高速永磁同步電機在變壓吸附制氧系統中的應用研究

齊日昊

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063200）

隨著我國“碳達峰、碳中和”政策的深入推進，鋼鐵行業低碳、綠色、高效冶煉技術得到廣泛聚焦，提升高爐富氧率作為增強冶煉強度的低碳技術正處于高速發展階段。而隨著科技技術的不斷進步和發展，新的理論和技術得以應用，因此變壓吸附制氧技術應用而生。通過變壓吸附制氧技術的應用可以在低成本的條件下極大地提高爐的富氧率，而只有采用高速永磁同步電機才能滿足變壓吸附制氧系統頻繁加載調節的技術要求，達到減排降耗、高效節能的最終目的。

1 變壓吸附制氧系統簡介

變壓吸附制氧系統是集智能化、集成化、無人化控制技術為一體，完美匹配氣體溫差變化，系統始終保持高效穩定運行，實現了安全的無人化控制。在國際上首次將永磁高速同步電機和采用多相變頻控制系統的離心鼓風機、離心真空泵應用于變壓吸附裝置，與傳統電機和控制方式相比，能耗大幅降低。采用永磁同步、高速直驅、多繞組低壓、多相變變頻驅動的高效高速永磁同步電機，配套二極管整流電路，多電機公用直流母線變頻調速形式的變頻器，匹配高速電機直驅、脈沖式變轉速設計、脈沖可調擴壓器、多變量控制的離心式鼓風機和真空泵，搭載專利技術的三塔吸附工藝，實現完美契合VPSA工藝流程及工況要求，以使系統產量、機組運行效率、運行壽命等達到極致能效。

該系統可以實現與高爐鼓風機、深冷制氧的聯動高效協同調節，能夠在30分鐘內實現快速啟停，實現高爐短時間檢修過程中的同啟同停，同時負荷調節方便快捷，能夠更加及時、精準地滿足高爐的冶煉的富氧使用需求。

2 高速永磁同步電機的應用背景

目前常見的離心壓縮機驅動方式主要有汽輪機驅動方式和普通異步電機增速器驅動。對于大多數中小型離心壓縮機的驅動裝置，采用電驅動較多，主要原因包括以下幾點；一是電驅動啟動響應高，可以快速完成壓縮機的啟動；二是體積小，造價同汽輪機驅動相比明顯降低；三是由于采用增速器，可以實現高轉速運行，提高了壓縮機的工作效率。

但是，同樣存在以下問題。

（1）由于需使用聯軸器、電機及齒輪組，可能會引入一些不平衡力和外部激振力，長期運行會導致壓縮機轉軸發生震蕩。

（2）由于采用多級傳動，傳動鏈較長，增速器傳動效率較低。

（3）由于增速器傳動比的限制，不能實現轉速的實時調整，動態調節性較差。

3 高速永磁同步電機的技術特點

變壓吸附制氧系統采用高速永磁同步電機驅動方式，相比普通異步電機具備高效率高、穩定性好、體積小等優勢，可以更好地匹配變壓吸附頻繁變動工況。高速永磁同步電機所具備的技術特點如下。

3.1 永磁

高效率：永磁電機相對感應電機無轉子損耗，且負載電流較小，這使得永磁電機在全部工況下效率都高于同功率設計的感應電機。而我司采用高牌號稀土永磁材料，除了獲得更好的性能外，耐溫等級達到250℃以上。

高功率因數：相對感應電機永磁電機利用永磁體勵磁，無須額外的勵磁電流，減少無功功率消耗。

高的功率密度：永磁電機相對感應電機電路結構結構簡單，永磁體磁能積密度大，較小的體積可產生較大的磁場，同時發熱更小，無須復雜的散熱結構，因此可以實現更高的功率密度。

轉矩動態響應更快：感應電機電磁特性是非線性的，鐵性磁通隨著負載變化而變化,而轉子磁場是通過定子勵磁電流產生，從而會影響電機的轉矩動態響應。永磁電機的轉子磁性固定，不受定子電流的影響，從而可以快速響應負載變化。

穩態性能更好：永磁電機轉子磁場穩定，受外界影響較小，特別適合速度負載頻繁變動的工況，同時轉子發熱較小，動平衡穩定。而感應電機受轉子發熱的影響，冷熱太動平衡變化較大，導致電機振動較大。

3.2 高速直驅

體積小：高速直驅電機可以實現高速運轉，提高功率密度，減小體積。這對于工業設備的輕量化和緊湊化設計非常有利，普通電機則存在轉速限制，無法實現高速運轉。

響應速度快：高速電機轉子體積要遠小于同功率普通電機轉子，所以轉子的轉動慣量小，可以大幅度縮短加減速的響應時間,有利于變頻器的穩定控制。

傳動效率高：普通電機難以達到高轉速,需要配合齒輪箱增速才能滿足高轉速要求，傳統的齒輪箱會有一定的傳動損耗，而高速電機由于其本身高強度轉子結構設計可直接連接葉輪,從而去除中間耗能的傳動環節，提升傳動效率。

