低速大扭矩永磁電機(jī)在低速泵上的應(yīng)用

王祥來 高林鋼

摘?要：水利工程或相關(guān)工程中使用的低速泵，絕大多數(shù)是依靠異步電機(jī)+減速機(jī)或直接采用低速異步電機(jī)來驅(qū)動(dòng)的，此類低速泵系統(tǒng)存在效率低、功率因數(shù)小、振動(dòng)噪音高、體積大等問題。上海市堤防（泵閘）設(shè)施管理處在工程實(shí)施中，通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、能效、安全可靠、智能環(huán)保等方面分析比較，成功地將低速大扭矩永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于低速泵。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有系統(tǒng)效率高、功率因數(shù)大、節(jié)能高效、振動(dòng)噪音低、體積小、運(yùn)行安全可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。投入運(yùn)行后取得了十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)保效益，有效解決了異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在的問題，提升了低揚(yáng)程、大流量泵閘類水利工程用低速泵的整體性能，可在該領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：永磁電機(jī);異步電機(jī);低速泵;推廣應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TV675;TM351?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.035

Application and Analysis of Low Speed and High Torque Permanent Magnet Motor Drive

System in Low Speed Pump of Water Conservancy Project

WANG Xianglai1， GAO Lingang2

（1.Shanghai Dike Pump and Gate Facilities Management Office， Shanghai 200080， China;

2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， China）

Abstract：Most of the low-speed pumps used in water conservancy projects or related projects are driven by asynchronous motors and speed reducers or directly using low-speed asynchronous motors. Such low-speed pump systems have problems such as low efficiency， low power factor， large noise and vibration and large volume. During the project implementation， Shanghai Dike Pump and Gate Facility Management Office successfully applied low-speed high-torque permanent magnet motor drive system to low-speed pumps through analysis and comparison in terms of technology， economy， energy efficiency， safety and reliability and intelligent environmental protection. The drive system has many advantages， such as high efficiency， high power factor， high energy saving， low noise， small volume， safe operation and so on. Since it was put into operation， it had achieved obvious economic， social and environmental benefits， effectively solved the problems existing in the asynchronous motor drive system and improved the overall performance of low-speed pumps for water conservancy projects such as low-head and large-flow pump sluice， which could be popularized and applied in this field.

Key words： permanent magnet motor; asynchronous motors; low speed pump; popularization and application

1?引?言

在引水調(diào)水、防洪排澇、污水處理、農(nóng)田灌溉、河道治理、環(huán)境保護(hù)等方面，低揚(yáng)程、大流量泵被大量使用[1]，且多為400 r/min以下的低速泵[2]。通常，低速泵絕大多數(shù)是依靠異步電機(jī)+減速機(jī)或直接采用低速異步電機(jī)來驅(qū)動(dòng)的[3]。此類低速泵系統(tǒng)效率低、振動(dòng)噪音高，用低速異步機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，效率低、功率因數(shù)小、體積大、維護(hù)工作量大等問題[4]比較突出。

低速大扭矩永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[5]采用的是一種由低速永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)低速泵的新式傳動(dòng)技術(shù)，免去了減速機(jī)這一傳統(tǒng)部件。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有效率高、功率因數(shù)大、節(jié)能高效、振動(dòng)噪音低、體積小、運(yùn)行安全可靠、智能控制、智能監(jiān)控、智能維護(hù)等[6]諸多優(yōu)點(diǎn)。采用無減速機(jī)的直驅(qū)方式能有效地減少因齒輪箱磨損而造成的機(jī)組故障[7]，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和壽命，減少維護(hù)成本[8]，因而在水利工程或相關(guān)工程中越來越受到關(guān)注[9-10]。上海市堤防（泵閘）設(shè)施管理處在上海西大盈泵閘工程實(shí)施中，成功地將低速大扭矩永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于低速泵，投入運(yùn)行以來取得了十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)保效益，有效解決了異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在的問題，提升了低揚(yáng)程、大流量泵閘類水利工程用低速泵的整體性能。

2?低揚(yáng)程、大流量低速泵在水利工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1?異步電機(jī)+減速機(jī)的豎井貫流泵

異步電機(jī)+減速機(jī)的豎井貫流泵結(jié)構(gòu)形式及工程應(yīng)用見圖1。該類豎井貫流泵一般采用4極至8極的異步電機(jī)+減速機(jī)來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，軸向長(zhǎng)度大，減速機(jī)齒輪易磨損，需要定期更換潤(rùn)滑油，維護(hù)工作量大，維護(hù)成本高，系統(tǒng)效率較低。因?yàn)橛懈咚傩D(zhuǎn)和摩擦部分，所以振動(dòng)噪音高，系統(tǒng)效率較低。

