永磁電機在水利大型低揚程水泵上的適用性

李玲玉

(上海友為工程設計有限公司，上海 200093)

近年來，隨著永磁材料性能改善和電力電子技術的發展，永磁電機的應用范圍已越來越廣，其地位也越來越重要，從軍工到民用，從特殊到一般，迅速擴大，不僅在微特電機中占有優勢，還在電力推進系統中顯示出其強大的生命力。特別是近20年來，現代永磁電機技術有了永磁材料和周邊技術的支撐，形成了快速發展的勢頭，并使永磁電機向大功率、大轉矩、耐高溫和智能化等方向不斷發展[1]。在航空航天、國防軍事、風力發電、高鐵、汽車工業、石油化工等行業得到廣泛應用[2-4]。

目前，永磁電機在水利泵站中的應用實例不多，較早的有南水北調韓莊泵站[5]，近期在上海幾座中型泵站得到了應用。其中，由于大型高壓永磁電機在水利泵站中應用實例較少，故文章結合某在建大型豎井貫流泵參數，對高壓永磁電機在大型低揚程水泵上的適應性問題做研究分析。

1 永磁電機結構及特點

永磁電機是由永磁體建立勵磁磁場，利用磁引力拉動轉子旋轉，永磁轉子跟隨定子產生的旋轉磁場同步旋轉，從而實現機電能量轉換的裝置。永磁電機與異步電機的主要區別在轉子結構上，異步電機為鼠籠式轉子，永磁電機為嵌入或表貼磁鋼式轉子，這種方式對于繞組的工藝要求一般，簡化了電機結構。永磁電機結構如圖1所示。

圖1 永磁電機結構

永磁電機由于轉子采用永磁體制成，不需要勵磁電流，消除了勵磁損耗。與異步電機相比，大幅度減少了無功電流，效率高(關系有功電能)和功率因素高(關系無功電能)。與傳統的電勵磁電機相比，其具有結構簡單、運行可靠、體積小、質量輕、損耗少、效率高及功率因數高等顯著特點，電機的形狀和尺寸可以靈活多樣，應用范圍廣泛。

2 大功率永磁電機應用現狀

永磁電機由于其自身原理與結構優勢，具有體積更小、效率更高、噪音低、易于遠程控制、重量輕等特點。基于以上優點，大功率永磁電機在風電、高鐵及火電上的應用已經逐漸發展起來，在各行業的使用特點與在水泵上的使用特點見表1。

表1 各行業永磁電機的應用對照表

3 永磁電機在水利行業大型水泵上的適應性分析

3.1 永磁電機優勢分析

近年來，國內單泵流量在10m3/s以上的大型低揚程水泵常采用豎井貫流泵、燈泡貫流泵、立式軸流泵和斜式軸流泵。其中，由于豎井貫流泵開挖深度較小、流道水力損失小、安裝運行維護較方便，采用豎井貫流泵的案例越來越多。而豎井貫流泵的一般運行轉速低于200r/min，受豎井空間限制，豎井貫流泵多采用異步電機配套齒輪箱減速的組合方式。表2是針對永磁電機的優勢，與水利行業大型水泵常規電機方案進行的定性比較。

表2 永磁電機在水利行業大型水泵中優勢定性分析

3.2 永磁電機和配套變頻器應用的關鍵問題

3.2.1永磁體退磁

如果設計或使用不當，永磁電機在過高(釹鐵硼永磁)或過低(鐵氧體永磁)溫度時，受到沖擊電流產生電樞反應作用，或在化學作用下都有可能產生不可逆退磁，或叫失磁，使電機性能降低，甚至無法使用。

在高溫方面，電機冷卻方式有多種[6-7]，有自然風冷、強制風冷和水冷，其中水冷效果較好。根據韓莊泵站應用情況，永磁材料可控制在不可逆退磁的溫度限值以下，避免不可逆退磁的發生，但長期運行溫度升高導致的可逆退磁對機組耗能及效率的影響也較為明顯[8]。

在大電流沖擊方面，水利行業永磁電機基本均配備變頻器，可較好地控制電流對磁鋼產生的影響。若遇到電機發生短路故障或瞬時過載產生的沖擊電流，電機設計時由廠家復核或加強設計，并在制動回路中加入制動電阻消耗多余的能量。

在防腐方面，基本水利行業基本無特殊環境工況，且通過對永磁體表面防護特殊處理和磁極整體保護，可以有效避免這些化學因素的影響。

3.2.2制造難點

永磁電機在制造上還存在較多難點，如永磁材料利用率的提高、永磁體分散性給永磁電機的設計分析和磁場數值計算準確性帶來的影響、充磁后磁場的均勻性等磁性能及其檢測方法、永磁體的加工工藝及磁鋼裝配，都需要更多的深入研究和實踐經驗的積累。

3.3 變頻器的可靠性

由于變頻器使用的電子元件是有使用壽命的，同時安裝環境、電網電壓等因素影響變頻器的使用壽命。變頻器的壽命不是說變頻器的設計壽命，而是在不同的工業環境下使用的壽命，即實際的使用年限。并且此壽命并不是一個立即生效的時間，而是根據故障率的大幅提高來判定的。在變頻器6～8年的老化故障期故障率相比平穩期的隨機故障率為15倍左右，備件替換頻繁。為確保變頻器可靠連續運行，延長使用壽命，需對日常的維護保養提出較高要求[9-10]。

3.4 技術及經濟性比較

以上海某泵站為例，對豎井貫流泵分別采用永磁電機配套變頻器方案與異步電機配套齒輪減速箱方案，并對兩種方案的尺寸、性能等差異進行對比分析，詳見表3。

表3 機電部分技術及投資成本對比表

(續表)

從電機設備技術指標角度看，同類型技術指標的異步電機應用廣泛，相似技術指標永磁電機在火力發電有應用。

從設備布置角度看，永磁電機配套變頻器方案和異步電機配套齒輪減速箱方案，泵組都能較好布置，但變頻器所占電氣設備用房面積較大。

從運行性能角度看，總體上永磁電機配套變頻器方案較好，尤其雙向運行，有一定優勢；異步高速電機配套齒輪減速箱方案能滿足性能要求。

從運行維護角度看，永磁電機配套變頻器方案對環境要求較高。

從經驗實例角度看，目前常規低揚程大流量泵站配套的永磁電機的電壓等級、功率與火力發電應用實例相近，但使用年限不長；異步電機配套齒輪減速箱方案有很成熟的應用。

從經濟角度看，兩個方案初期一次投資費用接近，20年同壽命周期永磁電機配套變頻器方案投資費用較大，但由于其可實現無極調速功能，提高水泵效率，同時電機效率較高、功率因素高，年運行小時數多時泵站的年節電量高。

4 結論與建議

(1)永磁電機有其技術先進性及突出的優點，電機體積小、額定效率高，高效運行的負載范圍寬、功率因數高、節能回報高、噪音低等在低揚程大型水泵上有一定的優勢，特別是在采用葉片正反轉的雙向水泵可實現，年運行小時數多時節電效果明顯。

(2)永磁電機應用的技術難點主要在退磁、電機的分析與設計和制造裝配工藝上。韓莊泵站中壓電機的運行經驗說明，長期運行溫度升高導致的可逆退磁對機組耗能及效率的影響較為明顯。水利泵站工程目前在高壓大功率上無運行經驗，需要一個經驗積累完善的過程。

(3)配套變頻器使用的電子元件是有使用壽命的，受安裝環境、電網電壓等因素影響大，對日常維護保養要求高。