直驱式大直径轴流风机在空冷凝汽器上的应用

尹继英

（哈尔滨空调股份有限公司，哈尔滨150078）

直驱式大直径轴流风机在空冷凝汽器上的应用

尹继英

（哈尔滨空调股份有限公司，哈尔滨150078）

针对空冷凝汽器采用带齿轮箱的驱动系统呈现的问题，提出采用直驱式低速永磁同步电动机驱动大直径轴流风机的方案；介绍了该电动机的特性以及为1 000MW空冷机组配套的132kW永磁同步电动机及9 144mm直径轴流风机的研制试验过程，对经济效益进行了初步分析。实践证明：使用低速永磁同步电动机传动的轴流风机工作可靠稳定，节能效果显著。

直接空冷火电机组；直驱式轴流风机；低速永磁同步电动机

火力发电厂空冷凝汽器配套用的空冷风机一直以来都是采用变频器驱动中速异步变频电动机与齿轮箱联接的系统来控制风机的运行转速，从而满足系统不同风量的要求。该空冷风机的结构是电动机通过弹性联轴器与齿轮箱相联，然后齿轮箱的输出轴再与风机叶轮组相联。由于在风机的整个传动系统中间多了齿轮箱和联轴器，整体结构相对复杂，势必给安装和检修带来不便，无形中给日后的维护增加了繁重的工作量和费用。

随着机组容量的不断提高，空冷凝汽器配套风机的直径也在不断加大，载荷也相应提高，与之配套的齿轮箱陆续出现漏油、齿轮点蚀及打齿等现象。为了简化风机传动系统，提高系统工作效率，笔者开发了电站空冷直驱式大直径轴流风机，因风机叶轮直接与低速永磁同步电动机相联，用变频器来控制风机的运行转速，以提供不同需求的风量和风压。

1 大直径轴流风机

1．1 轴流风机布置

轴流风机的布置见图1。

图1 轴流风机布置图

1．2 永磁同步电动机的优点

永磁同步电动机与以往的异步电动机和电励磁同步电动机最大的不同是使用了先进的转子结构，即转子内部镶嵌高效永磁材料，代替了异步电动机的鼠笼式转子或同步电动机的励磁绕组。永磁同步电动机与同转速的异步电动机相比，功率因数很高［1］，即所需变频器电源容量相对小了；与同转速的电励磁同步电动机相比，减少了转子励磁滑环和调节器，没有了励磁损耗。

永磁电动机驱动系统具有以下特点［23］：

（1）电动机结构简单、灵活，适用于各种应用场合，尤其是特种应用（低转速、高响应、有位置控制精度要求等）。

（2）体积小，质量轻，安装简便快捷。

（3）高功率因数，低损耗，系统综合效率高。

（4）启动时间短，启动电流小，配电容量减小。

（5）控制和调节特性优越。

（6）系统可靠性提高，寿命延长。

1．3 风机系统优点

依据空冷岛冷却风机的需求特点和低速永磁同步电动机的独特性能，将原来普通异步电动机通过减速箱驱动风机的模式改成应用低速永磁同步电动机直接与风机进行联接驱动［4］，其优点为：

（1）系统综合效率提高。

（2）采用了电动机与风机直联，省去联轴器和齿轮箱，使传动系统大大简化，结构紧凑，传动链缩短，系统安装简单［5］。

（3）由于结构简单，降低了安装维护和保养的时间和费用。

（4）系统可靠性提高，避免了齿轮箱漏油、齿轮打齿及点蚀的可能。

（5）系统寿命延长。

（6）系统效率大幅提升。

（7）系统转矩大、启动电流小，因而启动时间缩短，配电容量减小。

（8）电动机的质量小于原来的电机和齿轮箱的质量。

2 电动机主要特性

2．1 主要参数

电动机PMLS500－32－4V的主要参数见表1。

表1 低速永磁同步电动机主要技术参数

2．2 效率与功率因数

永磁同步电动机与异步电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数，减少定子电流和定子铜耗，而且在稳定运行时没有转子铜耗，由于总损耗的降低而减小了电动机冷却系统的容量，从而减小了相应的附加损耗。因而，其效率比同规格的异步电动机提高2%～8%。与电励磁同步电动机相比，永磁同步电动机省去了励磁功率，提高了效率；而且永磁同步电动机在25%～120%额定负载范围内均可以保持较高的功率因数和效率，使轻载运行时节能效果更为显著，在长期的使用中可以大幅度地节省电能［6－8］。

