ＤＯＩ:１０ ３９６９/ｊ ｉｓｓｎ １００８￣１３０５ ２０２１ ０５ ０４２
李玲玉
(上海友为工程设计有限公司ꎬ上海２０００９３)
摘要：随着永磁体材料性能改善ꎬ永磁电机的应用范围越来越广ꎬ在我国水利泵站也开始得到应用ꎮ文章对永磁电机特点及其在国内各行业应用情况进行了介绍ꎬ结合水利大型低扬程水泵的特点ꎬ对永磁电机优势㊁关键问题及配套变频器的可靠性进行分析ꎮ在对比分析永磁电机对设备布置㊁运行性能㊁投资成本等产生的影响后ꎬ对永磁电机在大型低扬程水泵上的适用性提出建议ꎮ关键词：永磁电机ꎻ水利ꎻ低扬程ꎻ大型水泵 中图分类号:ＴＶ６７５ꎬＴＭ３５１㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００８￣１３０５(２０２１)０５￣０１４９￣０４
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㊀收稿日期:２０２１￣０３￣０２
㊀
作者简介：李玲玉(１９８９年 )ꎬ女ꎬ工程师ꎮ
㊀㊀近年来ꎬ随着永磁材料性能改善和电力电子技术的发展ꎬ永磁电机的应用范围已越来越广ꎬ其地位也越来越重要ꎬ从军工到民用ꎬ从特殊到一般ꎬ迅速扩大ꎬ不仅在微特电机中占有优势ꎬ还在电力推进系统中显示出其强大的生命力ꎮ特别是近２０年来ꎬ现代永磁电机技术有了永磁材料和周边技术的支撑ꎬ形成了快速发展的势头ꎬ并使永磁电机向大功率㊁大转矩㊁耐高温和智能化等方向不断发展[１]ꎮ在航空航天㊁国防军事㊁风力发电㊁高铁㊁汽车工业㊁石油化工等行业得到广泛应用[２￣４]ꎮ目前ꎬ永磁电机在水利泵站中的应用实例不
多ꎬ较早的有南水北调韩庄泵站[５]ꎬ近期在上海几座中型泵站得到了应用ꎮ其中ꎬ由于大型高压永磁电机在水利泵站中应用实例较少ꎬ故文章结合某在建大型竖井贯流泵参数ꎬ对高压永磁电机在大型低扬程水泵上的适应性问题做研究分析ꎮ
１㊀永磁电机结构及特点
永磁电机是由永磁体建立励磁磁场ꎬ利用磁引力拉动转子旋转ꎬ永磁转子跟随定子产生的旋转磁场同步旋转ꎬ从而实现机电能量转换的装置ꎮ永磁电机与异步电机的主要区别在转子结构上ꎬ异步电机为鼠笼式转子ꎬ永磁电机为嵌入或表贴磁钢式转子ꎬ这种方式对于绕组的工艺要求一般ꎬ简化了电机结构ꎮ永磁电机结构如图１所示ꎮ
永磁电机由于转子采用永磁体制成ꎬ不需要励磁电流ꎬ消除了励磁损耗ꎮ与异步电机相比ꎬ大幅度减少了无功电流ꎬ效率高(关系有功电能)
和功
图１㊀永磁电机结构
率因素高(关系无功电能)ꎮ与传统的电励磁电机相比ꎬ其具有结构简单㊁运行可靠㊁体积小㊁质量轻㊁损耗少㊁效率高及功率因数高等显著特点ꎬ电机的形状和尺寸可以灵活多样ꎬ应用范围广泛ꎮ
２㊀大功率永磁电机应用现状
永磁电机由于其自身原理与结构优势ꎬ具有体积更小㊁效率更高㊁噪音低㊁易于远程控制㊁重量轻等特点ꎮ基于以上优点ꎬ大功率永磁电机在风电㊁高铁及火电上的应用已经逐渐发展起来ꎬ在各行业的使用特点与在水泵上的使用特点见表１ꎮ
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表１㊀各行业永磁电机的应用对照表
风电[２]高铁[３]火力发电[４]水利[５]最大电压３ｋＶ(较少)３ｋＶ１０ｋＶ６ｋＶ
最大功率７０００ｋＷ７２０ｋＷ１８００ｋＷ１８００ｋＷ
永磁材料钕铁硼钐钴钕铁硼钕铁硼３３ＵＨ
行业特点相似处可靠性要求高(设备安装
高度大ꎬ检修成本高)
可靠性要求高可靠性要求高可靠性要求高
