變頻控制高壓永磁同步電機在取水泵站的應(yīng)用

沈健

摘 ?要：隨著高性能釹鐵硼稀土永磁材料的加工技術(shù)和變頻控制技術(shù)的迅速發(fā)展，永磁同步電機的應(yīng)用越來越廣泛。永磁同步電機具有節(jié)能高效、體積小等優(yōu)點。然而在水務(wù)行業(yè)，永磁同步電機的應(yīng)用較少。本文通過介紹高壓永磁同步電機及其配套變頻控制系統(tǒng)的特點和應(yīng)用情況，分析高壓永磁同步電機在低轉(zhuǎn)速水泵上的優(yōu)勢和適用性，為其在水務(wù)行業(yè)的使用和推廣提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：高壓永磁同步電機;高壓變頻器;取水泵站;低轉(zhuǎn)速大流量水泵

前言

原水公司下轄金澤水庫承擔(dān)上海市閔行、奉賢、金山、松江和青浦五個區(qū)域的原水供應(yīng)。水庫僅設(shè)有一個取水閘，水庫水位受太浦河水位限制。為增加水庫擇機取水能力，在金澤水庫取水閘附近新建取水泵站一座。泵站裝有6臺立式軸流泵，額定轉(zhuǎn)速較低（187.5r/min），需要使用同步電機，以滿足水泵低轉(zhuǎn)速的需求。其中4臺機組采用傳統(tǒng)勵磁同步電機加勵磁裝置的形式，2臺機組采用永磁同步電機加變頻裝置的形式，在進行新型科學(xué)技術(shù)應(yīng)用和創(chuàng)新的同時，又保障了取水泵站供水的可靠性。通過對比傳統(tǒng)勵磁同步電機在金澤取水泵站相同水泵上的使用情況，分析永磁同步電機的優(yōu)缺點。

1、永磁同步電機特點

由于早期永磁同步電機的永磁材料價格貴、磁場控制困難、使用不當(dāng)可能會造成不可逆的退磁，因此一直沒有得到廣泛使用。隨著永磁材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其是高性能稀土釹鐵硼（NdFeB）永磁材料性能的不斷提高和完善，以及變頻控制技術(shù)日趨成熟，低速大扭矩永磁同步電機得到了迅速發(fā)展。與傳統(tǒng)的感應(yīng)式電機相比，永磁同步電機具有許多明顯的優(yōu)點，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1、效率高

永磁同步電機轉(zhuǎn)子沒有繞組，而是采用永磁材料代替，轉(zhuǎn)子無感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子無電阻損耗，低轉(zhuǎn)速的永磁同步電機轉(zhuǎn)子無風(fēng)扇，風(fēng)摩擦損耗低，從而提高了電機效率。[1]

1.2、功率因數(shù)高

永磁同步電機轉(zhuǎn)子無勵磁電流，電機無功功率小，所以功率因數(shù)比感應(yīng)式電機高。從圖1所示曲線可以看出，永磁同步電機運行效率和運行功率因數(shù)受負載率變化影響不大，在取水泵站水泵常用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)區(qū)間內(nèi)電機效率較高、功率因數(shù)大于0.95。[2]

1.3、體積小，重量輕

由于永磁同步電機轉(zhuǎn)子是由高性能的永磁體構(gòu)成，磁通密度高，結(jié)構(gòu)簡單，體積緊湊，所以永磁同步電機相對感應(yīng)式電機尺寸要小，尺寸和重量大約減少了一半。[3]

1.4、溫升低

永磁同步電機效率高，轉(zhuǎn)子繞組中不存在電阻損耗，定子繞組中較少有或幾乎不存在無功電流，使電機溫升低，延長了電機的使用壽命。[4]

2、變頻器控制系統(tǒng)

2.1變頻器主回路結(jié)構(gòu)

永磁同步電機配套高壓變頻器是電壓源型，變頻器輸入側(cè)的6KV電源通過移相變輸出三組改變相位差的電源給小功率單元供電，主回路每相通過3個小的功率單元疊加組成。功率單元由IGBT整流模塊和IGBT 逆變模塊組成多電平PWM控制系統(tǒng)，每個輸出1.27KV左右的電壓，通過每相上3個功率單元的電壓疊加后，在變頻器輸出側(cè)得到一個6KV的高電壓。通過這種多個電壓疊加方式獲得的電壓波形失真度較小、諧波含量低，可以有效的減少電動機發(fā)熱、共振、轉(zhuǎn)矩脈動等問題。

2.2 永磁同步電機調(diào)速控制原理

永磁同步電機在工頻電源下自身無起動轉(zhuǎn)矩，需要配套變頻器對其控制，實現(xiàn)啟動和調(diào)速控制。永磁同步電機的變頻調(diào)速是通過控制電機電磁轉(zhuǎn)矩Te來實現(xiàn)的，在dq轉(zhuǎn)子坐標系中Te的公式為：

Te =1.5np （Ψd i q-Ψq id）

=1.5np iq （Ψf + （ L d – L q ） id）

=Te1+Te2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

而永磁轉(zhuǎn)矩Te1、磁阻轉(zhuǎn)矩Te2都與轉(zhuǎn)矩的電流分量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）

永磁同步電機轉(zhuǎn)矩控制可以通過控制轉(zhuǎn)矩的電流分量來實現(xiàn)。變頻器根據(jù)調(diào)速需求，通過一系列復(fù)雜的等效電路、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程、坐標變換計算出合理的電動機轉(zhuǎn)矩與磁鏈目標值，控制逆變器三相輸出電流緊緊跟隨該目標值，實現(xiàn)對永磁同步電機矢量控制。[5]

