變頻控制高壓永磁同步電機在取水泵站的應用

沈健

摘 ?要：隨著高性能釹鐵硼稀土永磁材料的加工技術和變頻控制技術的迅速發(fā)展，永磁同步電機的應用越來越廣泛。永磁同步電機具有節(jié)能高效、體積小等優(yōu)點。然而在水務行業(yè)，永磁同步電機的應用較少。本文通過介紹高壓永磁同步電機及其配套變頻控制系統(tǒng)的特點和應用情況，分析高壓永磁同步電機在低轉速水泵上的優(yōu)勢和適用性，為其在水務行業(yè)的使用和推廣提供參考和借鑒。

關鍵詞：高壓永磁同步電機;高壓變頻器;取水泵站;低轉速大流量水泵

前言

原水公司下轄金澤水庫承擔上海市閔行、奉賢、金山、松江和青浦五個區(qū)域的原水供應。水庫僅設有一個取水閘，水庫水位受太浦河水位限制。為增加水庫擇機取水能力，在金澤水庫取水閘附近新建取水泵站一座。泵站裝有6臺立式軸流泵，額定轉速較低（187.5r/min），需要使用同步電機，以滿足水泵低轉速的需求。其中4臺機組采用傳統(tǒng)勵磁同步電機加勵磁裝置的形式，2臺機組采用永磁同步電機加變頻裝置的形式，在進行新型科學技術應用和創(chuàng)新的同時，又保障了取水泵站供水的可靠性。通過對比傳統(tǒng)勵磁同步電機在金澤取水泵站相同水泵上的使用情況，分析永磁同步電機的優(yōu)缺點。

1、永磁同步電機特點

由于早期永磁同步電機的永磁材料價格貴、磁場控制困難、使用不當可能會造成不可逆的退磁，因此一直沒有得到廣泛使用。隨著永磁材料產業(yè)的發(fā)展，尤其是高性能稀土釹鐵硼（NdFeB）永磁材料性能的不斷提高和完善，以及變頻控制技術日趨成熟，低速大扭矩永磁同步電機得到了迅速發(fā)展。與傳統(tǒng)的感應式電機相比，永磁同步電機具有許多明顯的優(yōu)點，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1、效率高

永磁同步電機轉子沒有繞組，而是采用永磁材料代替，轉子無感應電流，轉子無電阻損耗，低轉速的永磁同步電機轉子無風扇，風摩擦損耗低，從而提高了電機效率。[1]

1.2、功率因數高

永磁同步電機轉子無勵磁電流，電機無功功率小，所以功率因數比感應式電機高。從圖1所示曲線可以看出，永磁同步電機運行效率和運行功率因數受負載率變化影響不大，在取水泵站水泵常用轉速調節(jié)區(qū)間內電機效率較高、功率因數大于0.95。[2]

1.3、體積小，重量輕

由于永磁同步電機轉子是由高性能的永磁體構成，磁通密度高，結構簡單，體積緊湊，所以永磁同步電機相對感應式電機尺寸要小，尺寸和重量大約減少了一半。[3]

1.4、溫升低

永磁同步電機效率高，轉子繞組中不存在電阻損耗，定子繞組中較少有或幾乎不存在無功電流，使電機溫升低，延長了電機的使用壽命。[4]

2、變頻器控制系統(tǒng)

2.1變頻器主回路結構

永磁同步電機配套高壓變頻器是電壓源型，變頻器輸入側的6KV電源通過移相變輸出三組改變相位差的電源給小功率單元供電，主回路每相通過3個小的功率單元疊加組成。功率單元由IGBT整流模塊和IGBT 逆變模塊組成多電平PWM控制系統(tǒng)，每個輸出1.27KV左右的電壓，通過每相上3個功率單元的電壓疊加后，在變頻器輸出側得到一個6KV的高電壓。通過這種多個電壓疊加方式獲得的電壓波形失真度較小、諧波含量低，可以有效的減少電動機發(fā)熱、共振、轉矩脈動等問題。

2.2 永磁同步電機調速控制原理

永磁同步電機在工頻電源下自身無起動轉矩，需要配套變頻器對其控制，實現(xiàn)啟動和調速控制。永磁同步電機的變頻調速是通過控制電機電磁轉矩Te來實現(xiàn)的，在dq轉子坐標系中Te的公式為：

Te =1.5np （Ψd i q-Ψq id）

=1.5np iq （Ψf + （ L d – L q ） id）

=Te1+Te2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

而永磁轉矩Te1、磁阻轉矩Te2都與轉矩的電流分量iq成正比例，如式（2）所示：

Te1=1.5np i qΨf

Te2= 1.5np （ L d–L q ） id iq ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

永磁同步電機轉矩控制可以通過控制轉矩的電流分量來實現(xiàn)。變頻器根據調速需求，通過一系列復雜的等效電路、磁鏈方程、轉矩方程、坐標變換計算出合理的電動機轉矩與磁鏈目標值，控制逆變器三相輸出電流緊緊跟隨該目標值，實現(xiàn)對永磁同步電機矢量控制。[5]