2.2?異步電機(jī)直驅(qū)的斜軸泵

異步電機(jī)直驅(qū)的斜軸泵結(jié)構(gòu)形式及工程應(yīng)用見圖2。該類異步電機(jī)直驅(qū)的斜軸泵所采用的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速一般在200～300 r/min之間，雖然低速異步電機(jī)直驅(qū)省去了減速機(jī)，但低速多極異步電機(jī)受結(jié)構(gòu)、工藝、散熱等多因素影響，電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝難度大，且電機(jī)體積大，質(zhì)量大，效率低，功率因數(shù)cos Φ極?。ㄒ话銥?.6左右，低負(fù)載時(shí)更低，需要配置大功率無功補(bǔ)償），且電機(jī)無功電流大，在輸配電方面至少要加大1/3的容量。

2.3?立式低速異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的立式軸流泵

立式低速異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的立式軸流泵結(jié)構(gòu)形式及工程應(yīng)用見圖3。該類立式低速異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的立式軸流泵與異步電機(jī)直驅(qū)的斜軸泵一樣，存在低速多極電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝難度大，且電機(jī)體積大、質(zhì)量大、效率低、功率因數(shù)cos Φ極小等缺點(diǎn)。

2.4?異步電機(jī)+減速機(jī)和低速異步電機(jī)直驅(qū)的潛水貫流泵

異步電機(jī)+減速機(jī)和低速異步電機(jī)直驅(qū)的潛水貫流泵，系統(tǒng)振動(dòng)、噪音高的問題更加突出，且結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。而低速異步電機(jī)結(jié)構(gòu)，主要受異步電機(jī)體積大的影響，流道截面面積減小等問題比較突出。

3?低速大扭矩永磁電機(jī)的巨大優(yōu)勢(shì)

3.1?永磁電機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用

永磁電機(jī)是由永磁體建立勵(lì)磁磁場(chǎng)從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的裝置。自1983年磁性能更高而價(jià)格相對(duì)較低的高效釹鐵硼永磁材料問世后，國(guó)內(nèi)外研究開發(fā)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到工業(yè)和民用永磁電機(jī)上，近十年來在各類行業(yè)中得到了較多的應(yīng)用。高效釹鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)的效率比同規(guī)格的感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)提高2%～8%，且它在25%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和較大的功率因數(shù)，使得輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更為顯著。

永磁電機(jī)在低速大扭矩方面優(yōu)勢(shì)非常明顯（這里所指的低速一般指400 r/min以下的轉(zhuǎn)速，50 r/min以下一般稱為超低速），非常適合作為水利工程中的低揚(yáng)程、大流量低速泵（轉(zhuǎn)速一般為150～400 r/min）的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在工程應(yīng)用中具有效率高、功率因數(shù)大、節(jié)能高效、振動(dòng)噪音低、體積小、運(yùn)行安全可靠等特點(diǎn)。

3.2?低速永磁電機(jī)與低速異步電機(jī)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比較

為了進(jìn)一步分析低速大扭矩永磁電機(jī)的特點(diǎn)，下面結(jié)合20極永磁電機(jī)和20極異步電機(jī)定、轉(zhuǎn)子具體結(jié)構(gòu)的差異，剖析永磁電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。圖4為永磁電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子，圖5為異步電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子。

異步電機(jī)定子一般有120個(gè)以上線圈，轉(zhuǎn)子銅排一般也在100根以上。相比永磁電機(jī)，異步電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子工藝都復(fù)雜得多，一般電機(jī)廠家難以制作。尤其是異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子銅排有低壓大電流，轉(zhuǎn)子還有渦流，并產(chǎn)生大量的熱量，這就帶來了棘手的散熱問題（一般采取徑向、軸向式導(dǎo)出體外等綜合散熱措施），不得不加大轉(zhuǎn)子體積。而永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子無需散熱，使得工藝、結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，且安全可靠性提高。

3.3?低速永磁電機(jī)應(yīng)用在低速泵上的優(yōu)勢(shì)

