永磁同步電動機在韓莊泵站工程中的應(yīng)用

李繼勇，逯亞男

（南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟南 250109）

2018年4月，在外界環(huán)境基本穩(wěn)定的情況下，韓莊泵站1#、3#、5#水泵機組同時出現(xiàn)了隨著運行時間的增長，電動機定子溫度逐漸升高、變頻器輸出功率增大、機組裝置效率降低的異常工況，而重啟機組后以上異常工況消失的現(xiàn)象。筆者收集了該運行時段的相關(guān)數(shù)據(jù)，運用Nd-Fe-B永磁體疇壁釘扎理論，綜合分析后判定是因為隨著運行時間的增長，永磁體損耗及諧波損耗導(dǎo)致轉(zhuǎn)子溫度升高、永磁體疇壁產(chǎn)生了膨脹，從而導(dǎo)致永磁材料產(chǎn)生了退磁現(xiàn)象。

1 電動機磁鋼材料不可逆退磁因素分析

1.1 大電流沖擊造成不可逆退磁的可能性

電機最大電流為三相短路時的短路電流，在設(shè)計時只要保證校算短路狀態(tài)下磁鋼工作點在磁鋼工作曲線拐點以上，就能保證電機不會因大電流沖擊而退磁。當(dāng)前大部分永磁電機的磁鋼材料在額定使用溫度下，拐點基本都在0.2T以下。韓莊泵站永磁同步電動機的磁鋼材料拐點如圖1所示為0.1T，所以韓莊泵站永磁電動機所選用的磁鋼材料在三相短路時不會發(fā)生退磁。況且，當(dāng)發(fā)生三相短路事故時，在微機繼電保護裝置的作用下機組已停止了運行。另外，韓莊泵站永磁電動機為變頻啟動，啟動電流、電壓都低于額定電流及額定電壓，因此，不存在大電流沖擊造成磁鋼材料不可逆退磁的可能。

1.2 高溫造成不可逆退磁的可能性

如圖1所示，韓莊泵站永磁同步電動機磁鋼材料的使用溫度限值為160℃（居里溫度），當(dāng)電機熱負(fù)荷使電機溫升超過160℃時，就會造成磁鋼材料的不可逆退磁。

1.3 化學(xué)作用造成不可逆退磁的可能性

磁鋼的化學(xué)失效主要源于空氣中的氫氣以及在潮濕狀態(tài)下存在的氫離子與磁鋼的接觸。韓莊泵站永磁同步電動機轉(zhuǎn)子磁極采用沖疊一體的工藝方法，用矽鋼片制造磁鋼盒，使磁鋼在不充磁狀態(tài)下與磁鋼盒進(jìn)行裝配，用環(huán)氧漆整體灌封后進(jìn)行充磁。磁鋼的保護層完好，可以防止電機產(chǎn)生化學(xué)退磁。

由此可知，韓莊泵站永磁同步電動機發(fā)生不可逆退磁的運行工況主要為電機熱負(fù)荷使電機溫升超過160℃，只要確保電機溫度保護動作可靠，是可以避免不可逆退磁的。

2 可逆退磁對機組運行工況的影響

2.1 外界環(huán)境情況

筆者根據(jù)系統(tǒng)報表繪制2018年4月1日至4月18日的水位及河道水溫曲線。由此曲線可知，2018年4月1日至4月18日，進(jìn)出水池水位、揚程、環(huán)境溫度基本穩(wěn)定，由此可排除水位、揚程以及環(huán)境溫升導(dǎo)致機組產(chǎn)生異常工況的可能。

2.2 機組運行溫度的變化情況

圖2 1#機組3月28日至4月19日運行溫度曲線

圖3 3#機組3月28日至4月19日運行溫度曲線

由圖2、圖3、圖4可知，在外界環(huán)境穩(wěn)定的情況下，隨著運行時間的增長，機組運行溫度逐漸升高，對應(yīng)Nd-Fe-B永磁體疇壁釘扎理論就是疇壁逐漸膨脹的過程。