行业特点不同处运行时间长㊁变速运行ꎬ
有海洋盐雾环境ꎬ功率
大ꎬ电压相对低
p2p流媒体
运行时间长㊁调速要求
高ꎬ功率低ꎬ电压相对低
运行时间长㊁负荷变化率
大ꎬ功率相对低ꎬ电压高
排涝运行时间较短ꎬ调速要
求低ꎬ功率高ꎬ电压高
３㊀永磁电机在水利行业大型水泵上的适应性分析
３ １㊀永磁电机优势分析
近年来ꎬ国内单泵流量在１０ｍ３/ｓ以上的大型低扬程水泵常采用竖井贯流泵㊁灯泡贯流泵㊁立式轴流泵和斜式轴流泵ꎮ其中ꎬ由于竖井贯流泵开挖深度较小㊁流道水力损失小㊁安装运行维护较方便ꎬ采用竖井贯流泵的案例越来越多ꎮ而竖井贯流泵的一般运行转速低于２００ｒ/ｍｉｎꎬ受竖井空间限制ꎬ竖井贯流泵多采用异步电机配套齿轮箱减速的组合方式ꎮ表２是针对永磁电机的优势ꎬ与水利行业大型水泵常规电机方案进行的定性比较ꎮ
３ ２㊀永磁电机和配套变频器应用的关键问题
３ ２ １㊀永磁体退磁
如果设计或使用不当ꎬ永磁电机在过高(钕铁硼永磁)或过低(铁氧体永磁)温度时ꎬ受到冲击电流产生电枢反应作用ꎬ或在化学作用下都有可能产生不可逆退磁ꎬ或叫失磁ꎬ使电机性能降低ꎬ甚至无法使用ꎮ
在高温方面ꎬ电机冷却方式有多种[６￣７]ꎬ有自然风冷㊁强制风冷和水冷ꎬ其中水冷效果较好ꎮ根据韩庄泵站应用情况ꎬ永磁材料可控制在不可逆退磁的温度限值以下ꎬ避免不可逆退磁的发生ꎬ但长期运行温度升高导致的可逆退磁对机组耗能及效率的影响也较为明显[８]ꎮ
在大电流冲击方面ꎬ水利行业永磁电机基本均配备变频器ꎬ可较好地控制电流对磁钢产生的影响ꎮ若遇到电机发生短路故障或瞬时过载产生的冲击电流ꎬ电机设计时由厂家复核或加强设计ꎬ并在制动回路中加入制动电阻消耗多余的能量ꎮ
在防腐方面ꎬ基本水利行业基本无特殊环境工
表２㊀永磁电机在水利行业大型水泵中优势定性分析
永磁电机优势水利工程中应用分析常规方案
电机体积小竖井贯流泵由于竖井的尺寸限制ꎬ永磁电机体积小ꎬ有一定的优势ꎻ斜式
轴流泵对电机尺寸(体积)限制不高ꎬ这方面优势不明显
采用异步电机配套齿轮减速箱ꎮ通
常竖井泵和斜泵均能布置
额定效率高ꎬ高效运行的负载范围宽排涝泵站年运行小时数少ꎬ对效率不敏感ꎮ引水泵站年运行小时数多时有
优势ꎬ需具体分析ꎮ另外ꎬ配套变频器综合效率后有所下降
异步电机配套齿轮减速箱综合效率
略低
功率因数高可以取消无功补偿装置异步电机通过无功补偿装置来提高功率因数
电流小㊁温升低１０ｋＶ电机额定电流本来就不高ꎬ电流小和温升低对导体的选择不起到决定
性的作用ꎬ优势不明显
异步电机的冷却系统可以满足电机
温升要求
高启动转矩㊁高过载能力水利工程中水泵为轻载启动ꎬ不需要过高的启动转矩ꎻ选择配套电机功率
时根据轴功率取了一定的安全系数ꎬ也不需要高的过载能力
异步电机采用软启动和软停机
节能回报高排涝泵站年运行小时数少ꎬ节能效果不明显ꎬ考虑配套设备(变频器)运行维护
费用后ꎬ经济性有限ꎮ引水泵站视实际年运行小时数决定ꎬ长期运行有优势
满足节能评价
噪音低[２]和环境噪声相关ꎬ根据韩庄泵站现场实测情况ꎬ距泵壳１ｍ处噪音为８９ｄＢꎬ
主要是水泵噪音较大ꎮ仅电机噪声有一定优势ꎬ一般较异步电机低
电机和齿轮箱叠加噪音一般为８５ｄＢ
调速运行通过变频器永磁电机可调速运行ꎮ对采用水泵正反转的双向水泵ꎬ工况点
调节有利于水泵运行稳定及节能ꎬ调速运行有一定意义
采用定速运行方式ꎬ工况调节可采
用叶片调节方式
