空冷島永磁直驅(qū)系統(tǒng)的選型及應(yīng)用

郝吉祥

摘 要：隨著永磁材料的發(fā)展，永磁電動(dòng)機(jī)因體積小、重量輕、低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，以永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式取代傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)方式的應(yīng)用也日趨廣泛。若將直接空冷機(jī)組的空冷島風(fēng)機(jī)減速機(jī)傳動(dòng)方式改造為永磁電動(dòng)機(jī)直接直驅(qū)動(dòng)，將大大提高空冷系統(tǒng)的效率并解決因減速機(jī)故障帶來的各種問題。本文以300MW機(jī)組為例，就空冷風(fēng)機(jī)減速機(jī)改造永磁直驅(qū)系統(tǒng)的選型及應(yīng)用進(jìn)行分析，為今后空冷風(fēng)機(jī)減速機(jī)改造提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：空冷系統(tǒng);永磁電動(dòng)機(jī);直接驅(qū)動(dòng);無傳感器控制

中圖分類號(hào)：TM351 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）21-0164-02

0 引言

直接空冷機(jī)組采用直接空冷系統(tǒng)，汽輪機(jī)的排汽直接進(jìn)入空冷凝汽器?？绽淠髋渲靡慌_(tái)大直徑軸流風(fēng)機(jī)（又稱“空冷風(fēng)機(jī)”），通過強(qiáng)制通風(fēng)實(shí)現(xiàn)熱交換。這種冷卻方式因其節(jié)水效果顯著在北方干旱地區(qū)被大量應(yīng)用。300MW機(jī)組典型配置6個(gè)單元，每個(gè)單元5臺(tái)，共30臺(tái)，形成一個(gè)風(fēng)機(jī)群。數(shù)量龐大的空冷風(fēng)機(jī)耗電量約占機(jī)組發(fā)電容量的1.5%左右[1]，占機(jī)組的廠用電率的11%左右。因此，提高空冷系統(tǒng)的效率是降低機(jī)組的廠用電率的重要途徑之一。隨著永磁材料的發(fā)展，永磁體的磁能密度越來越高，永磁電動(dòng)機(jī)的性能越來越好。由永磁電動(dòng)機(jī)和變頻器組成的永磁直驅(qū)系統(tǒng)來取代由變頻器、異步電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)組成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，省去了減速機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)備介紹

直接空冷系統(tǒng)由空冷凝汽器、軸流風(fēng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、低壓變頻器及配電系統(tǒng)構(gòu)成。軸流風(fēng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用立式安裝，如圖1所示。300MW機(jī)組典型配置6個(gè)單元，每個(gè)單元5臺(tái)，共30臺(tái)，布置在空冷島平臺(tái)上，如圖2所示。

2 運(yùn)行中存在的主要問題

以某地區(qū)直接空冷機(jī)組近幾年的運(yùn)行情況來看，減速機(jī)的故障問題最為突出，空冷風(fēng)機(jī)減速機(jī)齒輪箱漏油問題時(shí)有發(fā)生，使空冷島下方的懸掛式絕緣子、變壓器、配電箱、避雷器設(shè)備表面及地面都受到了油污污染。減速機(jī)齒輪箱濾網(wǎng)及油管堵塞也屬常見故障，并會(huì)造成風(fēng)機(jī)跳閘。運(yùn)行幾年后，減速機(jī)因齒輪箱內(nèi)部齒輪磨損會(huì)造成傳動(dòng)效率下降，內(nèi)部齒輪損傷嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起風(fēng)機(jī)振動(dòng)，危及風(fēng)機(jī)設(shè)備安全運(yùn)行。隨著空冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加，以上故障發(fā)生頻次也在逐漸增加。空冷島平臺(tái)距地面較高、檢修難度大，且減速機(jī)維修周期長(zhǎng)維修費(fèi)用高。解決減速機(jī)的故障問題已迫在眉睫。

3 永磁電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

電動(dòng)機(jī)是以磁場(chǎng)為媒介進(jìn)行電能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換的電磁裝置，為在電機(jī)內(nèi)建立進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換所必需的氣隙磁場(chǎng)可有兩種方法：一種是在電機(jī)繞組內(nèi)通以電流來產(chǎn)生磁場(chǎng)，如普通的直流電機(jī)，同步電機(jī)和異步電機(jī)等;另一種是由永磁體來產(chǎn)生磁場(chǎng)，即永磁同步電機(jī)。由于永磁材料的固有特性，在預(yù)化充磁后不需要外加能量在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，永磁電動(dòng)機(jī)通過永磁體來建立磁場(chǎng)[2]，相比較傳統(tǒng)的交流異步電動(dòng)機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

