空冷岛永磁直驱系统的选型及应用

郝吉祥

摘 要：随着永磁材料的发展，永磁电动机因体积小、重量轻、低转速、大转矩的特点而被广泛应用，以永磁电机直接驱动方式取代传统机械传动方式的应用也日趋广泛。若将直接空冷机组的空冷岛风机减速机传动方式改造为永磁电动机直接直驱动，将大大提高空冷系统的效率并解决因减速机故障带来的各种问题。本文以300MW机组为例，就空冷风机减速机改造永磁直驱系统的选型及应用进行分析，为今后空冷风机减速机改造提供依据。

关键词：空冷系统;永磁电动机;直接驱动;无传感器控制

中图分类号：TM351 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）21-0164-02

0 引言

直接空冷机组采用直接空冷系统，汽轮机的排汽直接进入空冷凝汽器。空冷凝汽器配置一台大直径轴流风机（又称“空冷风机”），通过强制通风实现热交换。这种冷却方式因其节水效果显著在北方干旱地区被大量应用。300MW机组典型配置6个单元，每个单元5台，共30台，形成一个风机群。数量庞大的空冷风机耗电量约占机组发电容量的1.5%左右[1]，占机组的厂用电率的11%左右。因此，提高空冷系统的效率是降低机组的厂用电率的重要途径之一。随着永磁材料的发展，永磁体的磁能密度越来越高，永磁电动机的性能越来越好。由永磁电动机和变频器组成的永磁直驱系统来取代由变频器、异步电动机、减速机组成的驱动系统，省去了减速机构，简化传动链，提高传动效率，进而实现节能的目的。

1 系统设备介绍

直接空冷系统由空冷凝汽器、轴流风机、减速机构、驱动电动机、低压变频器及配电系统构成。轴流风机、减速机构、驱动电动机采用立式安装，如图1所示。300MW机组典型配置6个单元，每个单元5台，共30台，布置在空冷岛平台上，如图2所示。

2 运行中存在的主要问题

以某地区直接空冷机组近几年的运行情况来看，减速机的故障问题最为突出，空冷风机减速机齿轮箱漏油问题时有发生，使空冷岛下方的悬挂式绝缘子、变压器、配电箱、避雷器设备表面及地面都受到了油污污染。减速机齿轮箱滤网及油管堵塞也属常见故障，并会造成风机跳闸。运行几年后，减速机因齿轮箱内部齿轮磨损会造成传动效率下降，内部齿轮损伤严重时会引起风机振动，危及风机设备安全运行。随着空冷系统运行时间的增加，以上故障发生频次也在逐渐增加。空冷岛平台距地面较高、检修难度大，且减速机维修周期长维修费用高。解决减速机的故障问题已迫在眉睫。

3 永磁电动机的特点

电动机是以磁场为媒介进行电能和机械能转换的电磁装置，为在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场可有两种方法：一種是在电机绕组内通以电流来产生磁场，如普通的直流电机，同步电机和异步电机等;另一种是由永磁体来产生磁场，即永磁同步电机。由于永磁材料的固有特性，在预化充磁后不需要外加能量在其周围产生磁场，永磁电动机通过永磁体来建立磁场[2]，相比较传统的交流异步电动机具有以下优点：

3.1 效率高

（1）由于永磁同步电机的磁场是由永磁体产生的，从而避免电流来产生磁场而导致的励磁损耗〔铜耗〕。（2）永磁同步电动机的高效区宽，电动机的转速范围在25%～100%额定转速时，效率达到95%～97%，而异步电动机的转速范围在70%～100%额定转速时效率在88%左右，当转速低于70%额定转速时，效率会急剧下降。所以永磁同步电动机轻载时效率值要比异步电动机高很多，这是永磁同步电机在节能方面相比异步电机最大的一个优势。

3.2 低转速

感应电机的气隙磁密对气隙变化敏感，为了加工的需要，电机磁极数越多，电机越大，气隙越大（一般气隙和电机极数的0.5次方成正比）。当电机极数超过10极时，励磁电抗下降的很快，进而使得电机的功率因数和效率都很低，因此常见的感应电机极数一般不超过10极。永磁电动机的气隙磁密对气隙的变化不太敏感，即气隙增大气隙磁密基本不变，永磁电机的转速始终为n=60f/p不变，式中f设定频率，p为电机极对数。因此永磁电动机可以设计成多极电机，实现低转速，直接驱动低转速负载。

4 永磁直驱系统的选型

永磁直驱系统由永磁电动机和调速变频器构成的。因此永磁直驱系统选型为永磁电动机和变频器的选型，改造后的设备必须与原系统设备配套。总结有以下注意事项：

（1）永磁同步电动机重量应受控，满足空冷岛平台的载荷要求。（2）改造后设备结构、安装尺寸必须与原设备、系统以及附件相兼容匹配。（3）设备的选型要结合原设备、系统参数确定，以实现改造后系统整体运行参数最优。（4）改造后设备的结构及安装位置应合理，方便后期的拆装和检修工作。（5）调速变频器控制方式符合空冷风机低转速、大转矩的运行特性。