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况ꎬ且通过对永磁体表面防护特殊处理和磁极整体保护ꎬ可以有效避免这些化学因素的影响ꎮ
３ ２ ２㊀制造难点
永磁电机在制造上还存在较多难点ꎬ如永磁材料利用率的提高㊁永磁体分散性给永磁电机的设计分析和磁场数值计算准确性带来的影响㊁充磁后磁场的均匀性等磁性能及其检测方法㊁永磁体的加工工艺及磁钢装配ꎬ都需要更多的深入研究和实践经验的积累ꎮ
３ ３㊀变频器的可靠性
由于变频器使用的电子元件是有使用寿命的ꎬ同时安装环境㊁电网电压等因素影响变频器的使用寿命ꎮ
变频器的寿命不是说变频器的设计寿命ꎬ而是在不同的工业环境下使用的寿命ꎬ即实际的使用年限ꎮ并且此寿命并不是一个立即生效的时间ꎬ而是根据故障率的大幅提高来判定的ꎮ在变频器６~
８年的老化故障期故障率相比平稳期的随机故障率为１５倍左右ꎬ备件替换频繁ꎮ为确保变频器可靠连续运行ꎬ延长使用寿命ꎬ需对日常的维护保养提出较高要求[９￣１０]ꎮ
３ ４㊀技术及经济性比较
以上海某泵站为例ꎬ对竖井贯流泵分别采用永磁电机配套变频器方案与异步电机配套齿轮减速箱方案ꎬ并对两种方案的尺寸㊁性能等差异进行对比分析ꎬ详见表３ꎮ
表３㊀机电部分技术及投资成本对比表
电机类型永磁同步电机配套变频器异步电机配套齿轮减速箱
设备参数
电压等级１０ｋＶ１０ｋＶ
额定功率８００ｋＷ８００ｋＷ
水泵转速１３６ｒ/ｍｉｎ１３６ｒ/ｍｉｎ
电机级数及同步转速３０级ꎬ２００ｒ/ｍｉｎ８级ꎬ７５０ｒ/ｍｉｎ工作频率３４Ｈｚ５０Ｈｚ
性蚀重量电机１６ ６ｔ电机７ｔꎬ配套齿轮箱２ｔ
设备及尺寸影响
外形尺寸长３１４０ｍｍꎬ宽１６２０ｍｍ
水套式电机长约２５００ｍｍꎬ宽约１３００ｍｍꎻ
齿轮箱长１３７０ｍｍꎬ宽９９０ｍｍ
竖井内设备布置
永磁电机方案无齿轮箱ꎬ顺水流方向长度较
小ꎬ为０ ５~１ ０ｍ
永磁电机整体尺寸较小ꎬ竖井内较宽裕
水套式异步电机配套齿轮减速箱ꎬ宽度小
于永磁电机ꎬ长度较长ꎬ井内空间一般
电气设备用房
要求配套高压变频器ꎬ变频器尺寸较大ꎬ需
要增加高压变频器室
需要布置软启动器及无功补偿设备金属闸门
变频启动ꎬ工作门可不带小拍门ꎬ闸门结构
简单ꎬ顺水流方向可节省一道闸门的空间
为配合启动ꎬ需设置带拍门的工作门ꎬ闸
门结构复杂ꎬ空间要求大
运行性能
电机性能
洛克王国!圣龙骑士效率:９６％ꎻ功率因素:０ ９５ꎻ在２５％~
１２０％额定负载范围内具有高功率因数和效率效率:９４％ꎻ功率因素:０ ８３ꎻ高效运行
范围小
配套设备效率变频器:９７％齿轮箱:９７％
单向运行工况调节
大流量单向泵站ꎬ运行扬程调节范围要求高
时ꎬ调速有一定的意义[１０]
定速运行ꎬ常规低扬程泵站不做调速要求双向运行工况调节
双向泵站引水水位整体低于排涝水位ꎬ反向
引水常低于高效运行ꎮ永磁电机可降速运行ꎬ
可兼顾双向效率
异步电机定速运行ꎬ双向效率难以兼顾电机启动变频启动软启动
闸门配合水泵启动闸门配合水泵启动的提门速度要求可降低闸门起门速度要求高可靠性发展期成熟期
农村业余文化生活１５１
(续表)电机类型永磁同步电机配套变频器异步电机配套齿轮减速箱
维护便利性
电机寿命不短于２０年不短于２０年
电机维修返厂原因退磁㊁绝缘转子断条㊁绝缘
配套设备寿命变频器整机５~１０年齿轮箱工作寿命不短于２０年
配套设备环境
永磁电机配套高压变频器发热量大ꎬ对环境要
求高ꎬ尤其对空气的洁净度和温湿度要求较高
无特殊要求
配套设备零部件维护
