永磁直驱同步电机在火电厂辅机系统中的研究与应用

京能（锡林郭勒）发电有限公司 白音高老

京能五间房电厂在输煤带式输送机、湿式球磨机、脱硫吸收塔搅拌器及机力通风塔冷却风机等采用永磁直驱电机系统，极大提高设备可靠性，大大减少维护费用，相同条件下较异步电动机可节约电能15%，经济效益十分显著。京能五间房电厂本着高标准的建厂要求，从高可靠性、低能耗、长周期运行、低维护费用要求出发，设备选型开始就对电厂所用的传动设备进行了严格对比，经过对多种驱动方案的比较，在辅机系统中采用永磁传动装置的方案是所有方案中最节能也是驱动环节最简单的一种方案。

1 永磁同步电机的技术原理

永磁同步电机是永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机，永磁体作为转子产生旋转磁场，三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应感应三相对称电流。当永磁同步电动机的定子通入三相交流电时，三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组并在定子绕组中产生感应电动势；另一方面以电磁力拖动转子以同步转速旋转。电枢电流还会产生仅与定子绕组相交链的定子绕组漏磁通，并在定子绕组中产生感应漏电动势。此外，转子永磁体产生的磁场也以同步转速切割定子绕组，从而产生空载电动势。

永磁同步电机控制方式为开环矢量控制，转子初始位置信息是永磁电机正常启动的前提，变频器在电机静态时输出高频脉冲电流通过其反馈进行初始位置估算。运行中将磁场定向坐标通过矢量转换，将永磁电机的定子电流分解为励磁电流分量（id）和转矩电流分量（iq），并使两个分量相互垂直彼此独立，然后分别调节。简单来说，首先通过3/2变换变成静止的d-q 坐标，然后通过电机模型产生的单位矢量来得到旋转坐标下的转矩电流分量和磁场电流分量，最后再经过2/3变换产生三相交流电去控制电机，由于三相定子在空间位置上相差120°，所以三相定子电流在空间中产生旋转磁场，转子旋转磁场中受到电磁力作用运动，此时电能转化为动能。

2 永磁直驱同步电机关键技术和创新点

2.1 关键技术

采用了U 型内置混合式永磁转子结构，保证了气隙磁场正弦化程度，解决了永磁同步电机驱动存在的低频低速转矩脉动大的技术难题，降低了电机的振动和噪声，实现了永磁直驱系统低速大扭矩平稳运行；提出了基于开环无位置矢量控制的低速大扭矩驱动算法，解决了冲击载荷下传统带式输送驱动系统起动制动效果差、转速与转矩波动大、控制精度低等技术难题，提高了应用在带式输送系统永磁直驱电机的容错能力，实现了变载荷下带式输送系统大转矩智能直驱；电机热管理设计中基于流体场与温度场的热管理技术，选择适宜的冷却系统并对电机的损耗及电机内的温升分布进行准确计算，分析电机内部热分布规律，找出局部过热点，从而通过合理设计使之降低，进而保证电机的热可靠性。

电机定子采用分数槽集中绕组结构，使电机线圈端部减小，使电机结构紧凑；电机采用立式螺旋水道，加大冷却水流量，提高冷却性能，增加电机功率密度，减小电机体积和重量；电机定子整体浇注灌封绝缘工艺的改进，使电机在高温、低温、振动、粉尘、潮湿、腐蚀、负载冲击等恶劣环境下安全使用；转子采用了内嵌式磁极挂极结构，并通过磁极结构应力场仿真技术合理设计转子磁极结构，保证电机在最恶劣情况下运行时仍然具有足够的机械强度。

2.2 创新点

带式输送机为国内首例火电厂集群式永磁直驱伺服带式输送机系统；机力通风塔冷却风机为永磁直驱伺服立式冷却塔风机；硫侧搅拌器和球磨机均采用永磁直驱伺服电机；火电厂永磁传动装置的永磁体最佳工作点，从永磁体最佳工作点出发，可大致估算电机中永磁体最佳利用时外磁路尺寸和永磁体间的关系，为求得永磁体的最佳利用，须正确选择永磁体尺寸、外磁路的结构和尺寸以及两者之间的配合关系；分数槽集中绕组结构：在电枢绕组设计上研究多极少槽结构，实现电枢绕组单齿绕，这种结构由于端部不重叠，每个齿是独立的、具有很强容错能力，且可有效缩短电机轴向长度和降低电机铜耗，还比分布式绕组容易制造。

