永磁同步電動(dòng)機(jī)在韓莊泵站工程中的應(yīng)用

李繼勇，逯亞男

（南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250109）

2018年4月，在外界環(huán)境基本穩(wěn)定的情況下，韓莊泵站1#、3#、5#水泵機(jī)組同時(shí)出現(xiàn)了隨著運(yùn)行時(shí)間的增長，電動(dòng)機(jī)定子溫度逐漸升高、變頻器輸出功率增大、機(jī)組裝置效率降低的異常工況，而重啟機(jī)組后以上異常工況消失的現(xiàn)象。筆者收集了該運(yùn)行時(shí)段的相關(guān)數(shù)據(jù)，運(yùn)用Nd-Fe-B永磁體疇壁釘扎理論，綜合分析后判定是因?yàn)殡S著運(yùn)行時(shí)間的增長，永磁體損耗及諧波損耗導(dǎo)致轉(zhuǎn)子溫度升高、永磁體疇壁產(chǎn)生了膨脹，從而導(dǎo)致永磁材料產(chǎn)生了退磁現(xiàn)象。

1 電動(dòng)機(jī)磁鋼材料不可逆退磁因素分析

1.1 大電流沖擊造成不可逆退磁的可能性

電機(jī)最大電流為三相短路時(shí)的短路電流，在設(shè)計(jì)時(shí)只要保證校算短路狀態(tài)下磁鋼工作點(diǎn)在磁鋼工作曲線拐點(diǎn)以上，就能保證電機(jī)不會(huì)因大電流沖擊而退磁。當(dāng)前大部分永磁電機(jī)的磁鋼材料在額定使用溫度下，拐點(diǎn)基本都在0.2T以下。韓莊泵站永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁鋼材料拐點(diǎn)如圖1所示為0.1T，所以韓莊泵站永磁電動(dòng)機(jī)所選用的磁鋼材料在三相短路時(shí)不會(huì)發(fā)生退磁。況且，當(dāng)發(fā)生三相短路事故時(shí)，在微機(jī)繼電保護(hù)裝置的作用下機(jī)組已停止了運(yùn)行。另外，韓莊泵站永磁電動(dòng)機(jī)為變頻啟動(dòng)，啟動(dòng)電流、電壓都低于額定電流及額定電壓，因此，不存在大電流沖擊造成磁鋼材料不可逆退磁的可能。

1.2 高溫造成不可逆退磁的可能性

如圖1所示，韓莊泵站永磁同步電動(dòng)機(jī)磁鋼材料的使用溫度限值為160℃（居里溫度），當(dāng)電機(jī)熱負(fù)荷使電機(jī)溫升超過160℃時(shí)，就會(huì)造成磁鋼材料的不可逆退磁。

1.3 化學(xué)作用造成不可逆退磁的可能性

磁鋼的化學(xué)失效主要源于空氣中的氫氣以及在潮濕狀態(tài)下存在的氫離子與磁鋼的接觸。韓莊泵站永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極采用沖疊一體的工藝方法，用矽鋼片制造磁鋼盒，使磁鋼在不充磁狀態(tài)下與磁鋼盒進(jìn)行裝配，用環(huán)氧漆整體灌封后進(jìn)行充磁。磁鋼的保護(hù)層完好，可以防止電機(jī)產(chǎn)生化學(xué)退磁。

由此可知，韓莊泵站永磁同步電動(dòng)機(jī)發(fā)生不可逆退磁的運(yùn)行工況主要為電機(jī)熱負(fù)荷使電機(jī)溫升超過160℃，只要確保電機(jī)溫度保護(hù)動(dòng)作可靠，是可以避免不可逆退磁的。

2 可逆退磁對(duì)機(jī)組運(yùn)行工況的影響

2.1 外界環(huán)境情況

筆者根據(jù)系統(tǒng)報(bào)表繪制2018年4月1日至4月18日的水位及河道水溫曲線。由此曲線可知，2018年4月1日至4月18日，進(jìn)出水池水位、揚(yáng)程、環(huán)境溫度基本穩(wěn)定，由此可排除水位、揚(yáng)程以及環(huán)境溫升導(dǎo)致機(jī)組產(chǎn)生異常工況的可能。

2.2 機(jī)組運(yùn)行溫度的變化情況

圖2 1#機(jī)組3月28日至4月19日運(yùn)行溫度曲線

圖3 3#機(jī)組3月28日至4月19日運(yùn)行溫度曲線

由圖2、圖3、圖4可知，在外界環(huán)境穩(wěn)定的情況下，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長，機(jī)組運(yùn)行溫度逐漸升高，對(duì)應(yīng)Nd-Fe-B永磁體疇壁釘扎理論就是疇壁逐漸膨脹的過程。