低速永磁電機(jī)在低速泵上應(yīng)用，具有以下優(yōu)勢(shì)：①體積小，質(zhì)量小，易于安裝，對(duì)基礎(chǔ)等配套設(shè)施要求低，例如20極300 r/min的低速永磁電機(jī)的質(zhì)量?jī)H相當(dāng)于同轉(zhuǎn)速異步電機(jī)的1/2到1/3;②節(jié)能高效，永磁電機(jī)一般效率在96%以上，功率因數(shù)在0.97以上，而異步電機(jī)效率在92%以下，功率因數(shù)在0.66左右;③低振動(dòng)噪音，低揚(yáng)程大流量低速泵采用永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，沒有高速運(yùn)轉(zhuǎn)部分，其電機(jī)本身噪音與振動(dòng)較低，同時(shí)取消了減速機(jī)與其他傳動(dòng)裝置，消除了減速機(jī)和其他傳動(dòng)裝置的振動(dòng)與噪音，使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)、噪音更低;④由于永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子不存在散熱問題，因此運(yùn)行更加安全可靠，維護(hù)工作量小;⑤易于智能控制，采用專用變頻器，控制調(diào)速方便，故障保護(hù)功能齊全，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍廣，系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定;⑥由于轉(zhuǎn)子沒有感應(yīng)電流，因此轉(zhuǎn)子不發(fā)熱，溫升低，易于散熱;⑦由于無功電流很小，電機(jī)總電流比異步電機(jī)少1/3以上，從而可減少對(duì)上游的輸配電（包括變壓器、開關(guān)、電纜等）容量要求，使輸配電系統(tǒng)投資減小。

4?成功案例分析

在上海西大盈泵閘工程實(shí)施中，首次將日照東方電機(jī)有限公司研發(fā)的低速大扭矩永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于潛水貫流泵。這一新驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案與此項(xiàng)目原有方案（異步電機(jī)）相比，具有體積小，流量大，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，噪音低，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

4.1?泵閘工程概況

西大盈泵閘位于上海市青浦區(qū)趙屯鎮(zhèn)蔡家村。西大盈河北接吳淞江，南連黃浦江上游，全長(zhǎng)約50 km，是青浦區(qū)境內(nèi)一條骨干河道。新建泵閘由15 m3/s雙向泵站和12 m節(jié)制閘組成，其主要任務(wù)是防洪排澇、引排水改善水環(huán)境，兼顧通航。泵站共設(shè)3臺(tái)雙向潛水貫流泵（見圖6），單泵設(shè)計(jì)流量5 m3/s，正向設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.6 m，反向設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.0 m。配套電機(jī)功率為250 kW，電壓等級(jí)0.4 kV。泵組葉輪中心安裝高程為-0.5 m。為滿足水泵運(yùn)行要求，水泵兩側(cè)流道各設(shè)一道工作閘門，均采用液壓?jiǎn)㈤]方式。

4.2?永磁電機(jī)與普通異步電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)比較

永磁電機(jī)與普通異步電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)比較見表1。

4.3?實(shí)際運(yùn)行情況

在完成泵站設(shè)備安裝及聯(lián)動(dòng)調(diào)試后，泵閘進(jìn)行了連續(xù)24 h試運(yùn)行。在24 h連續(xù)負(fù)載運(yùn)行的條件下，泵組運(yùn)行情況見表2。

在完成新系統(tǒng)的安裝與調(diào)試之后，實(shí)際運(yùn)行中，新系統(tǒng)大幅減少了輸配電配套設(shè)施成本。

（1）原變壓器選用1 000 kVA變壓器，采用永磁電機(jī)后，使用800 kVA變壓器。

（2）由于電流減小幅度比較大，因此電纜及開關(guān)選用規(guī)格比原先降低。

4.4?評(píng)估分析

上海電器設(shè)備檢測(cè)所對(duì)該低速大扭矩永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)估分析，并與異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比較，結(jié)果顯示：貫流系（永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)）的有功功率下降9 kW，節(jié)能率10.3%;貫流系（永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)）的無功功率下降253.5 kVar，節(jié)能率78.8%;異步電機(jī)綜合功率為106.7 kW，貫流系（永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)）綜合功率為82.5 kW，綜合節(jié)能率為22.7%;貫流系（永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)）的噪音下降6.1 dB;貫流系（永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)）的單小時(shí)用電量有所下降，下降幅度為9 kW·h/h;貫流系（永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)）的輸送單位水量所需功率有所下降，下降幅度為8.3%。

從以上設(shè)計(jì)計(jì)算和實(shí)際運(yùn)行情況看，采用潛水永磁電機(jī)作為貫流泵的配套電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)行的低溫升、低振動(dòng)噪音，不僅解決了以往異步電機(jī)功率因數(shù)過小、無功功率過大的問題，而且實(shí)現(xiàn)了節(jié)能20%以上的目標(biāo)。

5?結(jié)?語

低速大扭矩永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于低速泵，具有系統(tǒng)效率高、功率因數(shù)大、節(jié)能高效、振動(dòng)噪音低、體積小、運(yùn)行安全可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。以上海西大盈泵閘工程作為實(shí)際案例進(jìn)行分析，該工程投入運(yùn)行以來，取得了十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)保效益，有效解決了異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在的問題，提升了低揚(yáng)程、大流量泵閘類水利工程用低速泵的整體性能，證明采用低速大扭矩永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的低速泵具有較大優(yōu)勢(shì)，必將在該領(lǐng)域得到推廣與應(yīng)用。

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【責(zé)任編輯?許立新】