直驅式大直徑軸流風機在空冷凝汽器上的應用

尹繼英

（哈爾濱空調股份有限公司，哈爾濱150078）

直驅式大直徑軸流風機在空冷凝汽器上的應用

尹繼英

（哈爾濱空調股份有限公司，哈爾濱150078）

針對空冷凝汽器采用帶齒輪箱的驅動系統呈現的問題，提出采用直驅式低速永磁同步電動機驅動大直徑軸流風機的方案；介紹了該電動機的特性以及為1 000MW空冷機組配套的132kW永磁同步電動機及9 144mm直徑軸流風機的研制試驗過程，對經濟效益進行了初步分析。實踐證明：使用低速永磁同步電動機傳動的軸流風機工作可靠穩定，節能效果顯著。

直接空冷火電機組；直驅式軸流風機；低速永磁同步電動機

火力發電廠空冷凝汽器配套用的空冷風機一直以來都是采用變頻器驅動中速異步變頻電動機與齒輪箱聯接的系統來控制風機的運行轉速，從而滿足系統不同風量的要求。該空冷風機的結構是電動機通過彈性聯軸器與齒輪箱相聯，然后齒輪箱的輸出軸再與風機葉輪組相聯。由于在風機的整個傳動系統中間多了齒輪箱和聯軸器，整體結構相對復雜，勢必給安裝和檢修帶來不便，無形中給日后的維護增加了繁重的工作量和費用。

隨著機組容量的不斷提高，空冷凝汽器配套風機的直徑也在不斷加大，載荷也相應提高，與之配套的齒輪箱陸續出現漏油、齒輪點蝕及打齒等現象。為了簡化風機傳動系統，提高系統工作效率，筆者開發了電站空冷直驅式大直徑軸流風機，因風機葉輪直接與低速永磁同步電動機相聯，用變頻器來控制風機的運行轉速，以提供不同需求的風量和風壓。

1 大直徑軸流風機

1．1 軸流風機布置

軸流風機的布置見圖1。

圖1 軸流風機布置圖

1．2 永磁同步電動機的優點

永磁同步電動機與以往的異步電動機和電勵磁同步電動機最大的不同是使用了先進的轉子結構，即轉子內部鑲嵌高效永磁材料，代替了異步電動機的鼠籠式轉子或同步電動機的勵磁繞組。永磁同步電動機與同轉速的異步電動機相比，功率因數很高［1］，即所需變頻器電源容量相對小了；與同轉速的電勵磁同步電動機相比，減少了轉子勵磁滑環和調節器，沒有了勵磁損耗。

永磁電動機驅動系統具有以下特點［23］：

（1）電動機結構簡單、靈活，適用于各種應用場合，尤其是特種應用（低轉速、高響應、有位置控制精度要求等）。

（2）體積小，質量輕，安裝簡便快捷。

（3）高功率因數，低損耗，系統綜合效率高。

（4）啟動時間短，啟動電流小，配電容量減小。

（5）控制和調節特性優越。

（6）系統可靠性提高，壽命延長。

1．3 風機系統優點

依據空冷島冷卻風機的需求特點和低速永磁同步電動機的獨特性能，將原來普通異步電動機通過減速箱驅動風機的模式改成應用低速永磁同步電動機直接與風機進行聯接驅動［4］，其優點為：

