永磁同步电动机在韩庄泵站工程中的应用

李继勇，逯亚男

（南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250109）

2018年4月，在外界环境基本稳定的情况下，韩庄泵站1#、3#、5#水泵机组同时出现了随着运行时间的增长，电动机定子温度逐渐升高、变频器输出功率增大、机组装置效率降低的异常工况，而重启机组后以上异常工况消失的现象。笔者收集了该运行时段的相关数据，运用Nd-Fe-B永磁体畴壁钉扎理论，综合分析后判定是因为随着运行时间的增长，永磁体损耗及谐波损耗导致转子温度升高、永磁体畴壁产生了膨胀，从而导致永磁材料产生了退磁现象。

1 电动机磁钢材料不可逆退磁因素分析

1.1 大电流冲击造成不可逆退磁的可能性

电机最大电流为三相短路时的短路电流，在设计时只要保证校算短路状态下磁钢工作点在磁钢工作曲线拐点以上，就能保证电机不会因大电流冲击而退磁。当前大部分永磁电机的磁钢材料在额定使用温度下，拐点基本都在0.2T以下。韩庄泵站永磁同步电动机的磁钢材料拐点如图1所示为0.1T，所以韩庄泵站永磁电动机所选用的磁钢材料在三相短路时不会发生退磁。况且，当发生三相短路事故时，在微机继电保护装置的作用下机组已停止了运行。另外，韩庄泵站永磁电动机为变频启动，启动电流、电压都低于额定电流及额定电压，因此，不存在大电流冲击造成磁钢材料不可逆退磁的可能。

1.2 高温造成不可逆退磁的可能性

如图1所示，韩庄泵站永磁同步电动机磁钢材料的使用温度限值为160℃（居里温度），当电机热负荷使电机温升超过160℃时，就会造成磁钢材料的不可逆退磁。

1.3 化学作用造成不可逆退磁的可能性

磁钢的化学失效主要源于空气中的氢气以及在潮湿状态下存在的氢离子与磁钢的接触。韩庄泵站永磁同步电动机转子磁极采用冲叠一体的工艺方法，用矽钢片制造磁钢盒，使磁钢在不充磁状态下与磁钢盒进行装配，用环氧漆整体灌封后进行充磁。磁钢的保护层完好，可以防止电机产生化学退磁。

由此可知，韩庄泵站永磁同步电动机发生不可逆退磁的运行工况主要为电机热负荷使电机温升超过160℃，只要确保电机温度保护动作可靠，是可以避免不可逆退磁的。

2 可逆退磁对机组运行工况的影响

2.1 外界环境情况

笔者根据系统报表绘制2018年4月1日至4月18日的水位及河道水温曲线。由此曲线可知，2018年4月1日至4月18日，进出水池水位、扬程、环境温度基本稳定，由此可排除水位、扬程以及环境温升导致机组产生异常工况的可能。

2.2 机组运行温度的变化情况

图2 1#机组3月28日至4月19日运行温度曲线

图3 3#机组3月28日至4月19日运行温度曲线

由图2、图3、图4可知，在外界环境稳定的情况下，随着运行时间的增长，机组运行温度逐渐升高，对应Nd-Fe-B永磁体畴壁钉扎理论就是畴壁逐渐膨胀的过程。

2.3 机组装置效率变化情况

图4 5#机组3月28日至4月19日运行温度曲线

随着运行时间的增加，机组定子电流、有功功率、无功功率均增加，而机组装置效率则相应降低，笔者根据系统报表自动计算的装置效率，绘制机组装置效率变化曲线，由此可见，随着运行时间的增长，机组装置效率逐渐降低。

3 机组重启前后运行数据对比

由Nd-Fe-B永磁体畴壁钉扎理论可知，当撤去外场后,畴壁可以可逆地回复到原来的位置，即永磁体的可逆退磁回复过程。这个过程也能够通过韩庄泵站永磁同步电动机的运行数据进行印证。2018年4月2日韩庄泵站执行了1#机组重启的操作，重启间隔1h，由图2可知，机组停机后，机组温度迅速冷却，而重新启动机组后，机组运行温度并没有在短时间内迅速回到重启前的温度，而是经过了较长一段时间的运行之后逐渐回到甚至超过重启前的运行温度。笔者提取运行前后数据对比如表1示，由表1可知在相同转速下，重新启动后同步电动机定子电流、耗能均降低，流量反而增加，对应了畴壁膨胀初期的机组性能。

4 可逆退磁原因分析

永磁电动机运行时的发热，均来自于电机的损耗，而转子损耗包括永磁体损耗和谐波损耗[2]等。永磁电动机运行过程中，由于Nd-Fe-B永磁材料传热性差，热量向外传导的速度慢，在永磁体损耗和谐波损耗的不断作用下，造成转子温度逐渐升高。

表1 2018年4月2日1#机组重启动前后数据对比

由图1可知，韩庄泵站Nd-Fe-B永磁材料在160℃以下运行时，其退磁曲线为直线，随着温度的逐渐升高其磁感应强度逐渐降低，功率角增大。在变频器自动调节作用下，为保证机组的轴功率，就需要增加变频器输出电压、输出电流，从而导致机组运行能耗增高，效率降低，而当Nd-Fe-B永磁材料运行温度超过160℃时，永磁材料将产生不可逆的退磁。

5 机组安全与经济运行建议

由前述可知，永磁同步电动机长期运行可逆退磁对机组能耗及效率的影响是非常明显的，可以进一步推测可逆退磁最恶劣的工况就是同步电动机失步或者超额定电流运行。而不可逆退磁带来的影响更加严重，将对永磁电动机性能造成不可逆的损害，直接影响工程运行安全及效益发挥。因此笔者针对如何保证韩庄泵站工程永磁电动机的安全运行、经济运行提出以下建议：

1）定期开展机组内部检查，重点检查转子永磁材料环氧漆护套的完好性，在维修、养护作业过程中，加强对磁极的防护，避免钝击造成永磁材料环氧漆护套的损坏。

2）严格控制磁钢材料环境湿度，采用更加可靠地除湿机，设定自动除湿，保持环境干燥。

3）改造机组冷却系统，改善机组冷却性能，降低永磁同步电动机运行过程中的转子温升速度。

4）定期检查、校验机组温度传感器、温度保护装置，确保温度保护动作可靠，避免高温造成永磁材料不可逆退磁。

5）在排除外界因素影响的条件下，应根据机组装置效率、能耗、温度等参数变化情况定期重启机组或调换机组运行。