永磁同步电动机是同步电动机特性与异步电动机特性的有机结合，继承了传统电动机的优势，并在性能上得到全方位提升。在效率上不但在额定点有了提高，而且在低负载、低速条件下更是优势明显。图2、图3分别为空冷岛用高速异步电动机与空冷岛用低速永磁同步电动机的效率对比曲线。

图2 高速异步电动机效率曲线

图3 低速永磁同步电动机效率曲线

由图2、图3可以看出：异步电动机在变速、变功率运行时，其效率指标与永磁同步电动机有着很大的不同，可见永磁同步电动机在综合效率上远远超过异步电动机。

2．3 结构特点

电动机采用铸铁机座，滑动轴承结构，外形上与传统的异步电动机十分相似。

电动机定子绕组采用单齿绕制的方式制造，其优点是绕组端部极度缩短，节省长度空间。为便于绕组的装配，冲片采用齿轭分离的新型结构。这样的绕组铁心结构，使电动机在制造工艺和质量保证上都大为降低难度。

电动机转子采用永磁材料，镶嵌于冲片中，不但降低了转子表面的涡流损耗，而且使电动机的转矩特性得以改善。定、转子组成的电磁结构见图4。

图4 定、转子组成的电磁结构图

上、下端盖采用铸铁结构，上端盖中心向外有倾斜，便于雨水流出，并布置有散热筋；下端盖与安装法兰是一体化结构，增强电动机的结构稳定性。

2．4 磁钢特性

造成永磁体产生不可逆退磁而导致电动机无法工作的原因主要有热退磁、过电流退磁和化学退磁。只有当磁钢的工作温度超过磁钢允许工作温度后才能发生热退磁［9］；过电流退磁是当电流大到使电动机中永磁体的工作点小于永磁材料的磁退曲线的拐点时才能逐渐发生［10］；化学退磁是当磁钢防氧化措施失效，造成永磁体表面氧化，氧化层部分将会失去磁性。只要采取有效措施，完全可以防止以上退磁的发生，理论上可以保证电动机设计寿命50年，保证电动机使用寿命30年。

电动机设计中已充分考虑了磁路中各部分磁通密度，磁路闭合后漏磁很小。转子结构采用了嵌入式结构，磁钢装入由硅钢片制成的盒中，由固定块将磁钢及硅钢片固定在转子支架上。磁通主要由硅钢片形成闭合回路，而且充分考虑到了磁通密度，因此在转子支架中磁通很少。

由于电动机温升按照B级考核（一般温度低于120℃），而且电动机转子采用永磁励磁，没有励磁损耗，只有一部分定子齿槽产生的表面损耗及少量谐波损耗。在电动机定子绕组中安装了6只Pt100铂热电阻（3只备用），可以监测电动机绕组温度，当温度超过120℃时，采取保护措施确保电动机内温度不超过磁钢最高允许工作温度。

电动机磁钢采取三道防护措施，确保磁钢长期不被氧化：磁钢本体作防氧化涂层处理；磁钢装入由硅钢片制成的盒中，并作进一步涂封；转子装配完成后整体进行常温树脂浸。

永磁电动机过电流去磁分析见图5。

图5 永磁体沿径向的工作点

即使按失步转矩2．7倍算，也没有超过变频器额定电流的2倍，所以电磁场分析的去磁是按电动机运行条件最恶劣时的情况，此时计算出永磁体的最大去磁工作点为0．32左右。所以本方案的永磁体采用钕铁硼UH型号，具体性能要求为：20℃时，Br＝1．23～1．25T，Hcj≥5．75× 103kA／m；160℃时，永磁体退磁曲线拐点低于0．2，进行160℃老化处理。永磁体表面镀锌，厚度为0．015～0．020mm。

3 风机系统试验及运转情况

3．1 厂内模拟试验

为了保证系统运行的可靠性，2009年10月17日在试验台上，安装上132kW永磁同步电动机及9 144mm直径风机，模拟电厂的实际安装条件和运行工况条件，分别进行空载（不安装风叶）条件下不同转速的运行情况，以及负载（安装风叶）条件下不同转速、不同负载条件下的电动机性能试验。

试验的目的是通过负载试验，测定电动机在不同的转速和不同的负载率情况下的电流、电压、噪声、振动、效率、温升等性能参数，验证低速永磁同步电动机直接驱动空冷风机的结构简化、效率提高，通过变频器驱动直接达到低速运转的要求。

