低速大扭矩永磁電機在低速泵上的應用

王祥來 高林鋼

摘?要：水利工程或相關工程中使用的低速泵，絕大多數是依靠異步電機+減速機或直接采用低速異步電機來驅動的，此類低速泵系統存在效率低、功率因數小、振動噪音高、體積大等問題。上海市堤防（泵閘）設施管理處在工程實施中，通過技術、經濟、能效、安全可靠、智能環保等方面分析比較，成功地將低速大扭矩永磁電機驅動系統應用于低速泵。該驅動系統具有系統效率高、功率因數大、節能高效、振動噪音低、體積小、運行安全可靠等諸多優點。投入運行后取得了十分明顯的經濟效益、社會效益和環保效益，有效解決了異步電機驅動系統存在的問題，提升了低揚程、大流量泵閘類水利工程用低速泵的整體性能，可在該領域推廣應用。

關鍵詞：永磁電機;異步電機;低速泵;推廣應用

中圖分類號：TV675;TM351?文獻標志碼：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

在引水調水、防洪排澇、污水處理、農田灌溉、河道治理、環境保護等方面，低揚程、大流量泵被大量使用[1]，且多為400 r/min以下的低速泵[2]。通常，低速泵絕大多數是依靠異步電機+減速機或直接采用低速異步電機來驅動的[3]。此類低速泵系統效率低、振動噪音高，用低速異步機直接驅動，效率低、功率因數小、體積大、維護工作量大等問題[4]比較突出。

低速大扭矩永磁電機驅動系統[5]采用的是一種由低速永磁同步電機直接驅動低速泵的新式傳動技術，免去了減速機這一傳統部件。該驅動系統具有效率高、功率因數大、節能高效、振動噪音低、體積小、運行安全可靠、智能控制、智能監控、智能維護等[6]諸多優點。采用無減速機的直驅方式能有效地減少因齒輪箱磨損而造成的機組故障[7]，提高系統運行的可靠性和壽命，減少維護成本[8]，因而在水利工程或相關工程中越來越受到關注[9-10]。上海市堤防（泵閘）設施管理處在上海西大盈泵閘工程實施中，成功地將低速大扭矩永磁電機驅動系統應用于低速泵，投入運行以來取得了十分明顯的經濟效益、社會效益和環保效益，有效解決了異步電機驅動系統存在的問題，提升了低揚程、大流量泵閘類水利工程用低速泵的整體性能。

2?低揚程、大流量低速泵在水利工程中的應用現狀

2.1?異步電機+減速機的豎井貫流泵

異步電機+減速機的豎井貫流泵結構形式及工程應用見圖1。該類豎井貫流泵一般采用4極至8極的異步電機+減速機來實現驅動，軸向長度大，減速機齒輪易磨損，需要定期更換潤滑油，維護工作量大，維護成本高，系統效率較低。因為有高速旋轉和摩擦部分，所以振動噪音高，系統效率較低。

2.2?異步電機直驅的斜軸泵

異步電機直驅的斜軸泵結構形式及工程應用見圖2。該類異步電機直驅的斜軸泵所采用的異步電機轉速一般在200～300 r/min之間，雖然低速異步電機直驅省去了減速機，但低速多極異步電機受結構、工藝、散熱等多因素影響，電機結構復雜，工藝難度大，且電機體積大，質量大，效率低，功率因數cos Φ極小（一般為0.6左右，低負載時更低，需要配置大功率無功補償），且電機無功電流大，在輸配電方面至少要加大1/3的容量。

2.3?立式低速異步電機驅動的立式軸流泵

立式低速異步電機驅動的立式軸流泵結構形式及工程應用見圖3。該類立式低速異步電機驅動的立式軸流泵與異步電機直驅的斜軸泵一樣，存在低速多極電機結構復雜、工藝難度大，且電機體積大、質量大、效率低、功率因數cos Φ極小等缺點。

2.4?異步電機+減速機和低速異步電機直驅的潛水貫流泵

異步電機+減速機和低速異步電機直驅的潛水貫流泵，系統振動、噪音高的問題更加突出，且結構更加復雜。而低速異步電機結構，主要受異步電機體積大的影響，流道截面面積減小等問題比較突出。

3?低速大扭矩永磁電機的巨大優勢

3.1?永磁電機的發展及應用

永磁電機是由永磁體建立勵磁磁場從而實現機電能量轉換的裝置。自1983年磁性能更高而價格相對較低的高效釹鐵硼永磁材料問世后，國內外研究開發的重點轉移到工業和民用永磁電機上，近十年來在各類行業中得到了較多的應用。高效釹鐵硼永磁同步電動機在額定負載時的效率比同規格的感應式異步電動機提高2%～8%，且它在25%～120%額定負載范圍內均可保持較高的效率和較大的功率因數，使得輕載運行時節能效果更為顯著。

永磁電機在低速大扭矩方面優勢非常明顯（這里所指的低速一般指400 r/min以下的轉速，50 r/min以下一般稱為超低速），非常適合作為水利工程中的低揚程、大流量低速泵（轉速一般為150～400 r/min）的驅動系統，在工程應用中具有效率高、功率因數大、節能高效、振動噪音低、體積小、運行安全可靠等特點。

