高速永磁同步电机在变压吸附制氧系统中的应用研究

齐日昊

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063200）

随着我国“碳达峰、碳中和”政策的深入推进，钢铁行业低碳、绿色、高效冶炼技术得到广泛聚焦，提升高炉富氧率作为增强冶炼强度的低碳技术正处于高速发展阶段。而随着科技技术的不断进步和发展，新的理论和技术得以应用，因此变压吸附制氧技术应用而生。通过变压吸附制氧技术的应用可以在低成本的条件下极大地提高炉的富氧率，而只有采用高速永磁同步电机才能满足变压吸附制氧系统频繁加载调节的技术要求，达到减排降耗、高效节能的最终目的。

1 变压吸附制氧系统简介

变压吸附制氧系统是集智能化、集成化、无人化控制技术为一体，完美匹配气体温差变化，系统始终保持高效稳定运行，实现了安全的无人化控制。在国际上首次将永磁高速同步电机和采用多相变频控制系统的离心鼓风机、离心真空泵应用于变压吸附装置，与传统电机和控制方式相比，能耗大幅降低。采用永磁同步、高速直驱、多绕组低压、多相变变频驱动的高效高速永磁同步电机，配套二极管整流电路，多电机公用直流母线变频调速形式的变频器，匹配高速电机直驱、脉冲式变转速设计、脉冲可调扩压器、多变量控制的离心式鼓风机和真空泵，搭载专利技术的三塔吸附工艺，实现完美契合VPSA工艺流程及工况要求，以使系统产量、机组运行效率、运行寿命等达到极致能效。

该系统可以实现与高炉鼓风机、深冷制氧的联动高效协同调节，能够在30分钟内实现快速启停，实现高炉短时间检修过程中的同启同停，同时负荷调节方便快捷，能够更加及时、精准地满足高炉的冶炼的富氧使用需求。

2 高速永磁同步电机的应用背景

目前常见的离心压缩机驱动方式主要有汽轮机驱动方式和普通异步电机增速器驱动。对于大多数中小型离心压缩机的驱动装置，采用电驱动较多，主要原因包括以下几点；一是电驱动启动响应高，可以快速完成压缩机的启动；二是体积小，造价同汽轮机驱动相比明显降低；三是由于采用增速器，可以实现高转速运行，提高了压缩机的工作效率。

但是，同样存在以下问题。

（1）由于需使用联轴器、电机及齿轮组，可能会引入一些不平衡力和外部激振力，长期运行会导致压缩机转轴发生震荡。

（2）由于采用多级传动，传动链较长，增速器传动效率较低。

（3）由于增速器传动比的限制，不能实现转速的实时调整，动态调节性较差。

3 高速永磁同步电机的技术特点

变压吸附制氧系统采用高速永磁同步电机驱动方式，相比普通异步电机具备高效率高、稳定性好、体积小等优势，可以更好地匹配变压吸附频繁变动工况。高速永磁同步电机所具备的技术特点如下。

3.1 永磁

高效率：永磁电机相对感应电机无转子损耗，且负载电流较小，这使得永磁电机在全部工况下效率都高于同功率设计的感应电机。而我司采用高牌号稀土永磁材料，除了获得更好的性能外，耐温等级达到250℃以上。

高功率因数：相对感应电机永磁电机利用永磁体励磁，无须额外的励磁电流，减少无功功率消耗。

高的功率密度：永磁电机相对感应电机电路结构结构简单，永磁体磁能积密度大，较小的体积可产生较大的磁场，同时发热更小，无须复杂的散热结构，因此可以实现更高的功率密度。

转矩动态响应更快：感应电机电磁特性是非线性的，铁性磁通随着负载变化而变化,而转子磁场是通过定子励磁电流产生，从而会影响电机的转矩动态响应。永磁电机的转子磁性固定，不受定子电流的影响，从而可以快速响应负载变化。

稳态性能更好：永磁电机转子磁场稳定，受外界影响较小，特别适合速度负载频繁变动的工况，同时转子发热较小，动平衡稳定。而感应电机受转子发热的影响，冷热太动平衡变化较大，导致电机振动较大。

3.2 高速直驱

体积小：高速直驱电机可以实现高速运转，提高功率密度，减小体积。这对于工业设备的轻量化和紧凑化设计非常有利，普通电机则存在转速限制，无法实现高速运转。

响应速度快：高速电机转子体积要远小于同功率普通电机转子，所以转子的转动惯量小，可以大幅度缩短加减速的响应时间,有利于变频器的稳定控制。

传动效率高：普通电机难以达到高转速,需要配合齿轮箱增速才能满足高转速要求，传统的齿轮箱会有一定的传动损耗，而高速电机由于其本身高强度转子结构设计可直接连接叶轮,从而去除中间耗能的传动环节，提升传动效率。