变频器功率单元更换周期２~６年ꎬ更换成本
较大
齿轮箱更换润滑油㊁密封ꎬ冷却器水路
清洗
经济比较/万元
高压电机９５４５
高压变频器７０(进口)ˑ２(同寿命周期)０
辣妹掌门人下载
齿轮减速箱０６５(进口)
高压开关柜１２１２ˑ２(双向)高压软启柜０１５
无功补偿柜０１４合计２４７１６３
㊀㊀从电机设备技术指标角度看ꎬ同类型技术指标的异步电机应用广泛ꎬ相似技术指标永磁电机在火力发电有应用ꎮ
从设备布置角度看ꎬ永磁电机配套变频器方案和异步电机配套齿轮减速箱方案ꎬ泵组都能较好布置ꎬ但变频器所占电气设备用房面积较大ꎮ
从运行性能角度看ꎬ总体上永磁电机配套变频器方案较好ꎬ尤其双向运行ꎬ有一定优势ꎻ异步高速电机配套齿轮减速箱方案能满足性能要求ꎮ从运行维护角度看ꎬ永磁电机配套变频器方案对环境要求较高ꎮ
从经验实例角度看ꎬ目前常规低扬程大流量泵站配套的永磁电机的电压等级㊁功率与火力发电应用实例相近ꎬ但使用年限不长ꎻ异步电机配套齿轮减速箱方案有很成熟的应用ꎮ
从经济角度看ꎬ两个方案初期一次投资费用接近ꎬ２０年同寿命周期永磁电机配套变频器方案投资费用较大ꎬ但由于其可实现无极调速功能ꎬ提高水泵效率ꎬ同时电机效率较高㊁功率因素高ꎬ年运行小时数多时泵站的年节电量高ꎮ
４ 结论与建议
(１)永磁电机有其技术先进性及突出的优点ꎬ电机体积小㊁额定效率高ꎬ高效运行的负载范围宽㊁功率因数高㊁节能回报高㊁噪音低等在低扬程大型水泵上有一定的优势ꎬ特别是在采用叶片正反转的双向水泵可实现ꎬ年运行小时数多时节电效果明显ꎮ(２)永磁电机应用的技术难点主要在退磁㊁电机的分析与设计和制造装配工艺上ꎮ韩庄泵站中压电机的运行经验说明ꎬ长期运行温度升高导致的可逆退磁对机组耗能及效率的影响较为明显ꎮ水利泵站工程目前在高压大功率上无运行经验ꎬ需要一个经验积累完善的过程ꎮ
(３)配套变频器使用的电子元件是有使用寿命的ꎬ受安装环境㊁电网电压等因素影响大ꎬ对日常维护保养要求高ꎮ
参考文献
[１]闫萍ꎬ吴梦艳.现代永磁电机技术的研究[Ｊ].防爆电机ꎬ２０１４ꎬ４９(２):５１￣５２.
[２]沈德昌.国外海上风电机组发展趋势分析[Ｊ].太阳能ꎬ２０１６(１１):１０￣１３.
[３]冯江华.轨道交通永磁电机牵引系统关键技术及发展趋势[Ｊ].
机车电传动ꎬ２０１８(６):９￣１７.
[４]段玉强.永磁同步电动机在火力发电厂的应用探讨[Ｊ].神华科技ꎬ２０１７ꎬ１５(１０):５３￣５６ꎬ６７.
[５]孙水英ꎬ于国安ꎬ夏泉ꎬ等.大型永磁电动机在南水北调东线一期工程山东段韩庄泵站中的应用[Ｊ].水利规划与设计ꎬ２０１４(１):４８￣５０.
[６]高志宽ꎬ刘泉ꎬ陈志华.永磁直驱风电机组电机冷却水套仿真分析[Ｊ].北京信息科技大学学报(自然科学版)ꎬ２０２０ꎬ３５(４):８９￣９３.
[７]陈秀平ꎬ徐起连ꎬ李岩.大功率永磁同步发电机定子冷却系统优化分析[Ｊ].大电机技术ꎬ２０２０(５):２９￣３３.
[８]李继勇ꎬ逯亚男.永磁同步电动机在韩庄泵站工程中的应用[Ｊ].山东水利ꎬ２０２０(９):７￣９.
[９]杨俊ꎬ杨燕ꎬ顾翔.淮阴三站变频设备存在问题及改进措施[Ｊ].中国水能及电气化ꎬ２０１７(１０):１２￣１４.记忆之宫
[１０]杨二洋ꎬ仲子夜ꎬ徐菲.淮阴三站提高高压变频器运行可靠性研究[Ｊ].中国水能及电气化ꎬ２０１８(８):３４￣３６.
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