开关磁阻电机在汽轮机射水抽气系统中的应用

陈志芳

（马鞍山钢铁股份有限公司热电总厂，安徽马鞍山 243000）

1 开关磁阻电机概述

开关磁阻电机与一般传统电机相比，具有明显的特征：定、转子均为凸极构造，由硅钢片叠压而成。定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个定子绕组串联构成一相绕组。转子既无绕组也无永磁体。

开关磁阻电机运行遵循“磁阻最小原理”，可以设计成多种不同的相数结构，而且定、转子的极数也可以根据需要设计成多种不同的搭配。最常见的开关磁阻电机定转子极数组合有6/4 极、8/6 极、12/8极。图1为12/8极磁阻电机结构示意图。可以看出开关磁阻电机具有结构简单坚固，电机热耗主要集中的定子上，易于冷却，检修维护工作量小等特征。

2 开关磁阻电机的控制系统

开关磁阻电机系统主要有开关磁阻电机、功率变换单元、控制器、位置传感器及电流检测元件5大部分组成，如图2所示。

功率变换器是连接电源和电机的单元，主要由整流桥和IGBT 等组成。整流桥把输入交流电整流成直流电，给电机提供能量输入。电路图见图3。

图1 12/8级磁阻电机结构示意图

图2 开关磁阻电机系统示意图

图3 功率变换器单元电路示意图

位置检测主要通过位置传感器，实时检测定转子相对位置，根据检测到的位置信号确定正确的励磁相。

控制器是整个调速系统的核心，根据设定好的控制程序，将检测到位置、电流信号等模拟量与给定量比较，控制功率变换器单元中IGBT的导通与关断角度，从而控制电动机的方向和转速。同时通过对控制器控制参数的设定，使电机具有良好的调节性能。

3 开关磁阻电机在汽轮机射水抽气系统中的应用

3.1 汽轮机射水抽气系统简介

汽轮机射水抽气系统的作用是抽出汽轮机凝汽系统内空气，建立和维持凝汽器真空，降低汽轮机排汽压力，提高机组循环热效率。另外汽轮机轴封系统也需要抽气，防止空气漏入汽缸。

射水式抽气器是通过射水泵将工作水从射水箱中抽出，进入抽气器喷嘴，形成高速水流，使抽气器内产生真空，抽出凝汽器内的汽、气混合物，从而保证凝汽器的真空度。显而易见，如射水泵故障，射水抽气器停止工作，凝汽器内将无法建立真空。因此射水泵电机稳定高效运行是保证汽轮机射水抽气系统经济稳定运行的重要保障之一。

3.2 开关磁阻电机在射水抽气系统应用中的设备接线

某热电厂#4 汽轮机射水泵电机原采用Y280M-4 型90 kW 普通电机，该型号电机为国家工业和信息化部《高能耗落后机电设备（产品）淘汰目录（第一批）》中明确淘汰的设备，为响应国家淘汰落后机电设备政策，该厂选用高效开关磁阻电机对射水泵电机进行升级改造，改造后射水泵电机一次接线如图4所示。

图4 射水泵电机改造一次接线

与普通电机比较，开关磁阻电机有驱动控制系统，改造中新安装电机控制柜，控制柜内集中布置开关磁阻电机控制器、检测表计、电源及控制回路接线端子等设备。其系统接线如图5所示。

图5 开关磁阻电机系统接线

三相电源进线接入控制器的三相电源输入端，不分相序。为减小开关磁阻电机及驱动系统运行扰动，系统接线应注意：

（1）电机和控制器柜设备应有良好的接地，接地电阻要求小于4 Ω，接地线引线线径大于35 mm2。

（2）控制器与电机连接的动力电缆应选用屏蔽电缆，屏蔽层应良好接地，电缆长度以不超过20 m为宜；如距离超过20 m，应适当增大导线截面积，并设输出电抗器。

（3）控制回路均需采用屏蔽电缆，屏蔽层应良好接地，减少运行中对控制器扰动。

3.3 开关磁阻电机控制器参数设定

为确保开关磁阻电机满足汽轮机射水抽气系统运行要求，需要对开关磁阻电机控制器参数进行必要的设定、核对和校正。

（1）开关磁阻电机参数设置检查。磁阻电机和控制器为厂家成套供货，电机参数在控制器出厂前已经配置好，只需要在电机第一次启动前对照电机铭牌对电机参数进行检查核对。

（2）开关磁阻电机系统保护参数设置检查校核。系统配置有外部故障，过电压，欠电压，三相电流平衡，电机超速、过载、堵转，电机绕组温度，IGBT等保护。在电机第一次启动前应对保护参数设定进行检查，在电机试运行过程中，还需要根据运行调试情况对保护参数进行必要的修正。

