(diào)速節(jié)能的適用技術(shù)。是在永磁新材料技術(shù)、永磁傳動技術(shù)、機械制造、設(shè)計水平飛速發(fā)展而來的新傳動技術(shù)，它具有高效節(jié)能、高可靠性、無剛性連接傳遞扭矩、可在惡劣環(huán)境下應(yīng)用、極大減少整體系統(tǒng)振動、減少系統(tǒng)維護和延長系統(tǒng)使用壽命等特點。尤其是其不產(chǎn)生高次諧波且低速下不造成電機發(fā)熱的優(yōu)良調(diào)速特性更使其成為風(fēng)機及泵類設(shè)備節(jié)能技術(shù)改造的首選。

2.永磁調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

永磁調(diào)速器是透過氣隙傳遞轉(zhuǎn)矩的革命性傳動設(shè)備,電機與負載設(shè)備轉(zhuǎn)軸之間無需機械連結(jié), 電機旋轉(zhuǎn)時帶動導(dǎo)磁盤在裝有強力稀土磁鐵的磁盤所產(chǎn)生的強磁場中切割磁力線，因而在導(dǎo)磁盤中產(chǎn)生渦電流,該渦電流在導(dǎo)磁盤上產(chǎn)生反感磁場，拉動導(dǎo)磁盤與磁盤的相對運動，從而實現(xiàn)了電機與負載之間的轉(zhuǎn)矩傳輸。

永磁調(diào)速器由四個部件組成：

永磁轉(zhuǎn)子:鑲有永磁體(強力稀土磁鐵)的鋁盤,與負載軸連接

導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子:導(dǎo)磁體盤(銅或鋁), 與電機軸連接

氣隙執(zhí)行機構(gòu):調(diào)整磁盤與導(dǎo)磁盤之間氣隙的機構(gòu)

轉(zhuǎn)軸連接殼與緊縮盤:以專利緊縮盤裝置與電機及負載軸連結(jié)

永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)圖

融德機電工程設(shè)備有限公司永磁調(diào)速器實物圖

3.永磁調(diào)速與變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用分析對比

a. 對船舶原電網(wǎng)影響

變頻調(diào)速：變頻調(diào)速是將輸入電壓通過變頻器輸入整流器變?yōu)楦邏褐绷麟妷�，之后通過能改變頻率的逆變器變換成頻率可變的高壓交流電來驅(qū)動電機運行的，是變頻率的調(diào)速技術(shù)。因為變頻器輸入端直接連接到電網(wǎng)，對電網(wǎng)電壓更為敏感，船舶航行電壓變化、電流變化、雷擊浪涌、海況復(fù)雜等，直接影響變頻器電子設(shè)備的可靠性，容易造成變頻器的絕緣擊穿、控制器件的損壞等，因此其安全性最低，極大地降低了原系統(tǒng)的可靠性，為提高可靠性，還需要額外安裝避雷裝置。

永磁調(diào)速：永磁調(diào)速設(shè)備為精密的純機械的設(shè)備，采用的負載滑差調(diào)速技術(shù)。無復(fù)雜調(diào)速控制設(shè)備及系統(tǒng)，不需要接入原船舶控制電網(wǎng)，因此對電網(wǎng)電壓不敏感，且不影響船舶原電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。

b. 對船舶主機冷卻水原系統(tǒng)電機、安裝方式的改造要求

變頻調(diào)速：由于變頻器的輸出電壓是由許多方波疊加而成的正弦波，存在著很大的諧波分量，高次諧波電流很大，容易導(dǎo)致電機過熱(因為趨膚效應(yīng))，因此嚴(yán)格說來，電機應(yīng)該使用絕緣等級為H級的變頻電機，才能保證原有電機的設(shè)計壽命，一般現(xiàn)有改造忽略了變頻器對電機壽命的影響而直接采用現(xiàn)有電機，是非常不合理的。如果船舶主機冷卻水原驅(qū)動電機尚未采用變頻電機，則需要額外采購變頻電機。

永磁調(diào)速：因為該設(shè)備由船舶原冷卻水泵主電機驅(qū)動，對冷卻水泵驅(qū)動電機無特殊要求。安裝方式靈活，可立式、臥式安裝。

立式安裝方式

臥式安裝方式

c. 對船舶環(huán)境要求

變頻調(diào)速：變頻器為復(fù)雜的電力電子裝置，其控制回路采用可控硅或IGBT實現(xiàn)電流調(diào)節(jié)，半導(dǎo)體元件通常要求在0~55℃環(huán)境下工作，同時對環(huán)境濕度也有要求，一般為相對濕度60~90%，因此，必須為調(diào)速設(shè)備提供專用房間并安裝空調(diào)。

