永磁電機(jī)在水利大型低揚(yáng)程水泵上的適用性

李玲玉

(上海友為工程設(shè)計(jì)有限公司，上海 200093)

近年來(lái)，隨著永磁材料性能改善和電力電子技術(shù)的發(fā)展，永磁電機(jī)的應(yīng)用范圍已越來(lái)越廣，其地位也越來(lái)越重要，從軍工到民用，從特殊到一般，迅速擴(kuò)大，不僅在微特電機(jī)中占有優(yōu)勢(shì)，還在電力推進(jìn)系統(tǒng)中顯示出其強(qiáng)大的生命力。特別是近20年來(lái)，現(xiàn)代永磁電機(jī)技術(shù)有了永磁材料和周邊技術(shù)的支撐，形成了快速發(fā)展的勢(shì)頭，并使永磁電機(jī)向大功率、大轉(zhuǎn)矩、耐高溫和智能化等方向不斷發(fā)展[1]。在航空航天、國(guó)防軍事、風(fēng)力發(fā)電、高鐵、汽車工業(yè)、石油化工等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[2-4]。

目前，永磁電機(jī)在水利泵站中的應(yīng)用實(shí)例不多，較早的有南水北調(diào)韓莊泵站[5]，近期在上海幾座中型泵站得到了應(yīng)用。其中，由于大型高壓永磁電機(jī)在水利泵站中應(yīng)用實(shí)例較少，故文章結(jié)合某在建大型豎井貫流泵參數(shù)，對(duì)高壓永磁電機(jī)在大型低揚(yáng)程水泵上的適應(yīng)性問(wèn)題做研究分析。

1 永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

永磁電機(jī)是由永磁體建立勵(lì)磁磁場(chǎng)，利用磁引力拉動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，永磁轉(zhuǎn)子跟隨定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的裝置。永磁電機(jī)與異步電機(jī)的主要區(qū)別在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，異步電機(jī)為鼠籠式轉(zhuǎn)子，永磁電機(jī)為嵌入或表貼磁鋼式轉(zhuǎn)子，這種方式對(duì)于繞組的工藝要求一般，簡(jiǎn)化了電機(jī)結(jié)構(gòu)。永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)

永磁電機(jī)由于轉(zhuǎn)子采用永磁體制成，不需要?jiǎng)?lì)磁電流，消除了勵(lì)磁損耗。與異步電機(jī)相比，大幅度減少了無(wú)功電流，效率高(關(guān)系有功電能)和功率因素高(關(guān)系無(wú)功電能)。與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)相比，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、質(zhì)量輕、損耗少、效率高及功率因數(shù)高等顯著特點(diǎn)，電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣，應(yīng)用范圍廣泛。

2 大功率永磁電機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

永磁電機(jī)由于其自身原理與結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，具有體積更小、效率更高、噪音低、易于遠(yuǎn)程控制、重量輕等特點(diǎn)?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，大功率永磁電機(jī)在風(fēng)電、高鐵及火電上的應(yīng)用已經(jīng)逐漸發(fā)展起來(lái)，在各行業(yè)的使用特點(diǎn)與在水泵上的使用特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 各行業(yè)永磁電機(jī)的應(yīng)用對(duì)照表

3 永磁電機(jī)在水利行業(yè)大型水泵上的適應(yīng)性分析

3.1 永磁電機(jī)優(yōu)勢(shì)分析

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)單泵流量在10m3/s以上的大型低揚(yáng)程水泵常采用豎井貫流泵、燈泡貫流泵、立式軸流泵和斜式軸流泵。其中，由于豎井貫流泵開挖深度較小、流道水力損失小、安裝運(yùn)行維護(hù)較方便，采用豎井貫流泵的案例越來(lái)越多。而豎井貫流泵的一般運(yùn)行轉(zhuǎn)速低于200r/min，受豎井空間限制，豎井貫流泵多采用異步電機(jī)配套齒輪箱減速的組合方式。表2是針對(duì)永磁電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，與水利行業(yè)大型水泵常規(guī)電機(jī)方案進(jìn)行的定性比較。

表2 永磁電機(jī)在水利行業(yè)大型水泵中優(yōu)勢(shì)定性分析

3.2 永磁電機(jī)和配套變頻器應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題

3.2.1永磁體退磁

如果設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)，永磁電機(jī)在過(guò)高(釹鐵硼永磁)或過(guò)低(鐵氧體永磁)溫度時(shí)，受到?jīng)_擊電流產(chǎn)生電樞反應(yīng)作用，或在化學(xué)作用下都有可能產(chǎn)生不可逆退磁，或叫失磁，使電機(jī)性能降低，甚至無(wú)法使用。

在高溫方面，電機(jī)冷卻方式有多種[6-7]，有自然風(fēng)冷、強(qiáng)制風(fēng)冷和水冷，其中水冷效果較好。根據(jù)韓莊泵站應(yīng)用情況，永磁材料可控制在不可逆退磁的溫度限值以下，避免不可逆退磁的發(fā)生，但長(zhǎng)期運(yùn)行溫度升高導(dǎo)致的可逆退磁對(duì)機(jī)組耗能及效率的影響也較為明顯[8]。