4.1 永磁电动机的选型（以300MW机组为例）

根据原系统设备的参数见表1所示，永磁电动机的选型必须满足以下要求：

（1）永磁电动机的额定功率选择。永磁电动机的额定功率计算公式为：P=KN/η，式中，N为风机轴功率，η为电动机效率取0.9，K为功率储备系数取1.2，代入公式得：

P=1.2×94.2kW/0.9=125.6kW

电机的额定功率选定为132kW。

（2）永磁电动机的额定转速选择。原系统变频器的运行频率为10-55Hz，风机的额定转速为74r/min，可计算得到：

风机的最小转速：Nfmin=10Hz/50Hz×74r/min=14.8r/min

风机的最大转速：Nfmax=55Hz/50Hz×74r/min=81.4r/min

因改造后永磁电动机与空冷风机直联，永磁电动机的运行转速范围为14.8-81.4r/min 永磁电动机的额定转速选定为82r/min。

（3）永磁电动机的重量要求。考虑空冷岛平台的载荷要求，永磁电动机的重量应小于异步电动机和减速机的重量之和，永磁电动机的重量应小于1200kg+1000kg=2200kg。

按照以上3点要求，并综合考虑永磁电动机的外型尺寸、转矩、功率因数及可靠性要求，永磁电动机的最终参数确定为：额定功率：132kW额定转速82r/min额定电压380V电机极数：32变频范围：0-22Hz电机重量：2000kg。

4.2 调速变频器的控制方式选择

目前，永磁同步电机的主要控制方法有V/f控制、矢量控制（VC）和直接转矩控制（DTC）。三种控制方式的特点如下：

V/f控制一种简单方便的开环无需位置传感器的控制方法，它是利用同步电机的自稳定性来控制电机运行。但是由于无法保证同步电机工作在稳定区，所以存在失步风险，且功率因数和效率也较低，一般适用于高速且性能要求不高的调速系统中，如风机、水泵等[3]。矢量控制时电机所产生的电磁力矩平稳，电机可以运行的转速较低，调速范围较宽。电机启动、制动时，所有电流均用来产生电磁力矩，可以充分利用电机过载能力，提高电机起动、制动速度，保证电机具有优良的起动、制动性能。但是矢量控制是闭环控制，需要对电压、电流、转子位置和转速等物理量进行测量并形成反馈。无传感器矢量控制方式更是免去了传感器带来的种种麻烦，提高了控制系统的可靠性，降低了控制系统成本[4]。直接转矩控制时电机转矩不可避免地存在脉动，直接影响电机低速运行平稳性和调速范围。直接转矩控制结构更加简单明了，系统动态响应比矢量控制更加迅速，但是直接转矩控制以开关选择表为基础，所能施加的电压矢量数量非常有限，从而导致转矩与磁链的波动比矢量控制要大的多。

鉴于以上3种控制方式的优缺点，矢量控制更符合空冷风机的运行特性，因此永磁电机调速变频器选择无传感器矢量控制方式。

5 改造效果分析

根据本文第3节的分析，永磁同步电动机轻载时节能效果更显著，因此改造后的总体节能效果将优于满载运行。满载运行时的节能量初步计算为：

（160-132）kW/160kW×100%=17.5%

改造后空冷系统各负荷段综合节能效果大于17.5%，节能效果显著。与原系统相比，永磁直驱系统由于不再配置减速机，即无需定期加油，无减速机漏油污染，免去了减速机检修之困扰，维护工作量和维护成本大幅度降低。

6 结语

我国是世界上特有的的稀土大国，在永磁材料和永磁电机领域具有极大的发展潜力。随着科技的发展进步，永磁直驱系统技术逐渐趋向成熟，系统研发占设备费用比重逐渐下降，永磁直驱系统费用逐年在降低。变频器的设计寿命一般为10年，空冷减速机的设计寿命为12年，目前，许多直接空冷机组已累计运行超过10年，空冷减速机和变频器都面临报废更新。空冷岛风机耗电量大和减速机的故障问题已引起了广泛重视，在空冷设备更新改造过程中，结合本厂设备的具体情况，借鉴其他发电公司更新改造成功的先进经验，合理的进行设備选型，以实现节能减排，降低发电成本，提升经济效益。

参考文献

[1] 夏瑞春，闫志华，梁纯斌，等.300MW直接空冷发电机组空冷岛风机电耗分析[J].内蒙古电力技术，2007（5）：15-16.

[2] 唐任远，等著.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1997.

[3] 郑泽东，李永东.永磁同步电机伺服控制系统的研究现状及发展[J].伺服控制，2008（12）：20-22+54.

[4] 梁艳，李永东.无传感器永磁同步电机矢量控制系统概述[J].电气传动，2003（4）：4-9.