变频控制高压永磁同步电机在取水泵站的应用

沈健

摘  要：随着高性能钕铁硼稀土永磁材料的加工技术和变频控制技术的迅速发展，永磁同步电机的应用越来越广泛。永磁同步电机具有节能高效、体积小等优点。然而在水务行业，永磁同步电机的应用较少。本文通过介绍高压永磁同步电机及其配套变频控制系统的特点和应用情况，分析高压永磁同步电机在低转速水泵上的优势和适用性，为其在水务行业的使用和推广提供参考和借鉴。

关键词：高压永磁同步电机;高压变频器;取水泵站;低转速大流量水泵

前言

原水公司下辖金泽水库承担上海市闵行、奉贤、金山、松江和青浦五个区域的原水供应。水库仅设有一个取水闸，水库水位受太浦河水位限制。为增加水库择机取水能力，在金泽水库取水闸附近新建取水泵站一座。泵站装有6台立式轴流泵，额定转速较低（187.5r/min），需要使用同步电机，以满足水泵低转速的需求。其中4台机组采用传统励磁同步电机加励磁装置的形式，2台机组采用永磁同步电机加变频装置的形式，在进行新型科学技术应用和创新的同时，又保障了取水泵站供水的可靠性。通过对比传统励磁同步电机在金泽取水泵站相同水泵上的使用情况，分析永磁同步电机的优缺点。

1、永磁同步电机特点

由于早期永磁同步电机的永磁材料价格贵、磁场控制困难、使用不当可能会造成不可逆的退磁，因此一直没有得到广泛使用。随着永磁材料产业的发展，尤其是高性能稀土钕铁硼（NdFeB）永磁材料性能的不断提高和完善，以及变频控制技术日趋成熟，低速大扭矩永磁同步电机得到了迅速发展。与传统的感应式电机相比，永磁同步电机具有许多明显的优点，主要体现在以下几个方面：

1.1、效率高

永磁同步电机转子没有绕组，而是采用永磁材料代替，转子无感应电流，转子无电阻损耗，低转速的永磁同步电机转子无风扇，风摩擦损耗低，从而提高了电机效率。[1]

1.2、功率因数高

永磁同步电机转子无励磁电流，电机无功功率小，所以功率因数比感应式电机高。从图1所示曲线可以看出，永磁同步电机运行效率和运行功率因数受负载率变化影响不大，在取水泵站水泵常用转速调节区间内电机效率较高、功率因数大于0.95。[2]

1.3、体积小，重量轻

由于永磁同步电机转子是由高性能的永磁体构成，磁通密度高，结构简单，体积紧凑，所以永磁同步電机相对感应式电机尺寸要小，尺寸和重量大约减少了一半。[3]

1.4、温升低

永磁同步电机效率高，转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中较少有或几乎不存在无功电流，使电机温升低，延长了电机的使用寿命。[4]

2、变频器控制系统

2.1变频器主回路结构

永磁同步电机配套高压变频器是电压源型，变频器输入侧的6KV电源通过移相变输出三组改变相位差的电源给小功率单元供电，主回路每相通过3个小的功率单元叠加组成。功率单元由IGBT整流模块和IGBT 逆变模块组成多电平PWM控制系统，每个输出1.27KV左右的电压，通过每相上3个功率单元的电压叠加后，在变频器输出侧得到一个6KV的高电压。通过这种多个电压叠加方式获得的电压波形失真度较小、谐波含量低，可以有效的减少电动机发热、共振、转矩脉动等问题。

2.2 永磁同步电机调速控制原理

永磁同步电机在工频电源下自身无起动转矩，需要配套变频器对其控制，实现启动和调速控制。永磁同步电机的变频调速是通过控制电机电磁转矩Te来实现的，在dq转子坐标系中Te的公式为：

Te =1.5np （Ψd i q-Ψq id）

=1.5np iq （Ψf + （ L d – L q ） id）

=Te1+Te2                                 （1）

而永磁转矩Te1、磁阻转矩Te2都与转矩的电流分量iq成正比例，如式（2）所示：

Te1=1.5np i qΨf

Te2= 1.5np （ L d–L q ） id iq                     （2）

永磁同步电机转矩控制可以通过控制转矩的电流分量来实现。变频器根据调速需求，通过一系列复杂的等效电路、磁链方程、转矩方程、坐标变换计算出合理的电动机转矩与磁链目标值，控制逆变器三相输出电流紧紧跟随该目标值，实现对永磁同步电机矢量控制。[5]

