繞線式永磁耦合調(diào)速的性能及其在火電行業(yè)的應(yīng)用

李碩 張源

摘 要：隨著國家對電力行業(yè)節(jié)能減排的要求不斷深入，國內(nèi)火電行業(yè)對于廠用電率及工藝系統(tǒng)運行靈活性、穩(wěn)定性的要求越來越高。繞線式永磁耦合調(diào)速技術(shù)是近幾年新研發(fā)的電動機節(jié)能技術(shù)，較常規(guī)工頻調(diào)速和變頻調(diào)速有著革命性的技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)優(yōu)勢。繞線式永磁耦合調(diào)速技術(shù)可以降低系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)的可靠性，其在火電行業(yè)改造工程上已經(jīng)得到應(yīng)用，節(jié)能效果顯著。

關(guān)鍵詞：繞線式永磁技術(shù) 節(jié)能 調(diào)速

中圖分類號：U463.211 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）06（a）-0039-02

在火力發(fā)電廠中，風機、泵類負載的基本特點是數(shù)量多，單體的功率大，總體電耗占廠用電的60%～70%左右。在實際運行中，系統(tǒng)工況多變，風機、泵類性能不匹配的現(xiàn)象十分突出，經(jīng)常采用調(diào)整電動門開度的方式對介質(zhì)壓力和流量進行調(diào)節(jié)。此種運行方式雖然操作相對簡單，但控制精度低，響應(yīng)速度慢，最重要的是將大量的電能無謂的損耗在了擋板節(jié)流環(huán)節(jié)。

目前，為了達到工藝要求和節(jié)能的目的，風機、泵類負載的調(diào)速方式有液力耦合器、變頻調(diào)速和永磁調(diào)速。液力耦合器技術(shù)發(fā)展時間最長，但其節(jié)能效果不明顯，調(diào)速精度差、響應(yīng)慢，維護費用高。變頻器節(jié)能效果明顯，調(diào)速精度高，但其對環(huán)境要求高，電子元器件故障率高，電力諧波含量高等問題難以解決，局限了其后期發(fā)展。

永磁類調(diào)速作為新興技術(shù)，其特點為調(diào)速比大、可靠性高、穩(wěn)定性好、柔性連接、環(huán)境適應(yīng)性強，解決了液力耦合器和變頻器存在的一些固有缺陷。渦流永磁調(diào)速受到技術(shù)限制無法完成大功率設(shè)備的調(diào)速要求，且自身發(fā)熱嚴重需要水冷系統(tǒng)進行冷卻，只能用在中小型的電動機改造中。

繞線式永磁耦合調(diào)速作為對于傳統(tǒng)永磁調(diào)速的技術(shù)革新，繼承了此前永磁調(diào)速的技術(shù)優(yōu)勢，革命性的對于感應(yīng)電流進行控制，并將轉(zhuǎn)差功率反饋給電網(wǎng)，實現(xiàn)了小功率控制大功率，減少系統(tǒng)熱損耗，提高系統(tǒng)效率，在電廠運行中表現(xiàn)出了比較優(yōu)異的節(jié)能效果。

1 繞線式永磁耦合調(diào)速的原理

1.1 調(diào)速功能

圖1表示的是繞組式永磁耦合調(diào)速裝置的內(nèi)部原理，圖2表示的是繞組式永磁耦合調(diào)速裝置的外部系統(tǒng)圖。軸一與電動機相連，軸二與負載相連，電動機由工頻電源供電，額定轉(zhuǎn)速運行。故軸一與電機同轉(zhuǎn)速，在電動機的額定轉(zhuǎn)速下恒轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。軸一的外殼類似于桶型結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒裝有永磁體。軸二為繞線式結(jié)構(gòu)，當永磁套筒的軸一與繞線式軸二有轉(zhuǎn)速差的時候，根據(jù)法拉第定律，在繞組中就能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。軸二上設(shè)置有有集電環(huán)和電刷結(jié)構(gòu)，可以將感應(yīng)電流引出到控制單元，通過控制感應(yīng)電流的大小，來實現(xiàn)傳遞扭矩的大小，實現(xiàn)調(diào)速和軟啟動的功能。

1.2 能量反饋

通過改變軸二上的感應(yīng)電流，從而使軸一和軸二產(chǎn)生了轉(zhuǎn)速差，形成了轉(zhuǎn)差功率。通過集電環(huán)和電刷，將感應(yīng)電流引出，通過一套整流—逆變裝置及升壓裝置，將永磁調(diào)速的轉(zhuǎn)差功率反饋到市電端，從而達到節(jié)點的效果。

2 繞線式永磁耦合調(diào)速的特點

繞線式永磁耦合調(diào)速技術(shù)作為新興的調(diào)速方式，有著對傳統(tǒng)調(diào)速技術(shù)革命性的變革，規(guī)避了很多傳統(tǒng)技術(shù)的弊端，其優(yōu)點如下。

2.1 柔性連接傳遞扭矩

繞線式永磁調(diào)速屬于柔性連接傳遞扭矩，解決了對中、震動和軟啟的問題。改造后的電動機可以在空載情況下啟動，減小了電動機的啟動電流，調(diào)節(jié)繞線中的感應(yīng)電流，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的軟啟動功能。

由于調(diào)速裝置是非接觸式，依靠永磁體的轉(zhuǎn)動來傳遞能量，所以系統(tǒng)允許一定的安裝誤差且設(shè)備在運行時，電動機端和負載端的震動不會互相傳遞，使整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性更高。