（1）系統綜合效率提高。

（2）采用了電動機與風機直聯，省去聯軸器和齒輪箱，使傳動系統大大簡化，結構緊湊，傳動鏈縮短，系統安裝簡單［5］。

（3）由于結構簡單，降低了安裝維護和保養的時間和費用。

（4）系統可靠性提高，避免了齒輪箱漏油、齒輪打齒及點蝕的可能。

（5）系統壽命延長。

（6）系統效率大幅提升。

（7）系統轉矩大、啟動電流小，因而啟動時間縮短，配電容量減小。

（8）電動機的質量小于原來的電機和齒輪箱的質量。

2 電動機主要特性

2．1 主要參數

電動機PMLS500－32－4V的主要參數見表1。

表1 低速永磁同步電動機主要技術參數

2．2 效率與功率因數

永磁同步電動機與異步電動機相比，不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數，減少定子電流和定子銅耗，而且在穩定運行時沒有轉子銅耗，由于總損耗的降低而減小了電動機冷卻系統的容量，從而減小了相應的附加損耗。因而，其效率比同規格的異步電動機提高2%～8%。與電勵磁同步電動機相比，永磁同步電動機省去了勵磁功率，提高了效率；而且永磁同步電動機在25%～120%額定負載范圍內均可以保持較高的功率因數和效率，使輕載運行時節能效果更為顯著，在長期的使用中可以大幅度地節省電能［6－8］。

永磁同步電動機是同步電動機特性與異步電動機特性的有機結合，繼承了傳統電動機的優勢，并在性能上得到全方位提升。在效率上不但在額定點有了提高，而且在低負載、低速條件下更是優勢明顯。圖2、圖3分別為空冷島用高速異步電動機與空冷島用低速永磁同步電動機的效率對比曲線。

圖2 高速異步電動機效率曲線

圖3 低速永磁同步電動機效率曲線

由圖2、圖3可以看出：異步電動機在變速、變功率運行時，其效率指標與永磁同步電動機有著很大的不同，可見永磁同步電動機在綜合效率上遠遠超過異步電動機。

2．3 結構特點

電動機采用鑄鐵機座，滑動軸承結構，外形上與傳統的異步電動機十分相似。

電動機定子繞組采用單齒繞制的方式制造，其優點是繞組端部極度縮短，節省長度空間。為便于繞組的裝配，沖片采用齒軛分離的新型結構。這樣的繞組鐵心結構，使電動機在制造工藝和質量保證上都大為降低難度。

電動機轉子采用永磁材料，鑲嵌于沖片中，不但降低了轉子表面的渦流損耗，而且使電動機的轉矩特性得以改善。定、轉子組成的電磁結構見圖4。

圖4 定、轉子組成的電磁結構圖

上、下端蓋采用鑄鐵結構，上端蓋中心向外有傾斜，便于雨水流出，并布置有散熱筋；下端蓋與安裝法蘭是一體化結構，增強電動機的結構穩定性。

2．4 磁鋼特性

造成永磁體產生不可逆退磁而導致電動機無法工作的原因主要有熱退磁、過電流退磁和化學退磁。只有當磁鋼的工作溫度超過磁鋼允許工作溫度后才能發生熱退磁［9］；過電流退磁是當電流大到使電動機中永磁體的工作點小于永磁材料的磁退曲線的拐點時才能逐漸發生［10］；化學退磁是當磁鋼防氧化措施失效，造成永磁體表面氧化，氧化層部分將會失去磁性。只要采取有效措施，完全可以防止以上退磁的發生，理論上可以保證電動機設計壽命50年，保證電動機使用壽命30年。

電動機設計中已充分考慮了磁路中各部分磁通密度，磁路閉合后漏磁很小。轉子結構采用了嵌入式結構，磁鋼裝入由硅鋼片制成的盒中，由固定塊將磁鋼及硅鋼片固定在轉子支架上。磁通主要由硅鋼片形成閉合回路，而且充分考慮到了磁通密度，因此在轉子支架中磁通很少。

由于電動機溫升按照B級考核（一般溫度低于120℃），而且電動機轉子采用永磁勵磁，沒有勵磁損耗，只有一部分定子齒槽產生的表面損耗及少量諧波損耗。在電動機定子繞組中安裝了6只Pt100鉑熱電阻（3只備用），可以監測電動機繞組溫度，當溫度超過120℃時，采取保護措施確保電動機內溫度不超過磁鋼最高允許工作溫度。

