永磁直驅(qū)同步電機在火電廠輔機系統(tǒng)中的研究與應用

京能（錫林郭勒）發(fā)電有限公司 白音高老

京能五間房電廠在輸煤帶式輸送機、濕式球磨機、脫硫吸收塔攪拌器及機力通風塔冷卻風機等采用永磁直驅(qū)電機系統(tǒng)，極大提高設(shè)備可靠性，大大減少維護費用，相同條件下較異步電動機可節(jié)約電能15%，經(jīng)濟效益十分顯著。京能五間房電廠本著高標準的建廠要求，從高可靠性、低能耗、長周期運行、低維護費用要求出發(fā)，設(shè)備選型開始就對電廠所用的傳動設(shè)備進行了嚴格對比，經(jīng)過對多種驅(qū)動方案的比較，在輔機系統(tǒng)中采用永磁傳動裝置的方案是所有方案中最節(jié)能也是驅(qū)動環(huán)節(jié)最簡單的一種方案。

1 永磁同步電機的技術(shù)原理

永磁同步電機是永磁體勵磁產(chǎn)生同步旋轉(zhuǎn)磁場的同步電機，永磁體作為轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，三相定子繞組在旋轉(zhuǎn)磁場作用下通過電樞反應感應三相對稱電流。當永磁同步電動機的定子通入三相交流電時，三相電流在定子繞組的電阻上產(chǎn)生電壓降。由三相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電樞磁動勢及建立的電樞磁場，一方面切割定子繞組并在定子繞組中產(chǎn)生感應電動勢；另一方面以電磁力拖動轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。電樞電流還會產(chǎn)生僅與定子繞組相交鏈的定子繞組漏磁通，并在定子繞組中產(chǎn)生感應漏電動勢。此外，轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場也以同步轉(zhuǎn)速切割定子繞組，從而產(chǎn)生空載電動勢。

永磁同步電機控制方式為開環(huán)矢量控制，轉(zhuǎn)子初始位置信息是永磁電機正常啟動的前提，變頻器在電機靜態(tài)時輸出高頻脈沖電流通過其反饋進行初始位置估算。運行中將磁場定向坐標通過矢量轉(zhuǎn)換，將永磁電機的定子電流分解為勵磁電流分量（id）和轉(zhuǎn)矩電流分量（iq），并使兩個分量相互垂直彼此獨立，然后分別調(diào)節(jié)。簡單來說，首先通過3/2變換變成靜止的d-q 坐標，然后通過電機模型產(chǎn)生的單位矢量來得到旋轉(zhuǎn)坐標下的轉(zhuǎn)矩電流分量和磁場電流分量，最后再經(jīng)過2/3變換產(chǎn)生三相交流電去控制電機，由于三相定子在空間位置上相差120°，所以三相定子電流在空間中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場中受到電磁力作用運動，此時電能轉(zhuǎn)化為動能。

2 永磁直驅(qū)同步電機關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

采用了U 型內(nèi)置混合式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，保證了氣隙磁場正弦化程度，解決了永磁同步電機驅(qū)動存在的低頻低速轉(zhuǎn)矩脈動大的技術(shù)難題，降低了電機的振動和噪聲，實現(xiàn)了永磁直驅(qū)系統(tǒng)低速大扭矩平穩(wěn)運行；提出了基于開環(huán)無位置矢量控制的低速大扭矩驅(qū)動算法，解決了沖擊載荷下傳統(tǒng)帶式輸送驅(qū)動系統(tǒng)起動制動效果差、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩波動大、控制精度低等技術(shù)難題，提高了應用在帶式輸送系統(tǒng)永磁直驅(qū)電機的容錯能力，實現(xiàn)了變載荷下帶式輸送系統(tǒng)大轉(zhuǎn)矩智能直驅(qū)；電機熱管理設(shè)計中基于流體場與溫度場的熱管理技術(shù)，選擇適宜的冷卻系統(tǒng)并對電機的損耗及電機內(nèi)的溫升分布進行準確計算，分析電機內(nèi)部熱分布規(guī)律，找出局部過熱點，從而通過合理設(shè)計使之降低，進而保證電機的熱可靠性。

