永磁變頻技術(shù)原理與應(yīng)用

永磁變頻技術(shù)原理與應(yīng)用摘要：本文通過對XX發(fā)電有限責(zé)任公司熱網(wǎng)疏水泵永磁變頻技術(shù)的應(yīng)用實例進(jìn)行原理、選型、應(yīng)用、常見故障等進(jìn)行全面闡述分析，給相關(guān)技術(shù)和研究人員提供一定的實踐經(jīng)驗，促進(jìn)該技術(shù)的不斷完善和提高。關(guān)鍵詞：永磁；實例；實踐；完善和提高簡介XX發(fā)電有限責(zé)任公司目前存量機(jī)組2X320MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，編號分別為#9和#10，總裝機(jī)容量為640MW，于1998年投產(chǎn)。2015年供熱期前改造為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組并在供熱期投入運(yùn)行，2015-2016供熱期運(yùn)行平穩(wěn)，各項參數(shù)合格。為方便與市區(qū)原有熱網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，本期廠內(nèi)供、回水母管均與原有#1、#2采暖機(jī)組熱網(wǎng)工程聯(lián)網(wǎng)，便于運(yùn)行調(diào)度和提高供熱的可靠性。熱網(wǎng)供水設(shè)計參數(shù)為1.3MPa、130°C。#9、10機(jī)組熱網(wǎng)供熱首站采用兩套機(jī)組合建一個首站的方案，熱網(wǎng)加熱器加熱系統(tǒng)和疏水系統(tǒng)均采用單元制。站內(nèi)設(shè)置6臺熱網(wǎng)加熱器（其中包括兩臺低壓熱網(wǎng)加熱器）和6臺熱網(wǎng)疏水泵（其中兩臺為變頻電機(jī)配6kv永磁變頻器）、3臺熱網(wǎng)循環(huán)水泵，其中兩臺主力熱網(wǎng)循環(huán)水泵采用2.6MW背壓式汽輪機(jī)拖動，另外配置一臺定速電動循環(huán)水泵作備用。#9、10機(jī)組熱網(wǎng)加熱器疏水系統(tǒng)采用單元制，其疏水經(jīng)過疏水泵分別輸送到各自機(jī)組的#5低加凝結(jié)水出口處再進(jìn)入除氧器內(nèi)，并在進(jìn)出口母管上設(shè)一再循環(huán)管，以滿足啟動的要求。全站每單元設(shè)置3臺疏水泵，每單元疏水泵2運(yùn)1備，其中一臺為變頻電機(jī)控制。#1、2機(jī)組熱網(wǎng)系統(tǒng)疏水泵原設(shè)計為六臺定速泵（每機(jī)組3臺），型號250NW-47x3，電機(jī)型號YKK3552-4，軸功率200kW。2016年完成了每機(jī)組一臺熱網(wǎng)疏水泵的永磁變頻控制改造。由于未在供熱期，因此其節(jié)電實際效果還未驗證，但由于其采用的永磁變頻技術(shù)與#9、10機(jī)組采用的技術(shù)一致，因此可以采用#9、10機(jī)組熱網(wǎng)疏水泵效果來驗證#1、2機(jī)組熱網(wǎng)疏水泵永磁變頻控制改造的節(jié)電預(yù)期。傳統(tǒng)變頻技術(shù)的發(fā)展和限制自20世紀(jì)80年代以來，隨著磁場定向控制理論和異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制技術(shù)的發(fā)展，并伴隨著電力電子器件的發(fā)展，大容量、高耐壓開關(guān)器件開發(fā)，以及串、并聯(lián)應(yīng)用技術(shù)和控制技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了變頻器大容量化的目的。智能功率模塊（IPM）和復(fù)合集成功率模塊的不斷發(fā)展，集功率開關(guān)器件、驅(qū)動電路、保護(hù)電路在同一封裝內(nèi)，實現(xiàn)了變頻器高性能、高可靠性，小型化的發(fā)展方向。變頻技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)和生活當(dāng)中，其顯著的節(jié)能效果和對人、機(jī)、環(huán)的和諧關(guān)系都使得其得到了長足發(fā)展和廣泛應(yīng)用。