可靠性高：高速直驅電機方案減少了機械齒輪傳動部分，因此機械故障的概率相對較低，從而提高了系統的可靠性。

維護成本低：高速直驅電機方案不需要齒輪箱，因此，在機械部件的維護和更換上相對簡單，且維護成本較低。

3.3 多相設計

低諧波：一方面，多相電機相比三相電機，空間諧波最低次數增大，含量減小，減小電機的發熱。另一方面，轉矩脈動的最低次數也增大，幅值也減小，從而降低電機的振動和噪音。

提高可靠性：多相電機可以看作由多個單元電機組成，每個單元電機都可以相互單獨運行，所以當出現一相或幾相發生故障時，電機仍然可以短期過載或長期降容使用，提高了容錯率。

過載能力：同體積下多相電機每安培輸出轉矩要高于三相電機，因此，多相電機可以獲得更大的過載能力。

3.4 低壓設計

安全性更高：電機采用690V低壓作為輸入電壓，低壓電機的電壓等級較低，因此在使用過程中安全性更高。

效率高：低壓電機的絕緣結構簡單，材料利用率更高，對比同功率的高壓電機效率高出2.5%。

體積小：高壓電機采用成型線圈,繞組端部長度一般為低壓電機端部長度的1.5～2倍，而低壓電機不但端部長度小，而且絕緣薄，散熱更好，對散熱結構的尺寸要求更小，所以電機的體積更小。

驅動器適配性好：低壓電機的電壓等級較低，與市面現有的變頻器匹配度更高，尤其對于永磁電機，低壓變頻器的選擇多，適配成本也更低，方案也比高壓更成熟。

3.5 直噴油冷

散熱效率高：電機油冷屬于直接冷卻,相較其他冷卻方式，能夠更加有效地將熱量從電機中排出，最大限度地降低電機溫度。多用于高功率密度的應用場合，例如，高性能新能源汽車馬達、航空馬達等鄰域。

低噪音：由于無散熱風扇，電機油冷相對風冷更加安靜。

安全性：冷卻油是一種不含有毒有害物質（乙二醇，丙二醇）的不可燃燒阻燃液體，相對其他冷卻方式，避免了氣蝕、水垢、電解等腐蝕傷害。

提高電機壽命：靈敏的熱平衡能力，超寬的溫度工作區間，不但能夠冷卻電機的線圈和鐵芯，同時保障軸承處于最佳工作溫度，大幅度提高電機的壽命。

3.6 多相變頻驅動

低諧波：采用六相和九相電機搭載多相變頻驅動技術，多套繞組間錯開30°相位角進行控制，電流諧波遠低于三相變頻驅動，能夠有效地降低電網和電機的諧波干擾和損害。

大功率輸出更穩定：主副變頻器均可獨立使用,具備更高的過載能力和更寬的工作范圍，可以保證電機在高負荷和高速運行時的穩定性和可靠性。

控制精度：多相驅動技術對變頻器的要求較高，因此需要配套高精度的變頻器控制單元，結合優秀的軟件算法可以提供更加精確的轉矩控制和速度控制，從而可以滿足更高的運行要求和控制精度要求，適用于一些高精度運動控制或速度功率變化較大的應用場景。

3.7 轉子溫度在線測量系統

永磁電機與普通異步感應電機不同的是轉子磁場依靠永磁體提供，由于材料本身的特性，當永磁體溫度過高且超過某一臨界溫度時，轉子磁鋼將會發生不可逆的退磁現象，因此永磁電機轉子溫度的在線監測對于判斷電機的運行狀態以及對電機做失磁保護有著重要的意義。所以，變壓吸附制氧系統所使用的高速永磁同步電機均配備了轉子溫度在線監測與保護裝置，可以實時顯示轉子溫度,根據需要設定報警值，可在單獨使用，也可將信號接入DCS做連鎖保護，還可以上傳數據到云端顯示和記錄，能夠提供有效保護的同時，也方便遇到故障后調用數據排查分析。

4 高速永磁同步電機與常規電機在系統中的應用對比

在設備選型階段，我們針對整個系統的技術特性，對高速永磁同步電機與普通異步感應電機在系統應用中做了詳細對比，對比結果如表1。

表1 高速永磁同步電機與異步感應電機應用對比

5 高速永磁同步電機的優勢

通過上述對高速永磁同步電機特點的研究以及與普通異步電機的對比分析，高速永磁同步電機相較普通異步電機在多個方面都表現出了明顯優勢。首先，采用高速直驅永磁電機設計使得空分設備不僅具備更高的效率、更輕便的體積，還能減少設備的故障率和維護成本。其次，多相電機及其多相驅動技術相較三相電機不僅在諧波控制與最大輸出能力方面更加穩定，而且提高了設備的容錯率。此外，低壓設計，油冷卻，轉子溫度監控既能夠降低能耗，又增加了功率密度,還可以減少潛在的安全隱患，提高了設備的使用安全性。最后，空分設備因其特殊的工藝要求需要電機在高速運轉下實現循環極加減速，這無論是對絕緣系統的抗沖擊性還是對轉動部件的抗疲勞性都是一個巨大的挑戰，普通異步電機無法滿足此類要求。

6 結語

變壓吸附制氧系統專用的高速永磁同步電機相較普通異步電機在效率、安全性、穩定性方面都擁有明顯的優勢，而在可靠性方面更加展現出絕對的優勢。因此，在變壓吸附制氧系統中采用高速永磁同步電機，不僅能夠提高生產效率，還能夠減少潛在的安全隱患，大幅提升設備的穩定性和可靠性，保證了整個系統的高效節能運行，為高爐冶煉提供了穩定的富氧供應，為實現低碳冶煉、綠色冶煉提供了穩固的基礎和強大助力。