電機定子采用分數(shù)槽集中繞組結(jié)構(gòu)，使電機線圈端部減小，使電機結(jié)構(gòu)緊湊；電機采用立式螺旋水道，加大冷卻水流量，提高冷卻性能，增加電機功率密度，減小電機體積和重量；電機定子整體澆注灌封絕緣工藝的改進，使電機在高溫、低溫、振動、粉塵、潮濕、腐蝕、負載沖擊等惡劣環(huán)境下安全使用；轉(zhuǎn)子采用了內(nèi)嵌式磁極掛極結(jié)構(gòu)，并通過磁極結(jié)構(gòu)應力場仿真技術(shù)合理設(shè)計轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)，保證電機在最惡劣情況下運行時仍然具有足夠的機械強度。

2.2 創(chuàng)新點

帶式輸送機為國內(nèi)首例火電廠集群式永磁直驅(qū)伺服帶式輸送機系統(tǒng)；機力通風塔冷卻風機為永磁直驅(qū)伺服立式冷卻塔風機；硫側(cè)攪拌器和球磨機均采用永磁直驅(qū)伺服電機；火電廠永磁傳動裝置的永磁體最佳工作點，從永磁體最佳工作點出發(fā)，可大致估算電機中永磁體最佳利用時外磁路尺寸和永磁體間的關(guān)系，為求得永磁體的最佳利用，須正確選擇永磁體尺寸、外磁路的結(jié)構(gòu)和尺寸以及兩者之間的配合關(guān)系；分數(shù)槽集中繞組結(jié)構(gòu)：在電樞繞組設(shè)計上研究多極少槽結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電樞繞組單齒繞，這種結(jié)構(gòu)由于端部不重疊，每個齒是獨立的、具有很強容錯能力，且可有效縮短電機軸向長度和降低電機銅耗，還比分布式繞組容易制造。

新型可拆裝的掛極式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：電機的磁極是模塊化結(jié)構(gòu)，在組裝時采用T 尾式掛極結(jié)構(gòu)，因此在磁極沖片疊裝過程中要嚴格保證內(nèi)外圓的同心度，以保證當所有的轉(zhuǎn)子磁極組裝完后電機具有均勻的氣隙來保證電機的性能，因此還專門設(shè)計了疊壓工裝，將各個轉(zhuǎn)子單元模塊裝入轉(zhuǎn)子支架上的磁軛T 尾槽上，即完成了轉(zhuǎn)子磁極模塊的裝配；電機定子整體澆注灌封絕緣工藝：將電機繞組浸漆工藝改成電機繞組真空澆注灌封工藝，灌封流程結(jié)合精確的灌封控制條件，使電機繞組及定子鐵芯成為一體。首先增加了電機絕緣強度，使用特殊的灌封樹脂提高了變頻電機的耐電暈性能、大大提高變頻電機的絕緣老化壽命，其次利于繞組整體散熱，最后耐沖擊、抗振動。

3 經(jīng)濟和社會效益情況

火電廠輔機系統(tǒng)選用永磁直驅(qū)同步電機的驅(qū)動方式可最大化發(fā)揮變頻調(diào)速的優(yōu)勢和省去中間環(huán)節(jié)的效率損耗。極大提高設(shè)備的可靠運行，降低電能損耗、降低維護成本、延長維護周期，符合國家鼓勵自主技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)政策、符合國家節(jié)能降耗戰(zhàn)略要求，具有很高的經(jīng)濟效益。

3.1 帶式輸送機永磁直驅(qū)系統(tǒng)

帶式輸送機系統(tǒng)膠帶機及永磁直驅(qū)系統(tǒng)節(jié)能效益：現(xiàn)場19條膠帶機，如采用傳統(tǒng)三相異步電動機+液力耦合器+減速器驅(qū)動方案，則三相異步電動機裝機總功率至少為4905kW；如采用變頻器+永磁同步變頻電動機的永磁直驅(qū)系統(tǒng)驅(qū)動方案，則永磁同步變頻電動機裝機總功率為4405kW。由此可至少降低10%的裝機總功率。采用永磁直驅(qū)系統(tǒng)后相比于異步電機驅(qū)動系統(tǒng)節(jié)能效益可達12%，按照帶式輸送機平均80%負載率，每年運行330天、每天10小時、每度電0.27元考慮，帶式輸送機系統(tǒng)每年可節(jié)約電能1941165kWh，總節(jié)電效益52.4115萬元；現(xiàn)系統(tǒng)已穩(wěn)定運行1年多。