在火力發(fā)電廠中，引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵等具有變流量需求的風(fēng)機(jī)和水泵、油泵都可以采用變頻控制技術(shù)控制，其節(jié)電率達(dá)到10-60%。特別是隨著近年來發(fā)電機(jī)組容量的不斷快速增加，機(jī)組負(fù)荷率越來越低，變頻控制技術(shù)的節(jié)能優(yōu)勢得到進(jìn)一步放大。變頻器（Variable-frequencyDrive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高和節(jié)能壓力的不斷加大，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。但是，隨著傳統(tǒng)變頻器的不斷發(fā)展，其缺點(diǎn)也越來越引起應(yīng)用者們的重視，歸納起來主要包括：一是，變頻器在交-直-交變頻過程中逆變時會產(chǎn)生較多的高次諧波成份，影響電源質(zhì)量，并造成較多的干擾。二是，對使用環(huán)境的要求較為嚴(yán)格，其使用的環(huán)境要求粉塵、溫度和濕度必須符合變頻器運(yùn)行條件，環(huán)境溫度要求在0-40C范圍內(nèi)，最好能夠控制在25C左右，濕度不超過95%，且無凝結(jié)或水霧。三是，變頻器的技術(shù)要求高，保密性強(qiáng)，所以在變頻器內(nèi)部發(fā)生故障后必須聯(lián)系廠家提供技術(shù)支持，一般是將損壞元件或整機(jī)發(fā)回廠家，由廠家進(jìn)行維修。四是，老化周期快。根據(jù)使用經(jīng)驗來看，一般5-6年后變頻裝置開始出現(xiàn)各類故障，維護(hù)量和維護(hù)費(fèi)用急劇增加。永磁變頻技術(shù)簡介近年來興起的永磁變頻技術(shù)，是利用磁力驅(qū)動負(fù)載工作，實現(xiàn)了電機(jī)與負(fù)載之間非接觸的扭力傳遞。永磁變頻技術(shù)與傳統(tǒng)變頻器比較的優(yōu)勢在于：1、 永磁調(diào)速器使電機(jī)和負(fù)載分開，無機(jī)械連接，隔離振動；變頻器無此功能。永磁調(diào)速器安裝簡便，容忍較大的對中誤差。80%以上的轉(zhuǎn)動設(shè)備都是由于振動而出現(xiàn)故障的，大多數(shù)的振動都是因為軸心偏移，另外是由于設(shè)備的不平衡和共振。永磁耦合技術(shù)減振的關(guān)鍵在于通過空氣間隙傳遞扭矩，而沒有直接的物理連接?？諝忾g隙通常為3mm左右。偏心是安裝和維修成本的主要原因，一般可允許的偏離為0.05mm甚至更小，需要激光對心。永磁調(diào)速技術(shù)允許0.5mm的偏離而不會產(chǎn)生振動，直接就可以進(jìn)行安裝。2、 傳統(tǒng)變頻器需要大的安裝空間，并且對環(huán)境要求高，特別是環(huán)境溫度直接影響變頻器的正?？煽窟\(yùn)行。而永磁變頻控制設(shè)備安裝無特殊環(huán)境要求，能適應(yīng)惡劣環(huán)境，如粉塵、潮濕等惡劣環(huán)境，綠色環(huán)保，且無諧波或其他電磁輻射問題，對環(huán)境友好適應(yīng)性強(qiáng)，穩(wěn)定性高。3、 純機(jī)械構(gòu)造，無接觸，無摩擦，長壽命周期。相比傳統(tǒng)變頻器、內(nèi)饋斬波調(diào)速設(shè)備、液力耦合器等其他調(diào)速節(jié)能設(shè)備，永磁調(diào)速結(jié)構(gòu)最為簡單，壽命周期可長達(dá)30年。4、 永磁調(diào)速器基本為免維護(hù)產(chǎn)品，運(yùn)行成本低。而傳統(tǒng)變頻器隨著使用年限的增加，故障率逐年提高，變頻器運(yùn)行維護(hù)費(fèi)高，配件貴，維護(hù)保養(yǎng)難度大，壽命周期內(nèi)的維護(hù)成本通常都超過初次采購成本；折算起來，永磁調(diào)速器的整個使用壽命周期相當(dāng)于6臺傳統(tǒng)變頻器使用壽命周期累加之和。5、 簡單、可靠、高效的調(diào)速節(jié)能性能。