2.3 機(jī)組裝置效率變化情況

圖4 5#機(jī)組3月28日至4月19日運(yùn)行溫度曲線

隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，機(jī)組定子電流、有功功率、無功功率均增加，而機(jī)組裝置效率則相應(yīng)降低，筆者根據(jù)系統(tǒng)報(bào)表自動(dòng)計(jì)算的裝置效率，繪制機(jī)組裝置效率變化曲線，由此可見，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長，機(jī)組裝置效率逐漸降低。

3 機(jī)組重啟前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

由Nd-Fe-B永磁體疇壁釘扎理論可知，當(dāng)撤去外場(chǎng)后,疇壁可以可逆地回復(fù)到原來的位置，即永磁體的可逆退磁回復(fù)過程。這個(gè)過程也能夠通過韓莊泵站永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行印證。2018年4月2日韓莊泵站執(zhí)行了1#機(jī)組重啟的操作，重啟間隔1h，由圖2可知，機(jī)組停機(jī)后，機(jī)組溫度迅速冷卻，而重新啟動(dòng)機(jī)組后，機(jī)組運(yùn)行溫度并沒有在短時(shí)間內(nèi)迅速回到重啟前的溫度，而是經(jīng)過了較長一段時(shí)間的運(yùn)行之后逐漸回到甚至超過重啟前的運(yùn)行溫度。筆者提取運(yùn)行前后數(shù)據(jù)對(duì)比如表1示，由表1可知在相同轉(zhuǎn)速下，重新啟動(dòng)后同步電動(dòng)機(jī)定子電流、耗能均降低，流量反而增加，對(duì)應(yīng)了疇壁膨脹初期的機(jī)組性能。

4 可逆退磁原因分析

永磁電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱，均來自于電機(jī)的損耗，而轉(zhuǎn)子損耗包括永磁體損耗和諧波損耗[2]等。永磁電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，由于Nd-Fe-B永磁材料傳熱性差，熱量向外傳導(dǎo)的速度慢，在永磁體損耗和諧波損耗的不斷作用下，造成轉(zhuǎn)子溫度逐漸升高。

表1 2018年4月2日1#機(jī)組重啟動(dòng)前后數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖1可知，韓莊泵站Nd-Fe-B永磁材料在160℃以下運(yùn)行時(shí)，其退磁曲線為直線，隨著溫度的逐漸升高其磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸降低，功率角增大。在變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)作用下，為保證機(jī)組的軸功率，就需要增加變頻器輸出電壓、輸出電流，從而導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行能耗增高，效率降低，而當(dāng)Nd-Fe-B永磁材料運(yùn)行溫度超過160℃時(shí)，永磁材料將產(chǎn)生不可逆的退磁。

5 機(jī)組安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行建議

由前述可知，永磁同步電動(dòng)機(jī)長期運(yùn)行可逆退磁對(duì)機(jī)組能耗及效率的影響是非常明顯的，可以進(jìn)一步推測(cè)可逆退磁最惡劣的工況就是同步電動(dòng)機(jī)失步或者超額定電流運(yùn)行。而不可逆退磁帶來的影響更加嚴(yán)重，將對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)性能造成不可逆的損害，直接影響工程運(yùn)行安全及效益發(fā)揮。因此筆者針對(duì)如何保證韓莊泵站工程永磁電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提出以下建議：

1）定期開展機(jī)組內(nèi)部檢查，重點(diǎn)檢查轉(zhuǎn)子永磁材料環(huán)氧漆護(hù)套的完好性，在維修、養(yǎng)護(hù)作業(yè)過程中，加強(qiáng)對(duì)磁極的防護(hù)，避免鈍擊造成永磁材料環(huán)氧漆護(hù)套的損壞。

2）嚴(yán)格控制磁鋼材料環(huán)境濕度，采用更加可靠地除濕機(jī)，設(shè)定自動(dòng)除濕，保持環(huán)境干燥。

3）改造機(jī)組冷卻系統(tǒng)，改善機(jī)組冷卻性能，降低永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)子溫升速度。

4）定期檢查、校驗(yàn)機(jī)組溫度傳感器、溫度保護(hù)裝置，確保溫度保護(hù)動(dòng)作可靠，避免高溫造成永磁材料不可逆退磁。

5）在排除外界因素影響的條件下，應(yīng)根據(jù)機(jī)組裝置效率、能耗、溫度等參數(shù)變化情況定期重啟機(jī)組或調(diào)換機(jī)組運(yùn)行。