電動機磁鋼采取三道防護措施，確保磁鋼長期不被氧化：磁鋼本體作防氧化涂層處理；磁鋼裝入由硅鋼片制成的盒中，并作進一步涂封；轉子裝配完成后整體進行常溫樹脂浸。

永磁電動機過電流去磁分析見圖5。

圖5 永磁體沿徑向的工作點

即使按失步轉矩2．7倍算，也沒有超過變頻器額定電流的2倍，所以電磁場分析的去磁是按電動機運行條件最惡劣時的情況，此時計算出永磁體的最大去磁工作點為0．32左右。所以本方案的永磁體采用釹鐵硼UH型號，具體性能要求為：20℃時，Br＝1．23～1．25T，Hcj≥5．75× 103kA／m；160℃時，永磁體退磁曲線拐點低于0．2，進行160℃老化處理。永磁體表面鍍鋅，厚度為0．015～0．020mm。

3 風機系統試驗及運轉情況

3．1 廠內模擬試驗

為了保證系統運行的可靠性，2009年10月17日在試驗臺上，安裝上132kW永磁同步電動機及9 144mm直徑風機，模擬電廠的實際安裝條件和運行工況條件，分別進行空載（不安裝風葉）條件下不同轉速的運行情況，以及負載（安裝風葉）條件下不同轉速、不同負載條件下的電動機性能試驗。

試驗的目的是通過負載試驗，測定電動機在不同的轉速和不同的負載率情況下的電流、電壓、噪聲、振動、效率、溫升等性能參數，驗證低速永磁同步電動機直接驅動空冷風機的結構簡化、效率提高，通過變頻器驅動直接達到低速運轉的要求。

驅動系統由變頻器、電動機和風機等構成，電氣及機械連接方式見圖6。

圖6 系統連接示意圖

電動機及風機的試驗結果見表2、表3。

表2 電動機試驗數據

表3 風機試驗數據（管束迎風面積為176．35m2）

3．2 兩種傳動方式下風機軸功率對比

兩種傳動方式下風機軸功率的對比見表4。

表4 兩種傳動方式下風機軸功率對比

從上述試驗結果得出：風機在額定轉速時，風機的振動及低速永磁同步變頻電動機的效率等指標均滿足要求，且與理論計算值一致，符合現場運行要求。

3．3 現場運行情況

2012年初，1臺直驅式大直徑軸流風機首次應用于華電寧夏靈武發電有限公司（2臺1 000 MW）工程的直接空冷軸流風機上，風機直徑為9 754mm，電動機功率為132kW。目前該風機已安全、穩定運行了2年，節電效果顯著。

4 經濟效益分析

4．1 理論分析

異步電動機需要吸收無功并通過感應對轉子進行勵磁，這樣就注定了電動機的視在電流較大，進而使電動機的銅耗、鐵耗增大。

永磁同步電動機，采用稀土永磁材料進行轉子勵磁，易于實現多極，在很寬的負載率范圍內存在很好的效率和功率因數特性［11］；并且定、轉子磁場同步旋轉，顯然相比異步電動機節省了勵磁損耗、轉子鐵耗、轉子銅耗等。

新型的驅動方式省去了減速箱，所以從經濟效益上講，不但省去了變速箱的損耗，也無變速箱的維護工作，延長了設備使用壽命。

4．2 節能效果

永磁同步電動機的效率在額定轉速下一般至少可以達到96%，而異步電動機在額定轉速下的效率為93%～94%。通常2～3級齒輪箱的傳遞要有3%～4%的能耗，聯軸器也會有約1%左右的能耗，那么采用永磁同步電動機將會比采用異步電動機+齒輪箱+聯軸器的效率提高至少6%。由于異步電動機在額定速度以下或低負載情況下效率降低非常大，因此，在額定速度以下或低負載情況下，采用永磁同步電動機比異步電動機的效率和功率因數還要提高很多［12］。