2.2 對電網(wǎng)諧波小

現(xiàn)在火力發(fā)電廠中主流的調(diào)速裝置之一就是變頻調(diào)速。其調(diào)速范圍廣、功率因數(shù)高、節(jié)能效果好，但是變頻器的諧波污染和可靠性低限制了變頻器的發(fā)展。變頻器采用交-直-交的形式對于頻率進行調(diào)節(jié)，整流后需要大功率IGBT電力電子元件通過V/F調(diào)節(jié)電流的頻率，在此過程中產(chǎn)生的高次諧波隨著需要逆變電能的變大而變大的，變頻器的入口和出口都需要設(shè)置相應(yīng)的電抗器對于諧波進行過濾。但即便如此，如果廠內(nèi)大規(guī)模使用變頻器，電能質(zhì)量受到污染的情況還是沒法得到很好地控制。

繞線式永磁調(diào)速實現(xiàn)了小功率控制大功率的設(shè)計原則，雖然系統(tǒng)中也整流和逆變元器件，也存在著諧波的污染，但是繞線式永磁調(diào)速裝置控制的功率只是轉(zhuǎn)差功率，比傳統(tǒng)變頻調(diào)速需要控制電動機額定功率相比小得多，因此諧波污染、本體損耗等性能都要更加優(yōu)越。

2.3 自然冷卻，無溫升問題

常用的調(diào)速形式，設(shè)備的損耗都是比較大的。液力耦合器的設(shè)備損耗為機械損耗，發(fā)出的熱量需要大量的冷卻水進行冷卻。變頻器的熱功率為設(shè)備額定功率的3%～5%，低頻時的設(shè)備效率下降比較明顯，變頻器需要設(shè)置單獨的房間和獨立的通風、冷卻系統(tǒng)來維持設(shè)備穩(wěn)定運行。渦流式永磁調(diào)速裝置的損耗主要是轉(zhuǎn)差損耗，這部分損耗全部以熱量的形式消耗，所以需要單獨的水冷卻系統(tǒng)?？梢?，傳統(tǒng)的調(diào)速裝置都無法避免要將一部分能量以熱的形式消耗掉。

繞線式永磁耦合調(diào)速裝置發(fā)熱量小，無需單獨設(shè)置冷卻裝置。與變頻器相比，繞線式永磁耦合調(diào)速裝置控制的功率低，損耗小。與渦流式永磁調(diào)速方式比，繞線式永磁耦合調(diào)速裝置將絕大部分的轉(zhuǎn)差損耗通過整流-逆變反饋給電動機，沒有直接損耗掉。

2.4 調(diào)速精度高、范圍寬

作為調(diào)速裝置，調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)的范圍都是性能的重要指標。液力耦合器雖然可以實現(xiàn)平滑調(diào)速，但是調(diào)節(jié)不穩(wěn)定、精度不高。變頻器可以對設(shè)備進行理論上的0～100%轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，但是在低頻狀態(tài)下，變頻器效率下降明顯。渦流式永磁調(diào)速調(diào)速范圍局限在70%～97%。

繞線式永磁耦合調(diào)速裝置可以設(shè)備進行高精度和大范圍的調(diào)節(jié)，尤其是在低頻狀態(tài)下，系統(tǒng)效率比變頻器的性能優(yōu)越。

3 繞線式永磁耦合調(diào)速的應(yīng)用

某電廠1臺300MW機組一次風機功率為1400kW，2005年該電廠對這臺機組的2臺一次風機進行了變頻改造。但是由于電廠環(huán)境潮濕，變頻器長時間不能正常工作，電廠已經(jīng)將變頻器退出運行，電動機額定轉(zhuǎn)速運行，通過調(diào)節(jié)風機入口擋板門開度進行風量、風壓的調(diào)節(jié)。機組滿負荷運行時，擋板門開度不超過33%，運行中節(jié)流損失很大，噪音也很大。

繞線式永磁耦合調(diào)速裝置改造后，風機入口門全開，不存在節(jié)流損失。在設(shè)備工頻滿負荷運行的工況下，6kV開關(guān)功率為1340kW，繞線式永磁耦合調(diào)速裝置退出系統(tǒng)運行，無回收功率。在設(shè)備調(diào)速至額定轉(zhuǎn)速75%的工況下，6kV開關(guān)功率為1035kW，回收功率183kW，繞線式永磁耦合調(diào)速裝置電能回收的綜合效率約為90%，系統(tǒng)實際供率約為852kW。綜合兩種工況下的參數(shù)，繞線式永磁耦合調(diào)速裝置的節(jié)能效果明顯，節(jié)電率能達到約為36.4%

4 結(jié)語

文章對繞線式永磁耦合調(diào)速技術(shù)所包含的內(nèi)容進行了概述，通過對繞線式永磁耦合調(diào)速技術(shù)在火力發(fā)電廠中的節(jié)能應(yīng)用進行分析，指出永磁調(diào)速技術(shù)能夠在火力發(fā)電廠中占據(jù)較大的發(fā)展空間，有效發(fā)揮其節(jié)約能源、提高運行安全性能的作用。

參考文獻

[1] 張惠琴.關(guān)于三相異步電動機轉(zhuǎn)差功率損耗的分析[J]. 昌吉學院學報，2004（4）：105-106.

[2] 張云峰，梁寒光.永磁調(diào)速與變頻調(diào)速的技術(shù)、經(jīng)濟比較[J].中國科技信息，2014（7）：201-203.

[3] 曹霆，徐國祥.繞組式永磁耦合調(diào)速與高壓變頻調(diào)速效率比較[J].船電技術(shù)，2017，37（11）：22-24.