低速大扭矩永磁电机在低速泵上的应用

王祥来 高林钢

摘 要：水利工程或相关工程中使用的低速泵，绝大多数是依靠异步电机+减速机或直接采用低速异步电机来驱动的，此类低速泵系统存在效率低、功率因数小、振动噪音高、体积大等问题。上海市堤防（泵闸）设施管理处在工程实施中，通过技术、经济、能效、安全可靠、智能环保等方面分析比较，成功地将低速大扭矩永磁电机驱动系统应用于低速泵。该驱动系统具有系统效率高、功率因数大、节能高效、振动噪音低、体积小、运行安全可靠等诸多优点。投入运行后取得了十分明显的经济效益、社会效益和环保效益，有效解决了异步电机驱动系统存在的问题，提升了低扬程、大流量泵闸类水利工程用低速泵的整体性能，可在该领域推广应用。

关键词：永磁电机;异步电机;低速泵;推广应用

中图分类号：TV675;TM351 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.035

Application and Analysis of Low Speed and High Torque Permanent Magnet Motor Drive

System in Low Speed Pump of Water Conservancy Project

WANG Xianglai1， GAO Lingang2

（1.Shanghai Dike Pump and Gate Facilities Management Office， Shanghai 200080， China;

2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， China）

Abstract：Most of the low-speed pumps used in water conservancy projects or related projects are driven by asynchronous motors and speed reducers or directly using low-speed asynchronous motors. Such low-speed pump systems have problems such as low efficiency， low power factor， large noise and vibration and large volume. During the project implementation， Shanghai Dike Pump and Gate Facility Management Office successfully applied low-speed high-torque permanent magnet motor drive system to low-speed pumps through analysis and comparison in terms of technology， economy， energy efficiency， safety and reliability and intelligent environmental protection. The drive system has many advantages， such as high efficiency， high power factor， high energy saving， low noise， small volume， safe operation and so on. Since it was put into operation， it had achieved obvious economic， social and environmental benefits， effectively solved the problems existing in the asynchronous motor drive system and improved the overall performance of low-speed pumps for water conservancy projects such as low-head and large-flow pump sluice， which could be popularized and applied in this field.

Key words： permanent magnet motor; asynchronous motors; low speed pump; popularization and application

1 引 言

在引水调水、防洪排涝、污水处理、农田灌溉、河道治理、环境保护等方面，低扬程、大流量泵被大量使用[1]，且多为400 r/min以下的低速泵[2]。通常，低速泵绝大多数是依靠異步电机+减速机或直接采用低速异步电机来驱动的[3]。此类低速泵系统效率低、振动噪音高，用低速异步机直接驱动，效率低、功率因数小、体积大、维护工作量大等问题[4]比较突出。

低速大扭矩永磁电机驱动系统[5]采用的是一种由低速永磁同步电机直接驱动低速泵的新式传动技术，免去了减速机这一传统部件。该驱动系统具有效率高、功率因数大、节能高效、振动噪音低、体积小、运行安全可靠、智能控制、智能监控、智能维护等[6]诸多优点。采用无减速机的直驱方式能有效地减少因齿轮箱磨损而造成的机组故障[7]，提高系统运行的可靠性和寿命，减少维护成本[8]，因而在水利工程或相关工程中越来越受到关注[9-10]。上海市堤防（泵闸）设施管理处在上海西大盈泵闸工程实施中，成功地将低速大扭矩永磁电机驱动系统应用于低速泵，投入运行以来取得了十分明显的经济效益、社会效益和环保效益，有效解决了异步电机驱动系统存在的问题，提升了低扬程、大流量泵闸类水利工程用低速泵的整体性能。

2 低扬程、大流量低速泵在水利工程中的应用现状

2.1 异步电机+减速机的竖井贯流泵

异步电机+减速机的竖井贯流泵结构形式及工程应用见图1。该类竖井贯流泵一般采用4极至8极的异步电机+减速机来实现驱动，轴向长度大，减速机齿轮易磨损，需要定期更换润滑油，维护工作量大，维护成本高，系统效率较低。因为有高速旋转和摩擦部分，所以振动噪音高，系统效率较低。

