永磁电机在300MW直接空冷机组空冷岛中的应用

永磁电机在300MW直接空冷机组空冷岛中的应用

刘明鑫,孙明皓,尹朋

（辽宁调兵山煤矸石发电有限责任公司，辽宁 调兵山 112700）

摘要：传统空冷岛风机系统采用变频器+变频调速三相异步电动机+减速机+风机的方式。通过对一台空冷风机利用永磁电机进行改造案例的阐述及节能分析，表明永磁电机在空冷系统的应用不仅降低了空冷风机减速机的机械损耗、节约电能，而且取消了减速机的维护工作，节约了大量维护成本。为今后空冷岛节能改造提供实际案例。

关键词：永磁电机；空冷岛；减速机；节能；

1 改造必要性

1.1传统空冷岛风机结构

传统空冷岛风机系统采用变频器+变频调速三相异步电动机+减速机+风机的方式。由于异步电动机转速较高，需用减速机降低转速与风机相配合；同时利用变频器调节电机转速，以满足不同季节、不同负荷系统运行要求，控制机组背压。

1.2改造的必要性

我厂空冷岛风机已运行近9年时间，每年需要对减速机进行漏油、呼吸器损坏、轴承磨损、更换油质等维护；减速机长时间运行，由于齿轮磨损等因素需要对减速机进行整体更换。我厂两台机组共计60台空冷风机，每年需要投入大量人力和资金对空冷风机进行维护，增加企业运营成本。

2永磁电机结构特点及工作原理

2.永磁电机结构特点

永磁电机主要是由转子、端盖及定子等各部件组成。定子结构与普通的感应电动机的结构非常相似，转子结构与异步电动机的最大不同是在转子上放有高质量的永磁体磁极，其特点如下：

1)永磁电机的磁场是由转子永磁体产生，从而避免通过励磁电流产生的励磁损耗，降低了电机的铜损和铁损，提高了效率；

2)永磁电机不需要无功功率来建立磁场，功率因数高；

3)永磁电机结构简单灵活，体积小、重量轻，尺寸和形状灵活多样；

2.2永磁电机工作原理

其工作原理与普通交流异步电动机相同。在交流异步电动机中，转子磁场的形成要分两步走：第一步是定子旋转磁场先在转子绕组中感应出电流;第二步是感应电流再产生转子磁场。在楞次定律的作用下，转子跟随定子旋转磁场转动，但又“永远追不上”，因此才称其为异步电动机。永磁电机是在转子上嵌上永久磁体直接产生磁场，省去了励磁电流或感应电流的环节，而且其磁极方向是固定的，那么根据同性相斥、异性相吸的原理，定子的旋转磁场就会拉动转子旋转。

3改造方案

根据空冷岛冷却系统的需求特点和低速永磁直驱电动机的独特性能，采用低速永磁直驱电动机取代了三相变频异步电动机和减速机，直接与风机进行联接，中间无齿轮箱连接。

将2号机组空冷岛301风机原有异步电机、减速机及连接对轮一起拆除。对原有的基础进行改造具备永磁电机安装（原来基础不允许破坏）；将TYC三相永磁同步电动机与基座固定，将电机轴与风叶进行连接固定；由于原有丹佛斯变频器不满足永磁电机调速控制，将变频器更换为带矢量控制的ABB变频器。为便于后期电量统计分析，在改造的301风机及相邻未改造的302风机处分别安装一块电度表，电度表倍率为60，即一个字为60KWh。

4节能分析

4.1节电分析

由于工况条件所致，现只能选取满频50Hz条件下进行节能对比。永磁电机频率在15.8Hz时风机转速与异步电机50Hz时的转速相同。在风机相同转速下301电机电流比其他风机电流低近30A，温度低20℃左右。

通过两块电度表抄表计算得出节电量如表1所示。改造后2号机空冷岛301风机24小时节电量为198KWh，折算到每小时节电量为8.25KWh。

通过空冷岛风机变频器本体控制面板瞬时功率查看，在风机同转速情况下，2号机空冷岛301风机瞬时功率为72.18 KW，2号机空冷岛302风机瞬时功率为81KW。两台风机瞬时功率差为8.82 KW。与电能表得出的每小时节电量基本一致。

通过空冷岛风机变频器本体控制面板瞬时功率查看，在风机同转速情况下，2号机空冷岛301风机瞬时功率为72.18 KW，2号机空冷岛302风机瞬时功率为81 KW。两台风机瞬时功率差为8.82 KW。与电能表得出的每小时节电量基本一致。

根据2017年全年2号机空冷岛301风机不同频率下运行小时数统计，如表所示，在50Hz满频状态下运行小时数为3783小时。

全年2号机空冷岛301风机在50Hz满频状态运行节电量为8.25KW×3783=31209.75 KWh，根据现阶段辽宁电网上网电价为0.3749元/KWh计算，节约电费为11700.53元。由于永磁电机在低频状态下节能效果更佳明显，预计301风机全年节约电费约为1.5万元。

4.2  维护费用分析

现阶段我厂每年需对部分减速机更换齿轮油，并定期补充甘油。更换每台减速机用油大概需45L齿轮油，嘉实多GS220齿轮油每升价格约为120元，更换一台减速机齿轮油费用为5400元。以每年对30台减速机进行齿轮油更换，一年费用约为16.2万元。

于空冷风机长期运行且运行周期已近9年，现减速机出现漏油、呼吸器损坏、轴承磨损、齿轮磨损情况较多，每年需返厂检修的减速机约为10台，呼吸器每年损坏约为10个。每台漏油、齿轮磨损处理费用约为6万元，更换呼吸器每个3000元，每年减速机维修费用约为63万元。

全年空冷岛风机减速机维护材料费用约为80万元。由于空冷岛风机减速机频繁故障、维护等工作，需要大量人工作业，导致人工成本增加。

5安全性分析

由于永磁电机改造导致空冷风机整体质量发生变化，对基础台板强度进行分析。台板在永磁电机安装位置受50000N压力时，在固定螺栓孔位置为受力最大位置大小为74.3MPa，此数值小于台板材质所允许的最大受力235MPa，此时台板安全系数3.07，分项系数0.32，符合国家GB 50017-2017《钢结构设计规范》中对分项系数的要求。

对风机在不同频率下振动、电流及温度进行测量，各项参数均合格。

结束语

通过2号机空冷岛301风机永磁电机改造实际案例，表明永磁电机在空冷岛中的应用，不仅能保证空冷岛安全稳定运行，而且降低了空冷岛电能的消耗，并且节省大量维护材料费用、降低人工成本，降低企业运行成本。

参考文献

[1]王秀和．永磁电机（第2版）[J]．北京：中国电力出版社，2011。

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部．GB 50017-2017《钢结构设计规范》．北京：中国建筑工业出版社，2017．