3.2?低速永磁電機與低速異步電機定、轉子結構比較

為了進一步分析低速大扭矩永磁電機的特點，下面結合20極永磁電機和20極異步電機定、轉子具體結構的差異，剖析永磁電機的優勢。圖4為永磁電機的定子和轉子，圖5為異步電機的定子和轉子。

異步電機定子一般有120個以上線圈，轉子銅排一般也在100根以上。相比永磁電機，異步電機的定、轉子工藝都復雜得多，一般電機廠家難以制作。尤其是異步電機轉子轉動時，轉子銅排有低壓大電流，轉子還有渦流，并產生大量的熱量，這就帶來了棘手的散熱問題（一般采取徑向、軸向式導出體外等綜合散熱措施），不得不加大轉子體積。而永磁電機轉子無需散熱，使得工藝、結構大大簡化，且安全可靠性提高。

3.3?低速永磁電機應用在低速泵上的優勢

低速永磁電機在低速泵上應用，具有以下優勢：①體積小，質量小，易于安裝，對基礎等配套設施要求低，例如20極300 r/min的低速永磁電機的質量僅相當于同轉速異步電機的1/2到1/3;②節能高效，永磁電機一般效率在96%以上，功率因數在0.97以上，而異步電機效率在92%以下，功率因數在0.66左右;③低振動噪音，低揚程大流量低速泵采用永磁電機驅動系統，沒有高速運轉部分，其電機本身噪音與振動較低，同時取消了減速機與其他傳動裝置，消除了減速機和其他傳動裝置的振動與噪音，使整個傳動系統振動、噪音更低;④由于永磁電機結構簡單，轉子不存在散熱問題，因此運行更加安全可靠，維護工作量小;⑤易于智能控制，采用專用變頻器，控制調速方便，故障保護功能齊全，起動轉矩大，調速范圍廣，系統運行安全穩定;⑥由于轉子沒有感應電流，因此轉子不發熱，溫升低，易于散熱;⑦由于無功電流很小，電機總電流比異步電機少1/3以上，從而可減少對上游的輸配電（包括變壓器、開關、電纜等）容量要求，使輸配電系統投資減小。

4?成功案例分析

在上海西大盈泵閘工程實施中，首次將日照東方電機有限公司研發的低速大扭矩永磁電機驅動系統應用于潛水貫流泵。這一新驅動系統方案與此項目原有方案（異步電機）相比，具有體積小，流量大，效率高，結構緊湊，噪音低，安全可靠等優點。

4.1?泵閘工程概況

西大盈泵閘位于上海市青浦區趙屯鎮蔡家村。西大盈河北接吳淞江，南連黃浦江上游，全長約50 km，是青浦區境內一條骨干河道。新建泵閘由15 m3/s雙向泵站和12 m節制閘組成，其主要任務是防洪排澇、引排水改善水環境，兼顧通航。泵站共設3臺雙向潛水貫流泵（見圖6），單泵設計流量5 m3/s，正向設計揚程1.6 m，反向設計揚程1.0 m。配套電機功率為250 kW，電壓等級0.4 kV。泵組葉輪中心安裝高程為-0.5 m。為滿足水泵運行要求，水泵兩側流道各設一道工作閘門，均采用液壓啟閉方式。

4.2?永磁電機與普通異步電機的設計參數及結構比較

永磁電機與普通異步電機的設計參數比較見表1。

4.3?實際運行情況

在完成泵站設備安裝及聯動調試后，泵閘進行了連續24 h試運行。在24 h連續負載運行的條件下，泵組運行情況見表2。

在完成新系統的安裝與調試之后，實際運行中，新系統大幅減少了輸配電配套設施成本。

（1）原變壓器選用1 000 kVA變壓器，采用永磁電機后，使用800 kVA變壓器。

（2）由于電流減小幅度比較大，因此電纜及開關選用規格比原先降低。

4.4?評估分析

上海電器設備檢測所對該低速大扭矩永磁電機驅動系統進行了評估分析，并與異步電機驅動系統比較，結果顯示：貫流系（永磁直驅電動機）的有功功率下降9 kW，節能率10.3%;貫流系（永磁直驅電動機）的無功功率下降253.5 kVar，節能率78.8%;異步電機綜合功率為106.7 kW，貫流系（永磁直驅電動機）綜合功率為82.5 kW，綜合節能率為22.7%;貫流系（永磁直驅電動機）的噪音下降6.1 dB;貫流系（永磁直驅電動機）的單小時用電量有所下降，下降幅度為9 kW·h/h;貫流系（永磁直驅電動機）的輸送單位水量所需功率有所下降，下降幅度為8.3%。

從以上設計計算和實際運行情況看，采用潛水永磁電機作為貫流泵的配套電機，實現了電機運行的低溫升、低振動噪音，不僅解決了以往異步電機功率因數過小、無功功率過大的問題，而且實現了節能20%以上的目標。

5?結?語

低速大扭矩永磁電機驅動系統應用于低速泵，具有系統效率高、功率因數大、節能高效、振動噪音低、體積小、運行安全可靠等諸多優點。以上海西大盈泵閘工程作為實際案例進行分析，該工程投入運行以來，取得了十分明顯的經濟效益、社會效益和環保效益，有效解決了異步電機驅動系統存在的問題，提升了低揚程、大流量泵閘類水利工程用低速泵的整體性能，證明采用低速大扭矩永磁電機驅動系統驅動的低速泵具有較大優勢，必將在該領域得到推廣與應用。

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【責任編輯?許立新】