可靠性高：高速直驱电机方案减少了机械齿轮传动部分，因此机械故障的概率相对较低，从而提高了系统的可靠性。

维护成本低：高速直驱电机方案不需要齿轮箱，因此，在机械部件的维护和更换上相对简单，且维护成本较低。

3.3 多相设计

低谐波：一方面，多相电机相比三相电机，空间谐波最低次数增大，含量减小，减小电机的发热。另一方面，转矩脉动的最低次数也增大，幅值也减小，从而降低电机的振动和噪音。

提高可靠性：多相电机可以看作由多个单元电机组成，每个单元电机都可以相互单独运行，所以当出现一相或几相发生故障时，电机仍然可以短期过载或长期降容使用，提高了容错率。

过载能力：同体积下多相电机每安培输出转矩要高于三相电机，因此，多相电机可以获得更大的过载能力。

3.4 低压设计

安全性更高：电机采用690V低压作为输入电压，低压电机的电压等级较低，因此在使用过程中安全性更高。

效率高：低压电机的绝缘结构简单，材料利用率更高，对比同功率的高压电机效率高出2.5%。

体积小：高压电机采用成型线圈,绕组端部长度一般为低压电机端部长度的1.5～2倍，而低压电机不但端部长度小，而且绝缘薄，散热更好，对散热结构的尺寸要求更小，所以电机的体积更小。

驱动器适配性好：低压电机的电压等级较低，与市面现有的变频器匹配度更高，尤其对于永磁电机，低压变频器的选择多，适配成本也更低，方案也比高压更成熟。

3.5 直喷油冷

散热效率高：电机油冷属于直接冷却,相较其他冷却方式，能够更加有效地将热量从电机中排出，最大限度地降低电机温度。多用于高功率密度的应用场合，例如，高性能新能源汽车马达、航空马达等邻域。

低噪音：由于无散热风扇，电机油冷相对风冷更加安静。

安全性：冷却油是一种不含有毒有害物质（乙二醇，丙二醇）的不可燃烧阻燃液体，相对其他冷却方式，避免了气蚀、水垢、电解等腐蚀伤害。

提高电机寿命：灵敏的热平衡能力，超宽的温度工作区间，不但能够冷却电机的线圈和铁芯，同时保障轴承处于最佳工作温度，大幅度提高电机的寿命。

3.6 多相变频驱动

低谐波：采用六相和九相电机搭载多相变频驱动技术，多套绕组间错开30°相位角进行控制，电流谐波远低于三相变频驱动，能够有效地降低电网和电机的谐波干扰和损害。

大功率输出更稳定：主副变频器均可独立使用,具备更高的过载能力和更宽的工作范围，可以保证电机在高负荷和高速运行时的稳定性和可靠性。

控制精度：多相驱动技术对变频器的要求较高，因此需要配套高精度的变频器控制单元，结合优秀的软件算法可以提供更加精确的转矩控制和速度控制，从而可以满足更高的运行要求和控制精度要求，适用于一些高精度运动控制或速度功率变化较大的应用场景。

3.7 转子温度在线测量系统

永磁电机与普通异步感应电机不同的是转子磁场依靠永磁体提供，由于材料本身的特性，当永磁体温度过高且超过某一临界温度时，转子磁钢将会发生不可逆的退磁现象，因此永磁电机转子温度的在线监测对于判断电机的运行状态以及对电机做失磁保护有着重要的意义。所以，变压吸附制氧系统所使用的高速永磁同步电机均配备了转子温度在线监测与保护装置，可以实时显示转子温度,根据需要设定报警值，可在单独使用，也可将信号接入DCS做连锁保护，还可以上传数据到云端显示和记录，能够提供有效保护的同时，也方便遇到故障后调用数据排查分析。

4 高速永磁同步电机与常规电机在系统中的应用对比

在设备选型阶段，我们针对整个系统的技术特性，对高速永磁同步电机与普通异步感应电机在系统应用中做了详细对比，对比结果如表1。

表1 高速永磁同步电机与异步感应电机应用对比

5 高速永磁同步电机的优势

通过上述对高速永磁同步电机特点的研究以及与普通异步电机的对比分析，高速永磁同步电机相较普通异步电机在多个方面都表现出了明显优势。首先，采用高速直驱永磁电机设计使得空分设备不仅具备更高的效率、更轻便的体积，还能减少设备的故障率和维护成本。其次，多相电机及其多相驱动技术相较三相电机不仅在谐波控制与最大输出能力方面更加稳定，而且提高了设备的容错率。此外，低压设计，油冷却，转子温度监控既能够降低能耗，又增加了功率密度,还可以减少潜在的安全隐患，提高了设备的使用安全性。最后，空分设备因其特殊的工艺要求需要电机在高速运转下实现循环极加减速，这无论是对绝缘系统的抗冲击性还是对转动部件的抗疲劳性都是一个巨大的挑战，普通异步电机无法满足此类要求。

6 结语

变压吸附制氧系统专用的高速永磁同步电机相较普通异步电机在效率、安全性、稳定性方面都拥有明显的优势，而在可靠性方面更加展现出绝对的优势。因此，在变压吸附制氧系统中采用高速永磁同步电机，不仅能够提高生产效率，还能够减少潜在的安全隐患，大幅提升设备的稳定性和可靠性，保证了整个系统的高效节能运行，为高炉冶炼提供了稳定的富氧供应，为实现低碳冶炼、绿色冶炼提供了稳固的基础和强大助力。