煙氣提水機力通風冷卻塔設(shè)備永磁直驅(qū)系統(tǒng)：根據(jù)設(shè)計院提供的煙氣提水機力通風冷卻塔設(shè)備參數(shù)，單臺風機軸功率為115kW，配套電機額定功率160kW，16臺風機總軸功率1840kW，總裝機功率2560kW。采用永磁直驅(qū)系統(tǒng)后，考慮到通風冷卻塔在不同季節(jié)、不同環(huán)境溫度工況下開機率及運行負載的不同，總體節(jié)能率約為8%，按照每年運行330天、每天8小時、每度電0.27元考慮，每年可節(jié)約電能514514.82kWh，節(jié)電效益13.8919萬元。目前煙氣提水機力通風冷卻塔永磁直驅(qū)系統(tǒng)已累計運行1年。

脫硫吸收塔攪拌機設(shè)備永磁直驅(qū)系統(tǒng)：側(cè)攪拌機設(shè)備配套永磁直驅(qū)系統(tǒng)分別為10臺55kW 永磁同步電機、3臺37kW 永磁同步電機，總裝機功率661kW。按照攪拌機平均負載率80%(即總運軸功率528kW)、每年5500小時、每度電0.27元考慮，每年可節(jié)約電能222365kWh，節(jié)電效益6.0039萬元，目前設(shè)備已累計運行1年有余。

濕式球磨機永磁直驅(qū)系統(tǒng)：煙氣脫硫工程的2臺φ3.2mX6.2m 球磨機，分別配套1臺QTVF-630L/40YC(6000)永磁同步變頻電動機，額定功率800kW。球磨機運行負載率90%(即總運軸功率720kW)、每年運行330天、每天8小時、每度電0.27元考慮，兩套永磁直驅(qū)系統(tǒng)每年可節(jié)約電能466304kWh，節(jié)電效益12.59萬元。目前2套球磨機設(shè)備已累計運行1年。

永磁直驅(qū)電機維護費用對比：永磁直驅(qū)電機取消了中間傳動減速機，簡化傳動系統(tǒng)，節(jié)約減速機、潤滑油的采購成本，減少日常維護及檢修的成本，每年可節(jié)約潤滑油費用46600元，人工維護費用126000元，合計172600元。

電廠帶式輸送機、煙氣提水機力通風冷卻塔、脫硫吸收塔側(cè)攪拌器、球磨機設(shè)備共計使用永磁直驅(qū)系統(tǒng)58套，總裝機功率9226kW，經(jīng)計算，每年節(jié)電效益可達約84.9萬元，節(jié)約材料及維護費用約17.26萬元，每年創(chuàng)造效益可達102.16萬元。

綜上，京能五間房電廠一期2×660MW 機組帶式輸送機、濕式球磨機、機力通風冷卻塔及脫硫吸收塔攪拌器等設(shè)備上大量應用永磁直驅(qū)傳動裝置，取消了減速機、機械軟起裝置等中間環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了真正意義上的免維護。系統(tǒng)采用矢量控制技術(shù)，起動轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)響應快，過載能力強，在多機驅(qū)動情況下，通過主從控制自動實現(xiàn)功率平衡，使設(shè)備保持高可靠性。永磁同步電機高效節(jié)能，電機效率達到一級能耗（IE4）標準，該系統(tǒng)在代替?zhèn)鹘y(tǒng)的驅(qū)動方式上可實現(xiàn)節(jié)能15%以上。達到了進一步落實國家節(jié)能降耗的要求，為大型發(fā)電機組輔機系統(tǒng)中的大量應用提供了成功應用案例，未來將得到快速發(fā)展和廣泛應用。