永磁直驅同步電機在火電廠輔機系統中的研究與應用

京能（錫林郭勒）發電有限公司 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電機系統，極大提高設備可靠性，大大減少維護費用，相同條件下較異步電動機可節約電能15%，經濟效益十分顯著。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，設備選型開始就對電廠所用的傳動設備進行了嚴格對比，經過對多種驅動方案的比較，在輔機系統中采用永磁傳動裝置的方案是所有方案中最節能也是驅動環節最簡單的一種方案。

1 永磁同步電機的技術原理

永磁同步電機是永磁體勵磁產生同步旋轉磁場的同步電機，永磁體作為轉子產生旋轉磁場，三相定子繞組在旋轉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生電壓降。由三相交流電產生的旋轉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生感應電動勢；另一方面以電磁力拖動轉子以同步轉速旋轉。電樞電流還會產生僅與定子繞組相交鏈的定子繞組漏磁通，并在定子繞組中產生感應漏電動勢。此外，轉子永磁體產生的磁場也以同步轉速切割定子繞組，從而產生空載電動勢。

永磁同步電機控制方式為開環矢量控制，轉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換，將永磁電機的定子電流分解為勵磁電流分量（id）和轉矩電流分量（iq），并使兩個分量相互垂直彼此獨立，然后分別調節。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生的單位矢量來得到旋轉坐標下的轉矩電流分量和磁場電流分量，最后再經過2/3變換產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生旋轉磁場，轉子旋轉磁場中受到電磁力作用運動，此時電能轉化為動能。

2 永磁直驅同步電機關鍵技術和創新點

2.1 關鍵技術

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

電機定子采用分數槽集中繞組結構，使電機線圈端部減小，使電機結構緊湊；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、負載沖擊等惡劣環境下安全使用；轉子采用了內嵌式磁極掛極結構，并通過磁極結構應力場仿真技術合理設計轉子磁極結構，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 創新點

帶式輸送機為國內首例火電廠集群式永磁直驅伺服帶式輸送機系統；機力通風塔冷卻風機為永磁直驅伺服立式冷卻塔風機；硫側攪拌器和球磨機均采用永磁直驅伺服電機；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，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、外磁路的結構和尺寸以及兩者之間的配合關系；分數槽集中繞組結構：在電樞繞組設計上研究多極少槽結構，實現電樞繞組單齒繞，這種結構由于端部不重疊，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子結構：電機的磁極是模塊化結構，在組裝時采用T 尾式掛極結構，因此在磁極沖片疊裝過程中要嚴格保證內外圓的同心度，以保證當所有的轉子磁極組裝完后電機具有均勻的氣隙來保證電機的性能，因此還專門設計了疊壓工裝，將各個轉子單元模塊裝入轉子支架上的磁軛T 尾槽上，即完成了轉子磁極模塊的裝配；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 經濟和社會效益情況

火電廠輔機系統選用永磁直驅同步電機的驅動方式可最大化發揮變頻調速的優勢和省去中間環節的效率損耗。極大提高設備的可靠運行，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發展的產業政策、符合國家節能降耗戰略要求，具有很高的經濟效益。

3.1 帶式輸送機永磁直驅系統

帶式輸送機系統膠帶機及永磁直驅系統節能效益：現場19條膠帶機，如采用傳統三相異步電動機+液力耦合器+減速器驅動方案，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系統驅動方案，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。采用永磁直驅系統后相比于異步電機驅動系統節能效益可達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，帶式輸送機系統每年可節約電能1941165kWh，總節電效益52.4115萬元；現系統已穩定運行1年多。

煙氣提水機力通風冷卻塔設備永磁直驅系統：根據設計院提供的煙氣提水機力通風冷卻塔設備參數，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。采用永磁直驅系統后，考慮到通風冷卻塔在不同季節、不同環境溫度工況下開機率及運行負載的不同，總體節能率約為8%，按照每年運行330天、每天8小時、每度電0.27元考慮，每年可節約電能514514.82kWh，節電效益13.8919萬元。目前煙氣提水機力通風冷卻塔永磁直驅系統已累計運行1年。

脫硫吸收塔攪拌機設備永磁直驅系統：側攪拌機設備配套永磁直驅系統分別為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，每年可節約電能222365kWh，節電效益6.0039萬元，目前設備已累計運行1年有余。

濕式球磨機永磁直驅系統：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，兩套永磁直驅系統每年可節約電能466304kWh，節電效益12.59萬元。目前2套球磨機設備已累計運行1年。

永磁直驅電機維護費用對比：永磁直驅電機取消了中間傳動減速機，簡化傳動系統，節約減速機、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、脫硫吸收塔側攪拌器、球磨機設備共計使用永磁直驅系統58套，總裝機功率9226kW，經計算，每年節電效益可達約84.9萬元，節約材料及維護費用約17.26萬元，每年創造效益可達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備上大量應用永磁直驅傳動裝置，取消了減速機、機械軟起裝置等中間環節，實現了真正意義上的免維護。系統采用矢量控制技術，起動轉矩大，動態響應快，過載能力強，在多機驅動情況下，通過主從控制自動實現功率平衡，使設備保持高可靠性。永磁同步電機高效節能，電機效率達到一級能耗（IE4）標準，該系統在代替傳統的驅動方式上可實現節能15%以上。達到了進一步落實國家節能降耗的要求，為大型發電機組輔機系統中的大量應用提供了成功應用案例，未來將得到快速發展和廣泛應用。