2.2 异步电机直驱的斜轴泵

异步电机直驱的斜轴泵结构形式及工程应用见图2。该类异步电机直驱的斜轴泵所采用的异步电机转速一般在200～300 r/min之间，虽然低速异步电机直驱省去了减速机，但低速多极异步电机受结构、工艺、散热等多因素影响，电机结构复杂，工艺难度大，且电机体积大，质量大，效率低，功率因数cos Φ极小（一般为0.6左右，低负载时更低，需要配置大功率无功补偿），且电机无功电流大，在输配电方面至少要加大1/3的容量。

2.3 立式低速异步电机驱动的立式轴流泵

立式低速异步电机驱动的立式轴流泵结构形式及工程应用见图3。该类立式低速异步电机驱动的立式轴流泵与异步电机直驱的斜轴泵一样，存在低速多极电机结构复杂、工艺难度大，且电机体积大、质量大、效率低、功率因数cos Φ极小等缺点。

2.4 异步电机+减速机和低速异步电机直驱的潜水贯流泵

异步电机+减速机和低速异步电机直驱的潜水贯流泵，系统振动、噪音高的问题更加突出，且结构更加复杂。而低速异步电机结构，主要受异步电机体积大的影响，流道截面面积减小等问题比较突出。

3 低速大扭矩永磁电机的巨大优势

3.1 永磁电机的发展及应用

永磁电机是由永磁体建立励磁磁场从而实现机电能量转换的装置。自1983年磁性能更高而价格相对较低的高效钕铁硼永磁材料问世后，国内外研究开发的重点转移到工业和民用永磁电机上，近十年来在各类行业中得到了较多的应用。高效钕铁硼永磁同步电动机在额定负载时的效率比同规格的感应式异步电动机提高2%～8%，且它在25%～120%额定负载范围内均可保持较高的效率和较大的功率因数，使得轻载运行时节能效果更为显著。

永磁电机在低速大扭矩方面优势非常明显（这里所指的低速一般指400 r/min以下的转速，50 r/min以下一般称为超低速），非常适合作为水利工程中的低扬程、大流量低速泵（转速一般为150～400 r/min）的驱动系统，在工程应用中具有效率高、功率因数大、节能高效、振动噪音低、体积小、运行安全可靠等特点。

3.2 低速永磁电机与低速异步电机定、转子结构比较

为了进一步分析低速大扭矩永磁电機的特点，下面结合20极永磁电机和20极异步电机定、转子具体结构的差异，剖析永磁电机的优势。图4为永磁电机的定子和转子，图5为异步电机的定子和转子。

异步电机定子一般有120个以上线圈，转子铜排一般也在100根以上。相比永磁电机，异步电机的定、转子工艺都复杂得多，一般电机厂家难以制作。尤其是异步电机转子转动时，转子铜排有低压大电流，转子还有涡流，并产生大量的热量，这就带来了棘手的散热问题（一般采取径向、轴向式导出体外等综合散热措施），不得不加大转子体积。而永磁电机转子无需散热，使得工艺、结构大大简化，且安全可靠性提高。