在大電流沖擊方面，水利行業(yè)永磁電機(jī)基本均配備變頻器，可較好地控制電流對(duì)磁鋼產(chǎn)生的影響。若遇到電機(jī)發(fā)生短路故障或瞬時(shí)過(guò)載產(chǎn)生的沖擊電流，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)由廠家復(fù)核或加強(qiáng)設(shè)計(jì)，并在制動(dòng)回路中加入制動(dòng)電阻消耗多余的能量。

在防腐方面，基本水利行業(yè)基本無(wú)特殊環(huán)境工況，且通過(guò)對(duì)永磁體表面防護(hù)特殊處理和磁極整體保護(hù)，可以有效避免這些化學(xué)因素的影響。

3.2.2制造難點(diǎn)

永磁電機(jī)在制造上還存在較多難點(diǎn)，如永磁材料利用率的提高、永磁體分散性給永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)分析和磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確性帶來(lái)的影響、充磁后磁場(chǎng)的均勻性等磁性能及其檢測(cè)方法、永磁體的加工工藝及磁鋼裝配，都需要更多的深入研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累。

3.3 變頻器的可靠性

由于變頻器使用的電子元件是有使用壽命的，同時(shí)安裝環(huán)境、電網(wǎng)電壓等因素影響變頻器的使用壽命。變頻器的壽命不是說(shuō)變頻器的設(shè)計(jì)壽命，而是在不同的工業(yè)環(huán)境下使用的壽命，即實(shí)際的使用年限。并且此壽命并不是一個(gè)立即生效的時(shí)間，而是根據(jù)故障率的大幅提高來(lái)判定的。在變頻器6～8年的老化故障期故障率相比平穩(wěn)期的隨機(jī)故障率為15倍左右，備件替換頻繁。為確保變頻器可靠連續(xù)運(yùn)行，延長(zhǎng)使用壽命，需對(duì)日常的維護(hù)保養(yǎng)提出較高要求[9-10]。

3.4 技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性比較

以上海某泵站為例，對(duì)豎井貫流泵分別采用永磁電機(jī)配套變頻器方案與異步電機(jī)配套齒輪減速箱方案，并對(duì)兩種方案的尺寸、性能等差異進(jìn)行對(duì)比分析，詳見(jiàn)表3。

表3 機(jī)電部分技術(shù)及投資成本對(duì)比表

(續(xù)表)

從電機(jī)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)角度看，同類型技術(shù)指標(biāo)的異步電機(jī)應(yīng)用廣泛，相似技術(shù)指標(biāo)永磁電機(jī)在火力發(fā)電有應(yīng)用。

從設(shè)備布置角度看，永磁電機(jī)配套變頻器方案和異步電機(jī)配套齒輪減速箱方案，泵組都能較好布置，但變頻器所占電氣設(shè)備用房面積較大。

從運(yùn)行性能角度看，總體上永磁電機(jī)配套變頻器方案較好，尤其雙向運(yùn)行，有一定優(yōu)勢(shì)；異步高速電機(jī)配套齒輪減速箱方案能滿足性能要求。

從運(yùn)行維護(hù)角度看，永磁電機(jī)配套變頻器方案對(duì)環(huán)境要求較高。

從經(jīng)驗(yàn)實(shí)例角度看，目前常規(guī)低揚(yáng)程大流量泵站配套的永磁電機(jī)的電壓等級(jí)、功率與火力發(fā)電應(yīng)用實(shí)例相近，但使用年限不長(zhǎng)；異步電機(jī)配套齒輪減速箱方案有很成熟的應(yīng)用。

從經(jīng)濟(jì)角度看，兩個(gè)方案初期一次投資費(fèi)用接近，20年同壽命周期永磁電機(jī)配套變頻器方案投資費(fèi)用較大，但由于其可實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速功能，提高水泵效率，同時(shí)電機(jī)效率較高、功率因素高，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)多時(shí)泵站的年節(jié)電量高。

4 結(jié)論與建議

(1)永磁電機(jī)有其技術(shù)先進(jìn)性及突出的優(yōu)點(diǎn)，電機(jī)體積小、額定效率高，高效運(yùn)行的負(fù)載范圍寬、功率因數(shù)高、節(jié)能回報(bào)高、噪音低等在低揚(yáng)程大型水泵上有一定的優(yōu)勢(shì)，特別是在采用葉片正反轉(zhuǎn)的雙向水泵可實(shí)現(xiàn)，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)多時(shí)節(jié)電效果明顯。

(2)永磁電機(jī)應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)主要在退磁、電機(jī)的分析與設(shè)計(jì)和制造裝配工藝上。韓莊泵站中壓電機(jī)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)說(shuō)明，長(zhǎng)期運(yùn)行溫度升高導(dǎo)致的可逆退磁對(duì)機(jī)組耗能及效率的影響較為明顯。水利泵站工程目前在高壓大功率上無(wú)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，需要一個(gè)經(jīng)驗(yàn)積累完善的過(guò)程。

(3)配套變頻器使用的電子元件是有使用壽命的，受安裝環(huán)境、電網(wǎng)電壓等因素影響大，對(duì)日常維護(hù)保養(yǎng)要求高。