2.3 初始磁极位置检测

永磁同步电机转子磁极初始位置直接影响永磁同步电机的启动转矩和重载启动能力，因此，在永磁同步电机启动前变频器能否准确辨识出转子磁极的初始位置十分重要;经带载测试，利用变频器启动的永磁同步电机在启动过程中电流平稳无冲击。配套变频器采用脉冲电压法来检测初始磁极位置，其基本原理是根据定子绕组电感量与定子铁芯饱和度成反比的关系，利用定子电感量的变化检测出电机初级磁极的位置。[6]

3 永磁同步电机与励磁同步电机对比

取水泵站2台永磁同步电机和4台励磁同步电机在同样的水泵上使用，水泵的运行工况均相同。下面根据实际运行使用情况对比永磁同步电机与励磁同步电机。

3.1 电机参数

取水泵站永磁同步电机与励磁同步电机的参数如表1所示，两种电机的额定电压、功率、转速均相同，但永磁同步电机的扭矩、效率、功率因数均高于励磁同步电机。

3.2 体积、重量

永磁同步电机与励磁同步电机的外形尺寸如图3所示，永磁同步电机在外形尺寸上优势明显，其直径只有励磁同步电机的45%，重量比励磁同步电机要少46%，占用泵房空间小，对电机基础平台的承重要求小，泵房面积也可以减少，从而节约基建投入的费用。

3.3 冷却方式

励磁同步电机采用水冷却的方式，上下油箱内盘向管分别接入清洁的冷却水来降低轴瓦的温度，并配套了冷却水循环泵和冷却水池，安装时还需要接管道、阀门、压力表等，系统结构复杂;而永磁同步电机由于温升低、发热量小，采用的是自然冷却的方式，在安装时更为方便。

3.4 设备安装

励磁同步电机由于体积大，电机以散装形式运输，到达现场后要安装转子、推力瓦、导向瓦、盘向管等零部件，还需要测量定转子间磁场间隙、转子摆度，安装耗时长，难度相对较高;而永磁同步电机由于体积小，推力轴承采用角接触轴承，不用现场安装调节，电机作为整机运送到现场后就位即可，安装方便。

永磁同步电机需要配套变频器作为启动控制装置，而变频器安装接线较为复杂，需要安装在专用的变频器室以满足其冷却要求，在取水泵站无需调速的场所变频器用处不大;而励磁同步电机的励磁装置结构比变频器简单，占用空间小，安装调试方便。

3.5 节能效果

两种电机的运行数据（如表2所示）是在取水泵站实际运行工况下进行记录，由于永磁同步电机配套变频器也存在一定损耗，因此永磁同步电机的输入功率从变频器6KV进线开关智能电表上记录所得;励磁同步机组输入功率由定子侧输入功率和转子励磁装置输入功率两部分组成，数据分别从定子6KV进线开关、励磁装置380V进线开关智能电表上记录所得。

通过表2数据分析可知，在水泵相同水功率的工况下，永磁同步电机输入功率比励磁同步电机低2.5%左右。励磁同步电机还需加上冷却水系统能耗，因此永磁同步电机更加节能。

3.6 运行维护

在运行维护方面，励磁同步电机需要定期更换润滑油，转子绕组有碳刷滑环，需要定期清洁、更换碳刷;永磁同步电机轴承只需添加润滑油脂即可。在控制设备方面，风冷型变频器需要定期维护保养、清洁过滤网，而励磁同步装置的维护保养相对简单。

结束语

综上所述，永磁同步电机比励磁同步电机更高效节能、功率因数高、体积小、重量轻、噪音低、安装维护方便，在低转速水泵上的优势较为明显，特别适合需要调速的泵站使用，在水务行业具有一定的推广使用价值。

参考文献

[1] 徐文鹏，于野，张雨.高压大功率永磁同步电动机直驱技术在港口帶式输送机上的应用[J].起重运输机械，2019（13）：119-123.

[2] 秦佳伟，邢艳荣.高压高效永磁同步电机的应用[J].科技风，2015（01）：63.

[3] 张垒.论变频器控制永磁同步电机的理论和实践[J].变频器世界，2018（1）：53-59.

[4] 董明霞. 抽油机专用永磁同步电动机的研制及应用[D].中国石油大学，2007.

[5] 袁章. 电动车永磁同步电机控制系统的研究[D].辽宁科技大学，2014.

[6] 胡庆波，张荣，管冰蕾，何金保，孔中华.永磁同步电机初始磁极位置检测方法[J].电力自动化设备，2019，39（05）：194-200.

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