2.3 初始磁極位置檢測

永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁極初始位置直接影響永磁同步電機的啟動轉(zhuǎn)矩和重載啟動能力，因此，在永磁同步電機啟動前變頻器能否準確辨識出轉(zhuǎn)子磁極的初始位置十分重要;經(jīng)帶載測試，利用變頻器啟動的永磁同步電機在啟動過程中電流平穩(wěn)無沖擊。配套變頻器采用脈沖電壓法來檢測初始磁極位置，其基本原理是根據(jù)定子繞組電感量與定子鐵芯飽和度成反比的關(guān)系，利用定子電感量的變化檢測出電機初級磁極的位置。[6]

3 永磁同步電機與勵磁同步電機對比

取水泵站2臺永磁同步電機和4臺勵磁同步電機在同樣的水泵上使用，水泵的運行工況均相同。下面根據(jù)實際運行使用情況對比永磁同步電機與勵磁同步電機。

3.1 電機參數(shù)

取水泵站永磁同步電機與勵磁同步電機的參數(shù)如表1所示，兩種電機的額定電壓、功率、轉(zhuǎn)速均相同，但永磁同步電機的扭矩、效率、功率因數(shù)均高于勵磁同步電機。

3.2 體積、重量

永磁同步電機與勵磁同步電機的外形尺寸如圖3所示，永磁同步電機在外形尺寸上優(yōu)勢明顯，其直徑只有勵磁同步電機的45%，重量比勵磁同步電機要少46%，占用泵房空間小，對電機基礎(chǔ)平臺的承重要求小，泵房面積也可以減少，從而節(jié)約基建投入的費用。

3.3 冷卻方式

勵磁同步電機采用水冷卻的方式，上下油箱內(nèi)盤向管分別接入清潔的冷卻水來降低軸瓦的溫度，并配套了冷卻水循環(huán)泵和冷卻水池，安裝時還需要接管道、閥門、壓力表等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜;而永磁同步電機由于溫升低、發(fā)熱量小，采用的是自然冷卻的方式，在安裝時更為方便。

3.4 設(shè)備安裝

勵磁同步電機由于體積大，電機以散裝形式運輸，到達現(xiàn)場后要安裝轉(zhuǎn)子、推力瓦、導(dǎo)向瓦、盤向管等零部件，還需要測量定轉(zhuǎn)子間磁場間隙、轉(zhuǎn)子擺度，安裝耗時長，難度相對較高;而永磁同步電機由于體積小，推力軸承采用角接觸軸承，不用現(xiàn)場安裝調(diào)節(jié)，電機作為整機運送到現(xiàn)場后就位即可，安裝方便。

永磁同步電機需要配套變頻器作為啟動控制裝置，而變頻器安裝接線較為復(fù)雜，需要安裝在專用的變頻器室以滿足其冷卻要求，在取水泵站無需調(diào)速的場所變頻器用處不大;而勵磁同步電機的勵磁裝置結(jié)構(gòu)比變頻器簡單，占用空間小，安裝調(diào)試方便。

3.5 節(jié)能效果

兩種電機的運行數(shù)據(jù)（如表2所示）是在取水泵站實際運行工況下進行記錄，由于永磁同步電機配套變頻器也存在一定損耗，因此永磁同步電機的輸入功率從變頻器6KV進線開關(guān)智能電表上記錄所得;勵磁同步機組輸入功率由定子側(cè)輸入功率和轉(zhuǎn)子勵磁裝置輸入功率兩部分組成，數(shù)據(jù)分別從定子6KV進線開關(guān)、勵磁裝置380V進線開關(guān)智能電表上記錄所得。

通過表2數(shù)據(jù)分析可知，在水泵相同水功率的工況下，永磁同步電機輸入功率比勵磁同步電機低2.5%左右。勵磁同步電機還需加上冷卻水系統(tǒng)能耗，因此永磁同步電機更加節(jié)能。

3.6 運行維護

在運行維護方面，勵磁同步電機需要定期更換潤滑油，轉(zhuǎn)子繞組有碳刷滑環(huán)，需要定期清潔、更換碳刷;永磁同步電機軸承只需添加潤滑油脂即可。在控制設(shè)備方面，風(fēng)冷型變頻器需要定期維護保養(yǎng)、清潔過濾網(wǎng)，而勵磁同步裝置的維護保養(yǎng)相對簡單。

結(jié)束語

綜上所述，永磁同步電機比勵磁同步電機更高效節(jié)能、功率因數(shù)高、體積小、重量輕、噪音低、安裝維護方便，在低轉(zhuǎn)速水泵上的優(yōu)勢較為明顯，特別適合需要調(diào)速的泵站使用，在水務(wù)行業(yè)具有一定的推廣使用價值。

參考文獻

[1] 徐文鵬，于野，張雨.高壓大功率永磁同步電動機直驅(qū)技術(shù)在港口帶式輸送機上的應(yīng)用[J].起重運輸機械，2019（13）：119-123.

[2] 秦佳偉，邢艷榮.高壓高效永磁同步電機的應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2015（01）：63.

[3] 張壘.論變頻器控制永磁同步電機的理論和實踐[J].變頻器世界，2018（1）：53-59.

[4] 董明霞. 抽油機專用永磁同步電動機的研制及應(yīng)用[D].中國石油大學(xué)，2007.

[5] 袁章. 電動車永磁同步電機控制系統(tǒng)的研究[D].遼寧科技大學(xué)，2014.

[6] 胡慶波，張榮，管冰蕾，何金保，孔中華.永磁同步電機初始磁極位置檢測方法[J].電力自動化設(shè)備，2019，39（05）：194-200.

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