永磁調(diào)速：永磁調(diào)速裝置為精密的純機械裝置，允許在-50~+100℃環(huán)境下工作，甚至可以在0~100%相對濕度環(huán)境下工作，一般不需要提供任何環(huán)境條件。

d. 對電機啟動影響

變頻調(diào)速：變頻器可以從0轉(zhuǎn)速啟動，但啟動過程中負載一直加載，啟動時間很長，啟動過程中電機處于低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，電機發(fā)熱厲害，但啟動電流較小、管路壓力平穩(wěn)增加，不會造成管路壓力突變。

永磁調(diào)速：電機啟動時，負載可以完全斷開，實現(xiàn)零負載啟動，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速很快達到全速時，負載平滑啟動，啟動時間短，電流沖擊小且管路壓力平穩(wěn)增加，不會造成管路壓力突變。

e. 電力諧波和功率因素的影響

變頻調(diào)速：變頻器直接串聯(lián)在船舶電網(wǎng)側(cè)與電機之間，且通過整流方式輸入，因此在電網(wǎng)中產(chǎn)生很高的、頻率范圍很廣的諧波電流，通常由變頻器產(chǎn)生的總諧波電流要超過60%以上；由于諧波電流，經(jīng)常使得功率因素補償電容燒毀，熔斷器熔斷、空氣開關(guān)跳閘、線路過載。為了防止上述故障，通常需要投資很昂貴的諧波治理設(shè)備。

永磁調(diào)速：因與電網(wǎng)無關(guān)，因此不會產(chǎn)生諧波。

f. 調(diào)速的可靠性

變頻調(diào)速：變頻器是由整流濾波電路+變頻逆變電路+復(fù)雜的控制電子電路組成，特別是其主電路，為了使用低壓高頻功率器件，不得不采取多級串聯(lián)變換的功率電路，電路元件數(shù)量在數(shù)千只，因此其可靠性最低，通常MTBF在10年以下。

永磁調(diào)速：永磁調(diào)速裝置由三個部件組成，銅盤+永鐵盤+間隙調(diào)節(jié)伺服機構(gòu)，結(jié)構(gòu)十分簡單，因此可靠性十分高，一般MTBF可以超過10年。

g. 船舶航行振動對系統(tǒng)故障率的影響

變頻器：船舶航行海況瞬息萬變，由于變頻調(diào)速技術(shù)沒有改變原有風(fēng)機水泵系統(tǒng)的機械連接方式（剛性直連），船舶航行途中系統(tǒng)的震動、形變、沖擊和噪音完全取決于電機與風(fēng)機或水泵的機械安裝精度，也就是軸對準(zhǔn)精度，這對安裝精度提出了很大的要求。

永磁調(diào)速：采用了氣隙傳遞扭矩的方式，冷卻水泵和驅(qū)動電機無剛性聯(lián)軸，系統(tǒng)的震動、沖擊和噪音相互傳遞的可能性大大降低，而與安裝精度關(guān)系很小，在極限情況下，可以降低振動80%；從而極大地減少了機械能耗和磨損，軸對準(zhǔn)精度的誤差允差很大，安裝和維護十分方便快捷。

h. 后期維護維修工作量及難度

變頻器：如上述原因，變頻調(diào)速系統(tǒng)的可靠性相對低且極易受多變的海上工況環(huán)境的影響，故障率很高，又因為其技術(shù)復(fù)雜，故障診斷難度大，維護技術(shù)要求高，因此維護時間及MTTR大大增加，維護維修費用高昂，加之還需要原廠技術(shù)人員的協(xié)助，更使得系統(tǒng)的可用性降低。

永磁調(diào)速：純機械設(shè)備，可靠性高，幾乎不受船舶海上環(huán)境及主機工況的影響，且能極大降低振動，因此故障幾率很低，且因技術(shù)簡單，容易診斷故障，維護技術(shù)要求低，因此維護時間很短及MTTR很低，系統(tǒng)的可用性很高。

綜上，在船舶主機降速運行的大背景下，節(jié)約能源對整個航運業(yè)的可持續(xù)、健康發(fā)展意義重大，結(jié)合船舶主機冷卻水泵節(jié)能改造的實際情況和現(xiàn)實需求，通過對變頻調(diào)節(jié)技術(shù)在船舶主機冷卻水泵上的應(yīng)用分析，說明了永磁調(diào)速技術(shù)在船舶主機冷卻水泵的節(jié)能改造中具有巨大的優(yōu)勢，我們相信，隨著永磁調(diào)速技術(shù)在煤炭、電力、石油、化工、冶金、船舶等行業(yè)的不斷應(yīng)用和技術(shù)積累，這一新的節(jié)能技術(shù)，勢必為船舶主機冷卻水泵的節(jié)能改造帶來一種高效、環(huán)保、可靠的新模式！

附：永磁調(diào)速器在各行業(yè)的應(yīng)用（供參考）

永磁調(diào)速技術(shù)在船舶等行業(yè)的應(yīng)用