新型可拆装的挂极式永磁转子结构：电机的磁极是模块化结构，在组装时采用T 尾式挂极结构，因此在磁极冲片叠装过程中要严格保证内外圆的同心度，以保证当所有的转子磁极组装完后电机具有均匀的气隙来保证电机的性能，因此还专门设计了叠压工装，将各个转子单元模块装入转子支架上的磁轭T 尾槽上，即完成了转子磁极模块的装配；电机定子整体浇注灌封绝缘工艺：将电机绕组浸漆工艺改成电机绕组真空浇注灌封工艺，灌封流程结合精确的灌封控制条件，使电机绕组及定子铁芯成为一体。首先增加了电机绝缘强度，使用特殊的灌封树脂提高了变频电机的耐电晕性能、大大提高变频电机的绝缘老化寿命，其次利于绕组整体散热，最后耐冲击、抗振动。

3 经济和社会效益情况

火电厂辅机系统选用永磁直驱同步电机的驱动方式可最大化发挥变频调速的优势和省去中间环节的效率损耗。极大提高设备的可靠运行，降低电能损耗、降低维护成本、延长维护周期，符合国家鼓励自主技术发展的产业政策、符合国家节能降耗战略要求，具有很高的经济效益。

3.1 带式输送机永磁直驱系统

带式输送机系统胶带机及永磁直驱系统节能效益：现场19条胶带机，如采用传统三相异步电动机+液力耦合器+减速器驱动方案，则三相异步电动机装机总功率至少为4905kW；如采用变频器+永磁同步变频电动机的永磁直驱系统驱动方案，则永磁同步变频电动机装机总功率为4405kW。由此可至少降低10%的装机总功率。采用永磁直驱系统后相比于异步电机驱动系统节能效益可达12%，按照带式输送机平均80%负载率，每年运行330天、每天10小时、每度电0.27元考虑，带式输送机系统每年可节约电能1941165kWh，总节电效益52.4115万元；现系统已稳定运行1年多。

烟气提水机力通风冷却塔设备永磁直驱系统：根据设计院提供的烟气提水机力通风冷却塔设备参数，单台风机轴功率为115kW，配套电机额定功率160kW，16台风机总轴功率1840kW，总装机功率2560kW。采用永磁直驱系统后，考虑到通风冷却塔在不同季节、不同环境温度工况下开机率及运行负载的不同，总体节能率约为8%，按照每年运行330天、每天8小时、每度电0.27元考虑，每年可节约电能514514.82kWh，节电效益13.8919万元。目前烟气提水机力通风冷却塔永磁直驱系统已累计运行1年。

脱硫吸收塔搅拌机设备永磁直驱系统：侧搅拌机设备配套永磁直驱系统分别为10台55kW 永磁同步电机、3台37kW 永磁同步电机，总装机功率661kW。按照搅拌机平均负载率80%(即总运轴功率528kW)、每年5500小时、每度电0.27元考虑，每年可节约电能222365kWh，节电效益6.0039万元，目前设备已累计运行1年有余。

湿式球磨机永磁直驱系统：烟气脱硫工程的2台φ3.2mX6.2m 球磨机，分别配套1台QTVF-630L/40YC(6000)永磁同步变频电动机，额定功率800kW。球磨机运行负载率90%(即总运轴功率720kW)、每年运行330天、每天8小时、每度电0.27元考虑，两套永磁直驱系统每年可节约电能466304kWh，节电效益12.59万元。目前2套球磨机设备已累计运行1年。

永磁直驱电机维护费用对比：永磁直驱电机取消了中间传动减速机，简化传动系统，节约减速机、润滑油的采购成本，减少日常维护及检修的成本，每年可节约润滑油费用46600元，人工维护费用126000元，合计172600元。

电厂带式输送机、烟气提水机力通风冷却塔、脱硫吸收塔侧搅拌器、球磨机设备共计使用永磁直驱系统58套，总装机功率9226kW，经计算，每年节电效益可达约84.9万元，节约材料及维护费用约17.26万元，每年创造效益可达102.16万元。

综上，京能五间房电厂一期2×660MW 机组带式输送机、湿式球磨机、机力通风冷却塔及脱硫吸收塔搅拌器等设备上大量应用永磁直驱传动装置，取消了减速机、机械软起装置等中间环节，实现了真正意义上的免维护。系统采用矢量控制技术，起动转矩大，动态响应快，过载能力强，在多机驱动情况下，通过主从控制自动实现功率平衡，使设备保持高可靠性。永磁同步电机高效节能，电机效率达到一级能耗（IE4）标准，该系统在代替传统的驱动方式上可实现节能15%以上。达到了进一步落实国家节能降耗的要求，为大型发电机组辅机系统中的大量应用提供了成功应用案例，未来将得到快速发展和广泛应用。