永磁變頻技術原理與應用

永磁變頻技術原理與應用摘要：本文通過對XX發(fā)電有限責任公司熱網(wǎng)疏水泵永磁變頻技術的應用實例進行原理、選型、應用、常見故障等進行全面闡述分析，給相關技術和研究人員提供一定的實踐經(jīng)驗，促進該技術的不斷完善和提高。關鍵詞：永磁；實例；實踐；完善和提高簡介XX發(fā)電有限責任公司目前存量機組2X320MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組，編號分別為#9和#10，總裝機容量為640MW，于1998年投產(chǎn)。2015年供熱期前改造為熱電聯(lián)產(chǎn)機組并在供熱期投入運行，2015-2016供熱期運行平穩(wěn)，各項參數(shù)合格。為方便與市區(qū)原有熱網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行，本期廠內供、回水母管均與原有#1、#2采暖機組熱網(wǎng)工程聯(lián)網(wǎng)，便于運行調度和提高供熱的可靠性。熱網(wǎng)供水設計參數(shù)為1.3MPa、130°C。#9、10機組熱網(wǎng)供熱首站采用兩套機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。站內設置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背壓式汽輪機拖動，另外配置一臺定速電動循環(huán)水泵作備用。#9、10機組熱網(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組的#5低加凝結水出口處再進入除氧器內，并在進出口母管上設一再循環(huán)管，以滿足啟動的要求。全站每單元設置3臺疏水泵，每單元疏水泵2運1備，其中一臺為變頻電機控制。#1、2機組熱網(wǎng)系統(tǒng)疏水泵原設計為六臺定速泵（每機組3臺），型號250NW-47x3，電機型號YKK3552-4，軸功率200kW。2016年完成了每機組一臺熱網(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與#9、10機組采用的技術一致，因此可以采用#9、10機組熱網(wǎng)疏水泵效果來驗證#1、2機組熱網(wǎng)疏水泵永磁變頻控制改造的節(jié)電預期。傳統(tǒng)變頻技術的發(fā)展和限制自20世紀80年代以來，隨著磁場定向控制理論和異步電動機轉子磁場定向矢量控制技術的發(fā)展，并伴隨著電力電子器件的發(fā)展，大容量、高耐壓開關器件開發(fā)，以及串、并聯(lián)應用技術和控制技術的應用，實現(xiàn)了變頻器大容量化的目的。智能功率模塊（IPM）和復合集成功率模塊的不斷發(fā)展，集功率開關器件、驅動電路、保護電路在同一封裝內，實現(xiàn)了變頻器高性能、高可靠性，小型化的發(fā)展方向。變頻技術已經(jīng)廣泛應用在各行各業(yè)和生活當中，其顯著的節(jié)能效果和對人、機、環(huán)的和諧關系都使得其得到了長足發(fā)展和廣泛應用。在火力發(fā)電廠中，引風機、一次風機、凝結水泵、循環(huán)水泵等具有變流量需求的風機和水泵、油泵都可以采用變頻控制技術控制，其節(jié)電率達到10-60%。特別是隨著近年來發(fā)電機組容量的不斷快速增加，機組負荷率越來越低，變頻控制技術的節(jié)能優(yōu)勢得到進一步放大。變頻器（Variable-frequencyDrive，VFD）是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。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、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。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用。但是，隨著傳統(tǒng)變頻器的不斷發(fā)展，其缺點也越來越引起應用者們的重視，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，影響電源質量，并造成較多的干擾。二是，對使用環(huán)境的要求較為嚴格，其使用的環(huán)境要求粉塵、溫度和濕度必須符合變頻器運行條件，環(huán)境溫度要求在0-40C范圍內，最好能夠控制在25C左右，濕度不超過95%，且無凝結或水霧。三是，變頻器的技術要求高，保密性強，所以在變頻器內部發(fā)生故障后必須聯(lián)系廠家提供技術支持，一般是將損壞元件或整機發(fā)回廠家，由廠家進行維修。