4．3 成本與費用

原有系統為變頻器、異步電動機與減速箱的驅動組合，而直驅方式為變頻器與低速直驅永磁同步電動機的驅動組合，盡管永磁電動機費用比異步電動機有所增加，但由于省去了減速機的費用，總的設備投資仍將有所節省（約10%～15%）。

另外，無需對減速箱維護和更換機油，電動機因低速運轉使軸承壽命也大大提高，因而綜合維護費用也會大為減少。

5 結語

綜上所述，在火力發電廠空冷凝汽器配套空冷風機中，采用直驅式低速永磁同步電動機在簡化系統、提高效率、節約能耗、降低成本、減少日常維護、提高使用壽命方面具有非常大的優勢，因此在大直徑軸流風機中運用低速永磁同步電動機具有很好的發展前景。

［1］劉洋，陳麗香，唐任遠，等 ．永磁同步電動機的振動及噪聲試驗研究［J］．電氣技術，2009（4）：18－20．

［2］秦嵐，羅應立，趙海森 ．大功率低速直驅永磁電動機動態轉矩的時步有限元分析［J］．電力科學與工程，2012，28（1）：1－5．

［3］梁迎春，吳海濤，林益平 ．永磁同步電動機研究現狀評述［J］．微電機，2007，40（11）：51－53．

［4］溫賜奇 ．變速風力發電機組的控制方式［J］．科技信息，2009（36）：430－432．

［5］劉金澤，鄧秋玲 ．盤式永磁同步風力發電機的設計［J］．微電機，2011，44（12）：29－33．

［6］唐任遠 ．現代永磁電機理論與設計［M］．北京：機械工業出版社，1997：185－188．

［7］Lian J，Zhou Y F，Ma T，et al．Design of doubly salient permanent magnet motor for small displacement ISG mild hybrid［C］／／International Conference on Mechatronics and Automation．Changchun，China：Institute of Electrical and Electronics Engineers，2009：4698－4703．

［8］安忠良 ．超高效永磁同步電動機研究開發［D］．沈陽：沈陽工業大學，2006．

［9］師蔚，貢俊，黃蘇融 ．永磁電動機永磁體防退磁技術研究綜述［J］．微特電機，2012，40（4）：71－74．

［10］何山，王維慶，吳小艷，等．永磁同步發電機電樞反應去磁效應的分析［J］．防爆電機，2005，40（2）：8－11．

［11］李建東 ．低速大轉矩永磁同步電動機設計［J］．防爆電機，2011，46（4）：19－22．

［12］徐艷平，鐘彥儒，楊惠 ．永磁同步電機矢量控制和直接轉矩控制的研究［J］．電力電子技術，2008，42（1）：60－62．

Application of Direct－drive Large－diameter Axial Flow Fan in Air－cooling Condensers

Yin Jiying
（Harbin Air Conditioning Co．，Ltd．，Harbin 150078，China）

To solve the problems occurring in air－cooling condensers caused by gearbox drive unit，a scheme is proposed by adopting a direct－drive low－speed permanent magnet synchronous motor to drive the large－diameter axial flow fan．Moreover，an introduction is presented to the motor characteristics and the process of developing and testing the 132 kW permanent magnet synchronous motor and 9 144 mm diameter axial flow fan，both of which are used to match a 1 000 MW air－cooling condenser unit，while a preliminary analysis is carried out on the unit economic benefit．It has been found that the axial flow fan driven by low－speed permanent magnet synchronous motor can operate reliably and is able to achieve a remarkable energy－saving effect．

direct air－cooling thermal power unit；direct－drive axial flow fan；low－speed permanent magnet synchronous motor

TK264．11

A

1671－086X（2015）01－0040－05

2014－01－27

尹繼英（1968—），女，高級工程師，主要從事電站空冷及石化空冷的設計及研發工作。E－mail：jiying＿yin@163．com