2.3 機組裝置效率變化情況

圖4 5#機組3月28日至4月19日運行溫度曲線

隨著運行時間的增加，機組定子電流、有功功率、無功功率均增加，而機組裝置效率則相應(yīng)降低，筆者根據(jù)系統(tǒng)報表自動計算的裝置效率，繪制機組裝置效率變化曲線，由此可見，隨著運行時間的增長，機組裝置效率逐漸降低。

3 機組重啟前后運行數(shù)據(jù)對比

由Nd-Fe-B永磁體疇壁釘扎理論可知，當(dāng)撤去外場后,疇壁可以可逆地回復(fù)到原來的位置，即永磁體的可逆退磁回復(fù)過程。這個過程也能夠通過韓莊泵站永磁同步電動機的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行印證。2018年4月2日韓莊泵站執(zhí)行了1#機組重啟的操作，重啟間隔1h，由圖2可知，機組停機后，機組溫度迅速冷卻，而重新啟動機組后，機組運行溫度并沒有在短時間內(nèi)迅速回到重啟前的溫度，而是經(jīng)過了較長一段時間的運行之后逐漸回到甚至超過重啟前的運行溫度。筆者提取運行前后數(shù)據(jù)對比如表1示，由表1可知在相同轉(zhuǎn)速下，重新啟動后同步電動機定子電流、耗能均降低，流量反而增加，對應(yīng)了疇壁膨脹初期的機組性能。

4 可逆退磁原因分析

永磁電動機運行時的發(fā)熱，均來自于電機的損耗，而轉(zhuǎn)子損耗包括永磁體損耗和諧波損耗[2]等。永磁電動機運行過程中，由于Nd-Fe-B永磁材料傳熱性差，熱量向外傳導(dǎo)的速度慢，在永磁體損耗和諧波損耗的不斷作用下，造成轉(zhuǎn)子溫度逐漸升高。

表1 2018年4月2日1#機組重啟動前后數(shù)據(jù)對比

由圖1可知，韓莊泵站Nd-Fe-B永磁材料在160℃以下運行時，其退磁曲線為直線，隨著溫度的逐漸升高其磁感應(yīng)強度逐漸降低，功率角增大。在變頻器自動調(diào)節(jié)作用下，為保證機組的軸功率，就需要增加變頻器輸出電壓、輸出電流，從而導(dǎo)致機組運行能耗增高，效率降低，而當(dāng)Nd-Fe-B永磁材料運行溫度超過160℃時，永磁材料將產(chǎn)生不可逆的退磁。

5 機組安全與經(jīng)濟運行建議

由前述可知，永磁同步電動機長期運行可逆退磁對機組能耗及效率的影響是非常明顯的，可以進(jìn)一步推測可逆退磁最惡劣的工況就是同步電動機失步或者超額定電流運行。而不可逆退磁帶來的影響更加嚴(yán)重，將對永磁電動機性能造成不可逆的損害，直接影響工程運行安全及效益發(fā)揮。因此筆者針對如何保證韓莊泵站工程永磁電動機的安全運行、經(jīng)濟運行提出以下建議：

1）定期開展機組內(nèi)部檢查，重點檢查轉(zhuǎn)子永磁材料環(huán)氧漆護套的完好性，在維修、養(yǎng)護作業(yè)過程中，加強對磁極的防護，避免鈍擊造成永磁材料環(huán)氧漆護套的損壞。

2）嚴(yán)格控制磁鋼材料環(huán)境濕度，采用更加可靠地除濕機，設(shè)定自動除濕，保持環(huán)境干燥。

3）改造機組冷卻系統(tǒng)，改善機組冷卻性能，降低永磁同步電動機運行過程中的轉(zhuǎn)子溫升速度。

4）定期檢查、校驗機組溫度傳感器、溫度保護裝置，確保溫度保護動作可靠，避免高溫造成永磁材料不可逆退磁。

5）在排除外界因素影響的條件下，應(yīng)根據(jù)機組裝置效率、能耗、溫度等參數(shù)變化情況定期重啟機組或調(diào)換機組運行。