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，維護量和維護費用急劇增加。永磁變頻技術簡介近年來興起的永磁變頻技術，是利用磁力驅動負載工作，實現(xiàn)了電機與負載之間非接觸的扭力傳遞。永磁變頻技術與傳統(tǒng)變頻器比較的優(yōu)勢在于：1、 永磁調速器使電機和負載分開，無機械連接，隔離振動；變頻器無此功能。永磁調速器安裝簡便，容忍較大的對中誤差。80%以上的轉動設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，另外是由于設備的不平衡和共振。永磁耦合技術減振的關鍵在于通過空氣間隙傳遞扭矩，而沒有直接的物理連接。空氣間隙通常為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。永磁調速技術允許0.5mm的偏離而不會產(chǎn)生振動，直接就可以進行安裝。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\行。而永磁變頻控制設備安裝無特殊環(huán)境要求，能適應惡劣環(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)境友好適應性強，穩(wěn)定性高。3、 純機械構造，無接觸，無摩擦，長壽命周期。相比傳統(tǒng)變頻器、內饋斬波調速設備、液力耦合器等其他調速節(jié)能設備，永磁調速結構最為簡單，壽命周期可長達30年。4、 永磁調速器基本為免維護產(chǎn)品，運行成本低。而傳統(tǒng)變頻器隨著使用年限的增加，故障率逐年提高，變頻器運行維護費高，配件貴，維護保養(yǎng)難度大，壽命周期內的維護成本通常都超過初次采購成本；折算起來，永磁調速器的整個使用壽命周期相當于6臺傳統(tǒng)變頻器使用壽命周期累加之和。5、 簡單、可靠、高效的調速節(jié)能性能。在全速運轉時，永磁調速器的工作效率能達到97%左右，在風機水泵系統(tǒng)中，其節(jié)能率通常為10%~50%。應用實例在#9、10機組進行供熱改造、建設熱網(wǎng)首站之前，XX發(fā)電廠#1機組#1熱網(wǎng)疏水泵和#2機組#1熱網(wǎng)疏水泵也進行了永磁變頻改造（原為工頻泵），改造前設備型號250NW-47x3，改造后型號RDCOT430F調速型磁力偶合器，輸入轉速1500r/min，傳遞功率200kW，滑差3%。#1、2機組機組熱網(wǎng)疏水泵電機加裝永磁調速器具體實施改造方案：電機地腳螺栓不動，基礎二次澆灌部分打掉約150mm，改為鋼架基礎（若原已是鋼架基礎，則改造更為簡單），考慮安裝長度，電機后移約200mm，把永磁調速器的導體轉子連接到電機軸，永磁轉子和調速機構連接到負載軸（調速機構也可安裝在電機端），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)遠控和監(jiān)視。結合#9、10機組低壓熱網(wǎng)疏水泵永磁變頻運行狀況和參數(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)電率達到了21.52%。由于采用相同的永磁技術，因此預計#2機組熱網(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機組#1熱網(wǎng)疏水泵工頻電流24.4A，永磁變頻運行期間為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。折標煤：3.10*3.1噸標煤/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，采用永磁變頻調節(jié)帶來的設備維護費用降低、人員勞動強度降低和供熱安全性的提高，可以從以往檢修費用來計算：_包含采用永磁變頻后減少機封、軸承更換、減少工人勞動強度的效益，兩項可節(jié)約2.5萬元。采用永磁變頻控制技術后節(jié)省的3.1萬千瓦時電量可以上網(wǎng)，產(chǎn)生經(jīng)濟效益1.24萬元，這樣綜合效益（不考慮供熱安全性）達到3.74+1.24=4.98萬元，回收周期為18/4.98=3.61年。經(jīng)驗總結永磁變頻技術在其他廠已經(jīng)得到了廣泛應用，#9、10機組熱網(wǎng)首站低壓疏水泵也運行良好。在應用永磁變頻技術的過程中，我們也要注意以下幾點：1、 新技術，特別是有應用實例的節(jié)能新技術，在通過實地考察并到廠家實地考察后，認為技術力量、產(chǎn)品質量過硬的，是可以推廣應用的。2、 對招標技術要求，要充