在全速運(yùn)轉(zhuǎn)時，永磁調(diào)速器的工作效率能達(dá)到97%左右，在風(fēng)機(jī)水泵系統(tǒng)中，其節(jié)能率通常為10%~50%。應(yīng)用實例在#9、10機(jī)組進(jìn)行供熱改造、建設(shè)熱網(wǎng)首站之前，XX發(fā)電廠#1機(jī)組#1熱網(wǎng)疏水泵和#2機(jī)組#1熱網(wǎng)疏水泵也進(jìn)行了永磁變頻改造（原為工頻泵），改造前設(shè)備型號250NW-47x3，改造后型號RDCOT430F調(diào)速型磁力偶合器，輸入轉(zhuǎn)速1500r/min，傳遞功率200kW，滑差3%。#1、2機(jī)組機(jī)組熱網(wǎng)疏水泵電機(jī)加裝永磁調(diào)速器具體實施改造方案：電機(jī)地腳螺栓不動，基礎(chǔ)二次澆灌部分打掉約150mm，改為鋼架基礎(chǔ)（若原已是鋼架基礎(chǔ)，則改造更為簡單），考慮安裝長度，電機(jī)后移約200mm，把永磁調(diào)速器的導(dǎo)體轉(zhuǎn)子連接到電機(jī)軸，永磁轉(zhuǎn)子和調(diào)速機(jī)構(gòu)連接到負(fù)載軸（調(diào)速機(jī)構(gòu)也可安裝在電機(jī)端），并給電動執(zhí)行器接上電源和信號線，各參數(shù)和數(shù)據(jù)輸送到集控室DCS監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)控和監(jiān)視。結(jié)合#9、10機(jī)組低壓熱網(wǎng)疏水泵永磁變頻運(yùn)行狀況和參數(shù)，可以看出：供熱抽汽流量236T/H工況下，永磁變頻控制的#2低壓疏水泵電流為124A左右，工頻泵電流為158A左右，相差34A，節(jié)電率達(dá)到了21.52%。由于采用相同的永磁技術(shù)，因此預(yù)計#2機(jī)組熱網(wǎng)疏水泵在供暖初、末季實際節(jié)電率不小于15%到20%。按照節(jié)電率20%計算，#1、2機(jī)組#1熱網(wǎng)疏水泵工頻電流24.4A，永磁變頻運(yùn)行期間為19.52A左右（按電流降低20%計算），電壓6kV，功率因數(shù)設(shè)計值為0.85，供熱初、末期均按照15天計算，那么節(jié)電量=（24.4-19.52）x1.732x6000x0.85x30x24=31036kW，即3.1萬千瓦時，按照上網(wǎng)電價0.4元/千瓦時計算，節(jié)約成本1.24萬元。折標(biāo)煤：3.10*3.1噸標(biāo)煤/萬kwh=9.61噸?？蓽p少碳排放量9.61*0.68=6.53噸。投資回收期計算：單臺熱網(wǎng)疏水泵投資18萬元，回收周期18/1.24=14.51，即15年。該改造項目的投入與產(chǎn)出比是不合理的。但從另外一方面考慮，采用永磁變頻調(diào)節(jié)帶來的設(shè)備維護(hù)費(fèi)用降低、人員勞動強(qiáng)度降低和供熱安全性的提高，可以從以往檢修費(fèi)用來計算：_包含采用永磁變頻后減少機(jī)封、軸承更換、減少工人勞動強(qiáng)度的效益，兩項可節(jié)約2.5萬元。采用永磁變頻控制技術(shù)后節(jié)省的3.1萬千瓦時電量可以上網(wǎng)，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益1.24萬元，這樣綜合效益（不考慮供熱安全性）達(dá)到3.74+1.24=4.98萬元，回收周期為18/4.98=3.61年。經(jīng)驗總結(jié)永磁變頻技術(shù)在其他廠已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，#9、10機(jī)組熱網(wǎng)首站低壓疏水泵也運(yùn)行良好。在應(yīng)用永磁變頻技術(shù)的過程中，我們也要注意以下幾點(diǎn)：1、 新技術(shù)，特別是有應(yīng)用實例的節(jié)能新技術(shù)，在通過實地考察并到廠家實地考察后，認(rèn)為技術(shù)力量、產(chǎn)品質(zhì)量過硬的，是可以推廣應(yīng)用的。2、 對招標(biāo)技術(shù)要求，要充