3.1 效率高

（1）由于永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生的，從而避免電流來產(chǎn)生磁場(chǎng)而導(dǎo)致的勵(lì)磁損耗〔銅耗〕。（2）永磁同步電動(dòng)機(jī)的高效區(qū)寬，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍在25%～100%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，效率達(dá)到95%～97%，而異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍在70%～100%額定轉(zhuǎn)速時(shí)效率在88%左右，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于70%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，效率會(huì)急劇下降。所以永磁同步電動(dòng)機(jī)輕載時(shí)效率值要比異步電動(dòng)機(jī)高很多，這是永磁同步電機(jī)在節(jié)能方面相比異步電機(jī)最大的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

3.2 低轉(zhuǎn)速

感應(yīng)電機(jī)的氣隙磁密對(duì)氣隙變化敏感，為了加工的需要，電機(jī)磁極數(shù)越多，電機(jī)越大，氣隙越大（一般氣隙和電機(jī)極數(shù)的0.5次方成正比）。當(dāng)電機(jī)極數(shù)超過10極時(shí)，勵(lì)磁電抗下降的很快，進(jìn)而使得電機(jī)的功率因數(shù)和效率都很低，因此常見的感應(yīng)電機(jī)極數(shù)一般不超過10極。永磁電動(dòng)機(jī)的氣隙磁密對(duì)氣隙的變化不太敏感，即氣隙增大氣隙磁密基本不變，永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速始終為n=60f/p不變，式中f設(shè)定頻率，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。因此永磁電動(dòng)機(jī)可以設(shè)計(jì)成多極電機(jī)，實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速，直接驅(qū)動(dòng)低轉(zhuǎn)速負(fù)載。

4 永磁直驅(qū)系統(tǒng)的選型

永磁直驅(qū)系統(tǒng)由永磁電動(dòng)機(jī)和調(diào)速變頻器構(gòu)成的。因此永磁直驅(qū)系統(tǒng)選型為永磁電動(dòng)機(jī)和變頻器的選型，改造后的設(shè)備必須與原系統(tǒng)設(shè)備配套?？偨Y(jié)有以下注意事項(xiàng)：

（1）永磁同步電動(dòng)機(jī)重量應(yīng)受控，滿足空冷島平臺(tái)的載荷要求。（2）改造后設(shè)備結(jié)構(gòu)、安裝尺寸必須與原設(shè)備、系統(tǒng)以及附件相兼容匹配。（3）設(shè)備的選型要結(jié)合原設(shè)備、系統(tǒng)參數(shù)確定，以實(shí)現(xiàn)改造后系統(tǒng)整體運(yùn)行參數(shù)最優(yōu)。（4）改造后設(shè)備的結(jié)構(gòu)及安裝位置應(yīng)合理，方便后期的拆裝和檢修工作。（5）調(diào)速變頻器控制方式符合空冷風(fēng)機(jī)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的運(yùn)行特性。

4.1 永磁電動(dòng)機(jī)的選型（以300MW機(jī)組為例）

根據(jù)原系統(tǒng)設(shè)備的參數(shù)見表1所示，永磁電動(dòng)機(jī)的選型必須滿足以下要求：

（1）永磁電動(dòng)機(jī)的額定功率選擇。永磁電動(dòng)機(jī)的額定功率計(jì)算公式為：P=KN/η，式中，N為風(fēng)機(jī)軸功率，η為電動(dòng)機(jī)效率取0.9，K為功率儲(chǔ)備系數(shù)取1.2，代入公式得：

P=1.2×94.2kW/0.9=125.6kW

電機(jī)的額定功率選定為132kW。

（2）永磁電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速選擇。原系統(tǒng)變頻器的運(yùn)行頻率為10-55Hz，風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為74r/min，可計(jì)算得到：

風(fēng)機(jī)的最小轉(zhuǎn)速：Nfmin=10Hz/50Hz×74r/min=14.8r/min

風(fēng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速：Nfmax=55Hz/50Hz×74r/min=81.4r/min

因改造后永磁電動(dòng)機(jī)與空冷風(fēng)機(jī)直聯(lián)，永磁電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍為14.8-81.4r/min 永磁電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速選定為82r/min。

（3）永磁電動(dòng)機(jī)的重量要求。考慮空冷島平臺(tái)的載荷要求，永磁電動(dòng)機(jī)的重量應(yīng)小于異步電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)的重量之和，永磁電動(dòng)機(jī)的重量應(yīng)小于1200kg+1000kg=2200kg。