3.3 低速永磁电机应用在低速泵上的优势

低速永磁电机在低速泵上应用，具有以下优势：①体积小，质量小，易于安装，对基础等配套设施要求低，例如20极300 r/min的低速永磁电机的质量仅相当于同转速异步电机的1/2到1/3;②节能高效，永磁电机一般效率在96%以上，功率因数在0.97以上，而异步电机效率在92%以下，功率因数在0.66左右;③低振动噪音，低扬程大流量低速泵采用永磁电机驱动系统，没有高速运转部分，其电机本身噪音与振动较低，同时取消了减速机与其他传动装置，消除了减速机和其他传动装置的振动与噪音，使整个传动系统振动、噪音更低;④由于永磁电机结构简单，转子不存在散热问题，因此运行更加安全可靠，维护工作量小;⑤易于智能控制，采用专用变频器，控制调速方便，故障保护功能齐全，起动转矩大，调速范围广，系统运行安全稳定;⑥由于转子没有感应电流，因此转子不发热，温升低，易于散热;⑦由于无功电流很小，电机总电流比异步电机少1/3以上，从而可减少对上游的输配电（包括变压器、开关、电缆等）容量要求，使输配电系统投资减小。

4 成功案例分析

在上海西大盈泵闸工程实施中，首次将日照东方电机有限公司研发的低速大扭矩永磁电机驱动系统应用于潜水贯流泵。这一新驱动系统方案与此项目原有方案（异步电机）相比，具有体积小，流量大，效率高，结构紧凑，噪音低，安全可靠等优点。

4.1 泵闸工程概况

西大盈泵闸位于上海市青浦区赵屯镇蔡家村。西大盈河北接吴淞江，南连黄浦江上游，全长约50 km，是青浦区境内一条骨干河道。新建泵闸由15 m3/s双向泵站和12 m节制闸组成，其主要任务是防洪排涝、引排水改善水环境，兼顾通航。泵站共设3台双向潜水贯流泵（见图6），单泵设计流量5 m3/s，正向设计扬程1.6 m，反向设计扬程1.0 m。配套电机功率为250 kW，电压等级0.4 kV。泵组叶轮中心安装高程为-0.5 m。为满足水泵运行要求，水泵两侧流道各设一道工作闸门，均采用液压启闭方式。

4.2 永磁电机与普通异步电机的设计参数及结构比较

永磁电机与普通异步电机的设计参数比较见表1。

4.3 实际运行情况

在完成泵站设备安装及联动调试后，泵闸进行了连续24 h试运行。在24 h连续负载运行的条件下，泵组运行情况见表2。

在完成新系统的安装与调试之后，实际运行中，新系统大幅减少了输配电配套设施成本。

（1）原变压器选用1 000 kVA变压器，采用永磁电机后，使用800 kVA变压器。

（2）由于电流减小幅度比较大，因此电缆及开关选用规格比原先降低。

4.4 评估分析

上海电器设备检测所对该低速大扭矩永磁电机驱动系统进行了评估分析，并与异步电机驱动系统比较，结果显示：贯流系（永磁直驱电动机）的有功功率下降9 kW，节能率10.3%;贯流系（永磁直驱电动机）的无功功率下降253.5 kVar，节能率78.8%;异步电机综合功率为106.7 kW，贯流系（永磁直驱电动机）综合功率为82.5 kW，综合节能率为22.7%;贯流系（永磁直驱电动机）的噪音下降6.1 dB;贯流系（永磁直驱电动机）的单小时用电量有所下降，下降幅度为9 kW·h/h;贯流系（永磁直驱电动机）的输送单位水量所需功率有所下降，下降幅度为8.3%。

从以上设计计算和实际运行情况看，采用潜水永磁电机作为贯流泵的配套电机，实现了电机运行的低温升、低振动噪音，不仅解决了以往异步电机功率因数过小、无功功率过大的问题，而且实现了节能20%以上的目标。

5 结 语

低速大扭矩永磁电机驱动系统应用于低速泵，具有系统效率高、功率因数大、节能高效、振动噪音低、体积小、运行安全可靠等诸多优点。以上海西大盈泵闸工程作为实际案例进行分析，该工程投入运行以来，取得了十分明显的经济效益、社会效益和环保效益，有效解决了异步电机驱动系统存在的问题，提升了低扬程、大流量泵闸类水利工程用低速泵的整体性能，证明采用低速大扭矩永磁电机驱动系统驱动的低速泵具有较大优势，必将在该领域得到推广与应用。

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【责任编辑 许立新】