（3）开关磁阻电机零位检查。开关磁阻电机首次运行前，必须先确定电机的三相零点位置参数是否正确，否则电机无法正常运行，甚至出现震荡、堵转、过流现象。脱开电机与负载之间连接，电机零点自检，零点自检完毕后，确认电机三相零点位置参数：三相之间任意两相位置绝对值相差应在允许范围内。需要注意的是：更换控制器或电机（包括电机轴承、转子、旋转变压器）时需要重新零点自检。

（4）电机旋转方向确定。开关磁阻电机对电源相序不需要特别约定，只需要在电机首次启动时，确定电机实际转向，通过修改参数设置，调整电机旋转方向与泵方向一致即可。

（5）控制方式选择。开关磁阻电机有转速控制和转矩控制两种控制方式。

转速控制模式：电机实际运行转速始终跟随设定转速，电机输出转矩自动跟随负载变化而变化。

转矩控制模式：电机输出转矩不变，电机运行转速跟随负载变化而变化。在转矩模式控制时，需要设置合理的电机转速上、下限值。转速上限值可设置到电机额定转速的1.5倍。

（6）电机响应控制。可以通过设置电机加速时间和减速时间参数，来控制电机响应。

（7）IGBT 导通区间设置。导通区间参数设置不合理会影响度电机输出转矩，从而影响电机转速跟随以及系统效率。该参数在出厂前已经设置好，在机组调试过程中，如出现转速与跟踪误差较大时，可根据需要进行合理修改，直到转速跟随满足要求。

（8）PID 控制参数设置。根据机组启动调试情况，通过对过程控制比例系数，积分系数，控制过程调整周期、过程输出限幅等参数进行调整修正，以达到最佳的调节效果。

3.4 开关磁阻电机在射水抽气系统中的调整实例及应用效果

汽轮机在实际运行中，凝汽器真空处于变工况运行状态，汽轮机的热负荷，凝汽器水位，循环水流量、温度，射水箱水位、水温等都会影响凝汽器真空度，因此射水泵除了保持稳定的运行状态外，还需要有良好的调节性能，尤其在汽轮机组启停过程中，凝汽器真空变化大，射水泵要有足够的出力驱动射水抽气系统满足凝汽器真空度的要求。而开关磁阻电机具有高启动转矩、过载能力强、调速范围宽、响应速度快、效率高等特点，作为射水泵驱动电机，通过对电机控制参数合理设置，满足射水抽气系统工艺要求。

（1）根据工艺调节和运行监视要求，将电机控制模式选择为转矩控制模式，即电机输出转矩不变，电机运行转速跟随负载变化而变化，汽机人员可以通过转速反馈直观的了解电机出力，方便运行人员根据凝汽器真空度对射水泵电机出力调整。

（2）根据凝汽器变工况运行及汽轮机启停时对真空泵电机负荷出力要求高的特点，对电机响应控制及PID 控制参数进行设定和校正。调试期间，汽轮机热负荷频繁波动，单台开关磁阻电机驱动射水泵运行无法维持凝汽器真空，分析原因为开关磁阻电机在负荷变化大时，转速调节时间过长，造成射水泵出力调节慢，将控制器参数“转速环过程输出幅值”由出厂设置的50整定为100，提高开关磁阻电机转速响应，满足汽轮机热负荷变化对凝汽器真空的要求。

（3）对开关磁阻电机转速反馈修正。该型号开关磁阻电机采用旋转变压器测量电机转速，旋转变压器输出的转速数值与电机实际转速有一定误差，调试过程中发现这一误差对电机调节性能影响较大。通过对电机实际转速测定，修正电机控制器转速反馈系数，保证控制器反馈转速与电机实际转速一致，从而保证电机更好的调节性能。

（4）开关磁阻电机运行节能效果。射水泵原电机运行电流150 A，使用开关磁阻电机后，在相同工况下，实际运行电流120 A，电流降低20%，节能效果明显。

4 结论

通过利用开关磁阻电机对汽轮机射水抽气系统射水泵电机的换型改造，经过一年时间运行实践，开关磁阻电机运行可靠，调节性能好，维护量少，并且具有较好的节能效果。