空冷島永磁直驅系統的選型及應用

郝吉祥

摘 要：隨著永磁材料的發展，永磁電動機因體積小、重量輕、低轉速、大轉矩的特點而被廣泛應用，以永磁電機直接驅動方式取代傳統機械傳動方式的應用也日趨廣泛。若將直接空冷機組的空冷島風機減速機傳動方式改造為永磁電動機直接直驅動，將大大提高空冷系統的效率并解決因減速機故障帶來的各種問題。本文以300MW機組為例，就空冷風機減速機改造永磁直驅系統的選型及應用進行分析，為今后空冷風機減速機改造提供依據。

關鍵詞：空冷系統;永磁電動機;直接驅動;無傳感器控制

中圖分類號：TM351 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）21-0164-02

0 引言

直接空冷機組采用直接空冷系統，汽輪機的排汽直接進入空冷凝汽器。空冷凝汽器配置一臺大直徑軸流風機（又稱“空冷風機”），通過強制通風實現熱交換。這種冷卻方式因其節水效果顯著在北方干旱地區被大量應用。300MW機組典型配置6個單元，每個單元5臺，共30臺，形成一個風機群。數量龐大的空冷風機耗電量約占機組發電容量的1.5%左右[1]，占機組的廠用電率的11%左右。因此，提高空冷系統的效率是降低機組的廠用電率的重要途徑之一。隨著永磁材料的發展，永磁體的磁能密度越來越高，永磁電動機的性能越來越好。由永磁電動機和變頻器組成的永磁直驅系統來取代由變頻器、異步電動機、減速機組成的驅動系統，省去了減速機構，簡化傳動鏈，提高傳動效率，進而實現節能的目的。

1 系統設備介紹

直接空冷系統由空冷凝汽器、軸流風機、減速機構、驅動電動機、低壓變頻器及配電系統構成。軸流風機、減速機構、驅動電動機采用立式安裝，如圖1所示。300MW機組典型配置6個單元，每個單元5臺，共30臺，布置在空冷島平臺上，如圖2所示。

2 運行中存在的主要問題

以某地區直接空冷機組近幾年的運行情況來看，減速機的故障問題最為突出，空冷風機減速機齒輪箱漏油問題時有發生，使空冷島下方的懸掛式絕緣子、變壓器、配電箱、避雷器設備表面及地面都受到了油污污染。減速機齒輪箱濾網及油管堵塞也屬常見故障，并會造成風機跳閘。運行幾年后，減速機因齒輪箱內部齒輪磨損會造成傳動效率下降，內部齒輪損傷嚴重時會引起風機振動，危及風機設備安全運行。隨著空冷系統運行時間的增加，以上故障發生頻次也在逐漸增加。空冷島平臺距地面較高、檢修難度大，且減速機維修周期長維修費用高。解決減速機的故障問題已迫在眉睫。

3 永磁電動機的特點

電動機是以磁場為媒介進行電能和機械能轉換的電磁裝置，為在電機內建立進行機電能量轉換所必需的氣隙磁場可有兩種方法：一種是在電機繞組內通以電流來產生磁場，如普通的直流電機，同步電機和異步電機等;另一種是由永磁體來產生磁場，即永磁同步電機。由于永磁材料的固有特性，在預化充磁后不需要外加能量在其周圍產生磁場，永磁電動機通過永磁體來建立磁場[2]，相比較傳統的交流異步電動機具有以下優點：

3.1 效率高

（1）由于永磁同步電機的磁場是由永磁體產生的，從而避免電流來產生磁場而導致的勵磁損耗〔銅耗〕。（2）永磁同步電動機的高效區寬，電動機的轉速范圍在25%～100%額定轉速時，效率達到95%～97%，而異步電動機的轉速范圍在70%～100%額定轉速時效率在88%左右，當轉速低于70%額定轉速時，效率會急劇下降。所以永磁同步電動機輕載時效率值要比異步電動機高很多，這是永磁同步電機在節能方面相比異步電機最大的一個優勢。

3.2 低轉速

感應電機的氣隙磁密對氣隙變化敏感，為了加工的需要，電機磁極數越多，電機越大，氣隙越大（一般氣隙和電機極數的0.5次方成正比）。當電機極數超過10極時，勵磁電抗下降的很快，進而使得電機的功率因數和效率都很低，因此常見的感應電機極數一般不超過10極。永磁電動機的氣隙磁密對氣隙的變化不太敏感，即氣隙增大氣隙磁密基本不變，永磁電機的轉速始終為n=60f/p不變，式中f設定頻率，p為電機極對數。因此永磁電動機可以設計成多極電機，實現低轉速，直接驅動低轉速負載。

4 永磁直驅系統的選型

永磁直驅系統由永磁電動機和調速變頻器構成的。因此永磁直驅系統選型為永磁電動機和變頻器的選型，改造后的設備必須與原系統設備配套。總結有以下注意事項：

（1）永磁同步電動機重量應受控，滿足空冷島平臺的載荷要求。（2）改造后設備結構、安裝尺寸必須與原設備、系統以及附件相兼容匹配。（3）設備的選型要結合原設備、系統參數確定，以實現改造后系統整體運行參數最優。（4）改造后設備的結構及安裝位置應合理，方便后期的拆裝和檢修工作。（5）調速變頻器控制方式符合空冷風機低轉速、大轉矩的運行特性。

