永磁变频技术原理与应用

李建文

（大唐安阳发电有限责任公司）

摘要：本文通过对XX发电有限责任公司热网疏水泵永磁变频技术的应用实例进行原理、选型、应用、常见故障等进行全面阐述分析，给相关技术和研究人员提供一定的实践经验，促进该技术的不断完善和提高。

关键词：永磁；实例；实践；完善和提高

1.简介

XX发电有限责任公司目前存量机组2×320MW热电联产机组，编号分别为#9和#10，总装机容量为640MW，于1998年投产。2015年供热期前改造为热电联产机组并在供热期投入运行，2015-2016供热期运行平稳，各项参数合格。

为方便与市区原有热网联网运行，本期厂内供、回水母管均与原有#1、#2采暖机组热网工程联网，便于运行调度和提高供热的可靠性。热网供水设计参数为1.3MPa、130℃。

#9、10机组热网供热首站采用两套机组合建一个首站的方案，热网加热器加热系统和疏水系统均采用单元制。站内设置6台热网加热器（其中包括两台低压热网加热器）和6台热网疏水泵（其中两台为变频电机配6kv永磁变频器）、3台热网循环水泵，其中两台主力热网循环水泵采用2.6MW背压式汽轮机拖动，另外配置一台定速电动循环水泵作备用。

#9、10机组热网加热器疏水系统采用单元制，其疏水经过疏水泵分别输送到各自机组的#5低加凝结水出口处再进入除氧器内，并在进出口母管上设一再循环管，以满足启动的要求。全站每单元设置3台疏水泵，每单元疏水泵2运1备，其中一台为变频电机控制。

#1、2机组热网系统疏水泵原设计为六台定速泵（每机组3台），型号250NW-47×3，电机型号YKK3552-4，轴功率200kW。2016年完成了每机组一台热网疏水泵的永磁变频控制改造。由于未在供热期，因此其节电实际效果还未验证，但由于其采用的永磁变频技术与#9、10机组采用的技术一致，因此可以采用#9、10机组热网疏水泵效果来验证#1、2机组热网疏水泵永磁变频控制改造的节电预期。

2.传统变频技术的发展和限制

自20世纪80年代以来，随着磁场定向控制理论和异步电动机转子磁场定向矢量控制技术的发展，并伴随着电力电子器件的发展，大容量、高耐压开关器件开发，以及串、并联应用技术和控制技术的应用，实现了变频器大容量化的目的。智能功率模块（IPM）和复合集成功率模块的不断发展，集功率开关器件、驱动电路、保护电路在同一封装内，实现了变频器髙性能、高可靠性，小型化的发展方向。变频技术已经广泛应用在各行各业和生活当中，其显著的节能效果和对人、机、环的和谐关系都使得其得到了长足发展和广泛应用。在火力发电厂中，引风机、一次风机、凝结水泵、循环水泵等具有变流量需求的风机和水泵、油泵都可以采用变频控制技术控制，其节电率达到10-60%。特别是随着近年来发电机组容量的不断快速增加，机组负荷率越来越低，变频控制技术的节能优势得到进一步放大。

变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高和节能压力的不断加大，变频器也得到了非常广泛的应用。

但是，随着传统变频器的不断发展，其缺点也越来越引起应用者们的重视，归纳起来主要包括：一是，变频器在交-直-交变频过程中逆变时会产生较多的高次谐波成份，影响电源质量，并造成较多的干扰。二是，对使用环境的要求较为严格，其使用的环境要求粉尘、温度和湿度必须符合变频器运行条件，环境温度要求在0-40℃范围内，最好能够控制在25℃左右，湿度不超过95%，且无凝结或水雾。三是，变频器的技术要求高，保密性强，所以在变频器内部发生故障后必须联系厂家提供技术支持，一般是将损坏元件或整机发回厂家，由厂家进行维修。四是，老化周期快。根据使用经验来看，一般5-6年后变频装置开始出现各类故障，维护量和维护费用急剧增加。

3.永磁变频技术简介

近年来兴起的永磁变频技术，是利用磁力驱动负载工作，实现了电机与负载之间非接触的扭力传递。永磁变频技术与传统变频器比较的优势在于：

1、永磁调速器使电机和负载分开，无机械连接，隔离振动；变频器无此功能。永磁调速器安装简便，容忍较大的对中误差。80%以上的转动设备都是由于振动而出现故障的，大多数的振动都是因为轴心偏移，另外是由于设备的不平衡和共振。永磁耦合技术减振的关键在于通过空气间隙传递扭矩，而没有直接的物理连接。空气间隙通常为3mm左右。偏心是安装和维修成本的主要原因，一般可允许的偏离为0.05mm甚至更小，需要激光对心。永磁调速技术允许0.5mm的偏离而不会产生振动，直接就可以进行安装。