驱动系统由变频器、电动机和风机等构成，电气及机械连接方式见图6。

图6 系统连接示意图

电动机及风机的试验结果见表2、表3。

表2 电动机试验数据

表3 风机试验数据（管束迎风面积为176．35m2）

3．2 两种传动方式下风机轴功率对比

两种传动方式下风机轴功率的对比见表4。

表4 两种传动方式下风机轴功率对比

从上述试验结果得出：风机在额定转速时，风机的振动及低速永磁同步变频电动机的效率等指标均满足要求，且与理论计算值一致，符合现场运行要求。

3．3 现场运行情况

2012年初，1台直驱式大直径轴流风机首次应用于华电宁夏灵武发电有限公司（2台1 000 MW）工程的直接空冷轴流风机上，风机直径为9 754mm，电动机功率为132kW。目前该风机已安全、稳定运行了2年，节电效果显著。

4 经济效益分析

4．1 理论分析

异步电动机需要吸收无功并通过感应对转子进行励磁，这样就注定了电动机的视在电流较大，进而使电动机的铜耗、铁耗增大。

永磁同步电动机，采用稀土永磁材料进行转子励磁，易于实现多极，在很宽的负载率范围内存在很好的效率和功率因数特性［11］；并且定、转子磁场同步旋转，显然相比异步电动机节省了励磁损耗、转子铁耗、转子铜耗等。

新型的驱动方式省去了减速箱，所以从经济效益上讲，不但省去了变速箱的损耗，也无变速箱的维护工作，延长了设备使用寿命。

4．2 节能效果

永磁同步电动机的效率在额定转速下一般至少可以达到96%，而异步电动机在额定转速下的效率为93%～94%。通常2～3级齿轮箱的传递要有3%～4%的能耗，联轴器也会有约1%左右的能耗，那么采用永磁同步电动机将会比采用异步电动机+齿轮箱+联轴器的效率提高至少6%。由于异步电动机在额定速度以下或低负载情况下效率降低非常大，因此，在额定速度以下或低负载情况下，采用永磁同步电动机比异步电动机的效率和功率因数还要提高很多［12］。

4．3 成本与费用

原有系统为变频器、异步电动机与减速箱的驱动组合，而直驱方式为变频器与低速直驱永磁同步电动机的驱动组合，尽管永磁电动机费用比异步电动机有所增加，但由于省去了减速机的费用，总的设备投资仍将有所节省（约10%～15%）。

另外，无需对减速箱维护和更换机油，电动机因低速运转使轴承寿命也大大提高，因而综合维护费用也会大为减少。

5 结语

综上所述，在火力发电厂空冷凝汽器配套空冷风机中，采用直驱式低速永磁同步电动机在简化系统、提高效率、节约能耗、降低成本、减少日常维护、提高使用寿命方面具有非常大的优势，因此在大直径轴流风机中运用低速永磁同步电动机具有很好的发展前景。

［1］刘洋，陈丽香，唐任远，等 ．永磁同步电动机的振动及噪声试验研究［J］．电气技术，2009（4）：18－20．

［2］秦岚，罗应立，赵海森 ．大功率低速直驱永磁电动机动态转矩的时步有限元分析［J］．电力科学与工程，2012，28（1）：1－5．

［3］梁迎春，吴海涛，林益平 ．永磁同步电动机研究现状评述［J］．微电机，2007，40（11）：51－53．

［4］温赐奇 ．变速风力发电机组的控制方式［J］．科技信息，2009（36）：430－432．

［5］刘金泽，邓秋玲 ．盘式永磁同步风力发电机的设计［J］．微电机，2011，44（12）：29－33．

［6］唐任远 ．现代永磁电机理论与设计［M］．北京：机械工业出版社，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 ．超高效永磁同步电动机研究开发［D］．沈阳：沈阳工业大学，2006．

［9］师蔚，贡俊，黄苏融 ．永磁电动机永磁体防退磁技术研究综述［J］．微特电机，2012，40（4）：71－74．

［10］何山，王维庆，吴小艳，等．永磁同步发电机电枢反应去磁效应的分析［J］．防爆电机，2005，40（2）：8－11．

［11］李建东 ．低速大转矩永磁同步电动机设计［J］．防爆电机，2011，46（4）：19－22．

［12］徐艳平，钟彦儒，杨惠 ．永磁同步电机矢量控制和直接转矩控制的研究［J］．电力电子技术，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

尹继英（1968—），女，高级工程师，主要从事电站空冷及石化空冷的设计及研发工作。E－mail：jiying＿yin@163．com