4.1 永磁電動機的選型（以300MW機組為例）

根據原系統設備的參數見表1所示，永磁電動機的選型必須滿足以下要求：

（1）永磁電動機的額定功率選擇。永磁電動機的額定功率計算公式為：P=KN/η，式中，N為風機軸功率，η為電動機效率取0.9，K為功率儲備系數取1.2，代入公式得：

P=1.2×94.2kW/0.9=125.6kW

電機的額定功率選定為132kW。

（2）永磁電動機的額定轉速選擇。原系統變頻器的運行頻率為10-55Hz，風機的額定轉速為74r/min，可計算得到：

風機的最小轉速：Nfmin=10Hz/50Hz×74r/min=14.8r/min

風機的最大轉速：Nfmax=55Hz/50Hz×74r/min=81.4r/min

因改造后永磁電動機與空冷風機直聯，永磁電動機的運行轉速范圍為14.8-81.4r/min 永磁電動機的額定轉速選定為82r/min。

（3）永磁電動機的重量要求。考慮空冷島平臺的載荷要求，永磁電動機的重量應小于異步電動機和減速機的重量之和，永磁電動機的重量應小于1200kg+1000kg=2200kg。

按照以上3點要求，并綜合考慮永磁電動機的外型尺寸、轉矩、功率因數及可靠性要求，永磁電動機的最終參數確定為：額定功率：132kW額定轉速82r/min額定電壓380V電機極數：32變頻范圍：0-22Hz電機重量：2000kg。

4.2 調速變頻器的控制方式選擇

目前，永磁同步電機的主要控制方法有V/f控制、矢量控制（VC）和直接轉矩控制（DTC）。三種控制方式的特點如下：

V/f控制一種簡單方便的開環無需位置傳感器的控制方法，它是利用同步電機的自穩定性來控制電機運行。但是由于無法保證同步電機工作在穩定區，所以存在失步風險，且功率因數和效率也較低，一般適用于高速且性能要求不高的調速系統中，如風機、水泵等[3]。矢量控制時電機所產生的電磁力矩平穩，電機可以運行的轉速較低，調速范圍較寬。電機啟動、制動時，所有電流均用來產生電磁力矩，可以充分利用電機過載能力，提高電機起動、制動速度，保證電機具有優良的起動、制動性能。但是矢量控制是閉環控制，需要對電壓、電流、轉子位置和轉速等物理量進行測量并形成反饋。無傳感器矢量控制方式更是免去了傳感器帶來的種種麻煩，提高了控制系統的可靠性，降低了控制系統成本[4]。直接轉矩控制時電機轉矩不可避免地存在脈動，直接影響電機低速運行平穩性和調速范圍。直接轉矩控制結構更加簡單明了，系統動態響應比矢量控制更加迅速，但是直接轉矩控制以開關選擇表為基礎，所能施加的電壓矢量數量非常有限，從而導致轉矩與磁鏈的波動比矢量控制要大的多。

鑒于以上3種控制方式的優缺點，矢量控制更符合空冷風機的運行特性，因此永磁電機調速變頻器選擇無傳感器矢量控制方式。

5 改造效果分析

根據本文第3節的分析，永磁同步電動機輕載時節能效果更顯著，因此改造后的總體節能效果將優于滿載運行。滿載運行時的節能量初步計算為：

（160-132）kW/160kW×100%=17.5%

改造后空冷系統各負荷段綜合節能效果大于17.5%，節能效果顯著。與原系統相比，永磁直驅系統由于不再配置減速機，即無需定期加油，無減速機漏油污染，免去了減速機檢修之困擾，維護工作量和維護成本大幅度降低。

6 結語

我國是世界上特有的的稀土大國，在永磁材料和永磁電機領域具有極大的發展潛力。隨著科技的發展進步，永磁直驅系統技術逐漸趨向成熟，系統研發占設備費用比重逐漸下降，永磁直驅系統費用逐年在降低。變頻器的設計壽命一般為10年，空冷減速機的設計壽命為12年，目前，許多直接空冷機組已累計運行超過10年，空冷減速機和變頻器都面臨報廢更新。空冷島風機耗電量大和減速機的故障問題已引起了廣泛重視，在空冷設備更新改造過程中，結合本廠設備的具體情況，借鑒其他發電公司更新改造成功的先進經驗，合理的進行設備選型，以實現節能減排，降低發電成本，提升經濟效益。

參考文獻

[1] 夏瑞春，閆志華，梁純斌，等.300MW直接空冷發電機組空冷島風機電耗分析[J].內蒙古電力技術，2007（5）：15-16.

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

[3] 鄭澤東，李永東.永磁同步電機伺服控制系統的研究現狀及發展[J].伺服控制，2008（12）：20-22+54.

[4] 梁艷，李永東.無傳感器永磁同步電機矢量控制系統概述[J].電氣傳動，2003（4）：4-9.