2、传统变频器需要大的安装空间，并且对环境要求高，特别是环境温度直接影响变频器的正常可靠运行。而永磁变频控制设备安装无特殊环境要求，能适应恶劣环境，如粉尘、潮湿等恶劣环境，绿色环保，且无谐波或其他电磁辐射问题，对环境友好适应性强，稳定性高。

3、纯机械构造，无接触，无摩擦，长寿命周期。相比传统变频器、内馈斩波调速设备、液力耦合器等其他调速节能设备，永磁调速结构最为简单，寿命周期可长达30年。

4、永磁调速器基本为免维护产品，运行成本低。而传统变频器随着使用年限的增加，故障率逐年提高，变频器运行维护费高，配件贵，维护保养难度大，寿命周期内的维护成本通常都超过初次采购成本；折算起来，永磁调速器的整个使用寿命周期相当于6台传统变频器使用寿命周期累加之和。

5、简单、可靠、高效的调速节能性能。在全速运转时，永磁调速器的工作效率能达到97%左右，在风机水泵系统中，其节能率通常为10%~50%。

4.应用实例

在#9、10机组进行供热改造、建设热网首站之前，XX发电厂#1机组#1热网疏水泵和#2机组#1热网疏水泵也进行了永磁变频改造（原为工频泵），改造前设备型号250NW-47×3，改造后型号RDCOT430F调速型磁力偶合器，输入转速1500r/min，传递功率200kW，滑差3%。

#1、2机组机组热网疏水泵电机加装永磁调速器具体实施改造方案：电机地脚螺栓不动，基础二次浇灌部分打掉约150mm，改为钢架基础（若原已是钢架基础，则改造更为简单），考虑安装长度，电机后移约200mm，把永磁调速器的导体转子连接到电机轴，永磁转子和调速机构连接到负载轴（调速机构也可安装在电机端），并给电动执行器接上电源和信号线，各参数和数据输送到集控室DCS监控系统，实现远控和监视。

结合#9、10机组低压热网疏水泵永磁变频运行状况和参数，可以看出：供热抽汽流量236T/H工况下，永磁变频控制的#2低压疏水泵电流为124A左右，工频泵电流为158A左右，相差34A，节电率达到了21.52%。由于采用相同的永磁技术，因此预计#2机组热网疏水泵在供暖初、末季实际节电率不小于15%到20%。

按照节电率20%计算，#1、2机组#1热网疏水泵工频电流24.4A，永磁变频运行期间为19.52A左右（按电流降低20%计算），电压6kV，功率因数设计值为0.85，供热初、末期均按照15天计算，那么节电量=（24.4-19.52）×1.732×6000×0.85×30×24=31036kW，即3.1万千瓦时，按照上网电价0.4元/千瓦时计算，节约成本1.24万元。

折标煤：3.10*3.1吨标煤/万kwh=9.61吨。

可减少碳排放量9.61*0.68=6.53吨。

投资回收期计算：单台热网疏水泵投资18万元，回收周期18/1.24=14.51，即15年。

该改造项目的投入与产出比是不合理的。但从另外一方面考虑，采用永磁变频调节带来的设备维护费用降低、人员劳动强度降低和供热安全性的提高，可以从以往检修费用来计算：

包含采用永磁变频后减少机封、轴承更换、减少工人劳动强度的效益，两项可节约2.5万元。

采用永磁变频控制技术后节省的3.1万千瓦时电量可以上网，产生经济效益1.24万元，这样综合效益（不考虑供热安全性）达到3.74+1.24=4.98万元，回收周期为18/4.98=3.61年。

5.经验总结

永磁变频技术在其他厂已经得到了广泛应用，#9、10机组热网首站低压疏水泵也运行良好。在应用永磁变频技术的过程中，我们也要注意以下几点：

1、新技术，特别是有应用实例的节能新技术，在通过实地考察并到厂家实地考察后，认为技术力量、产品质量过硬的，是可以推广应用的。

2、对招标技术要求，要充分体现对质量的要求，特别是专利技术的限制，防止抄袭、假冒技术，对应用实例、业绩要提出数量、容量上的要求并实地考察，不能用电话了解替代实地考察。

3、在技术要求和协议中，对设备附件、组成的部件，尽量提出详细的质量要求，在合同中明确投标单位的赔偿责任并严格执行。

作者简介：

李建文，大唐安阳发电厂设备管理部节能高级主管，河南省安阳市殷都区华祥路一号XX发电厂设备管理部455004