2.3 初始磁極位置檢測

永磁同步電機轉子磁極初始位置直接影響永磁同步電機的啟動轉矩和重載啟動能力，因此，在永磁同步電機啟動前變頻器能否準確辨識出轉子磁極的初始位置十分重要;經帶載測試，利用變頻器啟動的永磁同步電機在啟動過程中電流平穩(wěn)無沖擊。配套變頻器采用脈沖電壓法來檢測初始磁極位置，其基本原理是根據定子繞組電感量與定子鐵芯飽和度成反比的關系，利用定子電感量的變化檢測出電機初級磁極的位置。[6]

3 永磁同步電機與勵磁同步電機對比

取水泵站2臺永磁同步電機和4臺勵磁同步電機在同樣的水泵上使用，水泵的運行工況均相同。下面根據實際運行使用情況對比永磁同步電機與勵磁同步電機。

3.1 電機參數

取水泵站永磁同步電機與勵磁同步電機的參數如表1所示，兩種電機的額定電壓、功率、轉速均相同，但永磁同步電機的扭矩、效率、功率因數均高于勵磁同步電機。

3.2 體積、重量

永磁同步電機與勵磁同步電機的外形尺寸如圖3所示，永磁同步電機在外形尺寸上優(yōu)勢明顯，其直徑只有勵磁同步電機的45%，重量比勵磁同步電機要少46%，占用泵房空間小，對電機基礎平臺的承重要求小，泵房面積也可以減少，從而節(jié)約基建投入的費用。

3.3 冷卻方式

勵磁同步電機采用水冷卻的方式，上下油箱內盤向管分別接入清潔的冷卻水來降低軸瓦的溫度，并配套了冷卻水循環(huán)泵和冷卻水池，安裝時還需要接管道、閥門、壓力表等，系統(tǒng)結構復雜;而永磁同步電機由于溫升低、發(fā)熱量小，采用的是自然冷卻的方式，在安裝時更為方便。

3.4 設備安裝

勵磁同步電機由于體積大，電機以散裝形式運輸，到達現(xiàn)場后要安裝轉子、推力瓦、導向瓦、盤向管等零部件，還需要測量定轉子間磁場間隙、轉子擺度，安裝耗時長，難度相對較高;而永磁同步電機由于體積小，推力軸承采用角接觸軸承，不用現(xiàn)場安裝調節(jié)，電機作為整機運送到現(xiàn)場后就位即可，安裝方便。

永磁同步電機需要配套變頻器作為啟動控制裝置，而變頻器安裝接線較為復雜，需要安裝在專用的變頻器室以滿足其冷卻要求，在取水泵站無需調速的場所變頻器用處不大;而勵磁同步電機的勵磁裝置結構比變頻器簡單，占用空間小，安裝調試方便。

3.5 節(jié)能效果

兩種電機的運行數據（如表2所示）是在取水泵站實際運行工況下進行記錄，由于永磁同步電機配套變頻器也存在一定損耗，因此永磁同步電機的輸入功率從變頻器6KV進線開關智能電表上記錄所得;勵磁同步機組輸入功率由定子側輸入功率和轉子勵磁裝置輸入功率兩部分組成，數據分別從定子6KV進線開關、勵磁裝置380V進線開關智能電表上記錄所得。

通過表2數據分析可知，在水泵相同水功率的工況下，永磁同步電機輸入功率比勵磁同步電機低2.5%左右。勵磁同步電機還需加上冷卻水系統(tǒng)能耗，因此永磁同步電機更加節(jié)能。

3.6 運行維護

在運行維護方面，勵磁同步電機需要定期更換潤滑油，轉子繞組有碳刷滑環(huán)，需要定期清潔、更換碳刷;永磁同步電機軸承只需添加潤滑油脂即可。在控制設備方面，風冷型變頻器需要定期維護保養(yǎng)、清潔過濾網，而勵磁同步裝置的維護保養(yǎng)相對簡單。

結束語

綜上所述，永磁同步電機比勵磁同步電機更高效節(jié)能、功率因數高、體積小、重量輕、噪音低、安裝維護方便，在低轉速水泵上的優(yōu)勢較為明顯，特別適合需要調速的泵站使用，在水務行業(yè)具有一定的推廣使用價值。

參考文獻

[1] 徐文鵬，于野，張雨.高壓大功率永磁同步電動機直驅技術在港口帶式輸送機上的應用[J].起重運輸機械，2019（13）：119-123.

[2] 秦佳偉，邢艷榮.高壓高效永磁同步電機的應用[J].科技風，2015（01）：63.

[3] 張壘.論變頻器控制永磁同步電機的理論和實踐[J].變頻器世界，2018（1）：53-59.

[4] 董明霞. 抽油機專用永磁同步電動機的研制及應用[D].中國石油大學，2007.

[5] 袁章. 電動車永磁同步電機控制系統(tǒng)的研究[D].遼寧科技大學，2014.

[6] 胡慶波，張榮，管冰蕾，何金保，孔中華.永磁同步電機初始磁極位置檢測方法[J].電力自動化設備，2019，39（05）：194-200.

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