按照以上3點(diǎn)要求，并綜合考慮永磁電動(dòng)機(jī)的外型尺寸、轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)及可靠性要求，永磁電動(dòng)機(jī)的最終參數(shù)確定為：額定功率：132kW額定轉(zhuǎn)速82r/min額定電壓380V電機(jī)極數(shù)：32變頻范圍：0-22Hz電機(jī)重量：2000kg。

4.2 調(diào)速變頻器的控制方式選擇

目前，永磁同步電機(jī)的主要控制方法有V/f控制、矢量控制（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）。三種控制方式的特點(diǎn)如下：

V/f控制一種簡(jiǎn)單方便的開環(huán)無需位置傳感器的控制方法，它是利用同步電機(jī)的自穩(wěn)定性來控制電機(jī)運(yùn)行。但是由于無法保證同步電機(jī)工作在穩(wěn)定區(qū)，所以存在失步風(fēng)險(xiǎn)，且功率因數(shù)和效率也較低，一般適用于高速且性能要求不高的調(diào)速系統(tǒng)中，如風(fēng)機(jī)、水泵等[3]。矢量控制時(shí)電機(jī)所產(chǎn)生的電磁力矩平穩(wěn)，電機(jī)可以運(yùn)行的轉(zhuǎn)速較低，調(diào)速范圍較寬。電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，所有電流均用來產(chǎn)生電磁力矩，可以充分利用電機(jī)過載能力，提高電機(jī)起動(dòng)、制動(dòng)速度，保證電機(jī)具有優(yōu)良的起動(dòng)、制動(dòng)性能。但是矢量控制是閉環(huán)控制，需要對(duì)電壓、電流、轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速等物理量進(jìn)行測(cè)量并形成反饋。無傳感器矢量控制方式更是免去了傳感器帶來的種種麻煩，提高了控制系統(tǒng)的可靠性，降低了控制系統(tǒng)成本[4]。直接轉(zhuǎn)矩控制時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩不可避免地存在脈動(dòng)，直接影響電機(jī)低速運(yùn)行平穩(wěn)性和調(diào)速范圍。直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單明了，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)比矢量控制更加迅速，但是直接轉(zhuǎn)矩控制以開關(guān)選擇表為基礎(chǔ)，所能施加的電壓矢量數(shù)量非常有限，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩與磁鏈的波動(dòng)比矢量控制要大的多。

鑒于以上3種控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，矢量控制更符合空冷風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性，因此永磁電機(jī)調(diào)速變頻器選擇無傳感器矢量控制方式。

5 改造效果分析

根據(jù)本文第3節(jié)的分析，永磁同步電動(dòng)機(jī)輕載時(shí)節(jié)能效果更顯著，因此改造后的總體節(jié)能效果將優(yōu)于滿載運(yùn)行。滿載運(yùn)行時(shí)的節(jié)能量初步計(jì)算為：

（160-132）kW/160kW×100%=17.5%

改造后空冷系統(tǒng)各負(fù)荷段綜合節(jié)能效果大于17.5%，節(jié)能效果顯著。與原系統(tǒng)相比，永磁直驅(qū)系統(tǒng)由于不再配置減速機(jī)，即無需定期加油，無減速機(jī)漏油污染，免去了減速機(jī)檢修之困擾，維護(hù)工作量和維護(hù)成本大幅度降低。

6 結(jié)語

我國(guó)是世界上特有的的稀土大國(guó)，在永磁材料和永磁電機(jī)領(lǐng)域具有極大的發(fā)展?jié)摿?。隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，永磁直驅(qū)系統(tǒng)技術(shù)逐漸趨向成熟，系統(tǒng)研發(fā)占設(shè)備費(fèi)用比重逐漸下降，永磁直驅(qū)系統(tǒng)費(fèi)用逐年在降低。變頻器的設(shè)計(jì)壽命一般為10年，空冷減速機(jī)的設(shè)計(jì)壽命為12年，目前，許多直接空冷機(jī)組已累計(jì)運(yùn)行超過10年，空冷減速機(jī)和變頻器都面臨報(bào)廢更新?？绽鋶u風(fēng)機(jī)耗電量大和減速機(jī)的故障問題已引起了廣泛重視，在空冷設(shè)備更新改造過程中，結(jié)合本廠設(shè)備的具體情況，借鑒其他發(fā)電公司更新改造成功的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，合理的進(jìn)行設(shè)備選型，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，降低發(fā)電成本，提升經(jīng)濟(jì)效益。

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