（陕西清水川能源股份有限公司陕西榆林719400）
摘要：本文以府谷清水川电厂300MW机组配置的空冷风机电机为研究对象，对异步电机和永磁同步电机变频工况下的运行特性和节能效果进行了对比分析。分析结果表明：与异步电机相比，永磁同步电机变频工况下启动状态良好，运行时电机线圈温度低，同时改善了电网品质因数；在空冷风机出力相同的条件下，永磁同步电机的节能效果明显优于异步电机。
关键词：空冷风机，变频，异步电机，永磁同步电机
0引言
空冷风机的作用是对汽轮机排出的汽体进行冷凝[1-2]，维持凝汽器真空。府谷清水川电厂2×300MW机组，每机配套30台空冷风机。由于空冷机组省水、占地少等优点[3]，直接空冷机组在我国北方新建电厂中所占比重日益增大。
由于空冷风机异步电机减速机损坏率高，设备维护、维修费用居高不下。对此，清水川电厂将原有异步电机改造为变频驱动永磁同步电机，本文就两种电机的运行特性和经济性进行比较分析。
1永磁同步电机变频原理
永磁同步电机变频驱动采用矢量控制技术，通过频率来控制电流，通过转矩来控制转速。矢量控制运算需要获取电机三相电流和转子位置信号，采用电流传感器对电流采样和无位置传感器的永磁同步电机的矢量控制方案，实现MTPA(每安培电流最大转矩)控制策略[4]，提高风机系统效率。
实际运行中，温度传感器检测空冷系统实际温度，并将检测到的温度信号转换为电信号传送给变频器，变频器将得到的实时温度与设定温度经过对比后输出偏差信号，如果实际温度比设定温度高，则发出指令控制空冷风机加速运行；如果实际温度比设定温度底，则控制空冷风机减速运行。这双闭环控制系统通过不断检测、不断调整的反复过程实现空冷系统内温度恒定，从而使空冷风机根据系统需要自动调节转速，达到节能的目的[5]。
2改造目的及要求
2.1改造前存在的问题
（1）原异步电机减速机故障率高，漏油严重，影响正常工作。
（2）油滴滴落在空冷岛下方主变压器本体及其引出线上，日后清理工作量大。
（3）减速机维修时，需从高空载下，人力、财力成本高；且空冷岛上工作条件恶劣，夏季温度过高，冬季温度过低，影响检修人员工作效率。
（4）减速机返厂修复周期长达1个月，影响机组正常发电，且维修费用高昂。
（5）原异步电机耗电量高，现改造为永磁同步电机，减小空冷系统厂用电量，达到节能的效果。
（6）高温天气运行时，特定凝汽器真空下原异步电机电流和频率易超限。
2.2改造要求
（1）变频器必须满足轴流风机的重载启动与运行要求，60s过电流能力要在120%以上[6]。
（2）转速控制要求在20%～110%额定转速范围。
（3）变频控制要求及检测点要求：
完成速度给定输入（0-10V）与原有控制系统的匹配（X2-1/X2-2）。
完成速度反馈输出（4-20mA）与原有控制系统的匹配（X2-3/X2-4）。
完成电流反馈输出（4-20mA）与原有控制系统的匹配（X2-5/X2-6）。
完成紧急停止与外部急停（X2-10/X2-11）。
完成正向启动输入与原有控制系统的匹配（X1-1/X1-2）。
完成反向启动输入与原有控制系统的匹配（X1-5/X1-6）。
完成变频器运行信号开关量的外部输出（X1-7/X1-8）。
完成变频器故障信号开关量的外部输出（X1-9/X1-10）。
完成电机停机状态的预热功能（X4-3/X4-4）。
在永磁电机前加入交流接触器，延时10s启动。
3改造结果分析
3.1运行特性分析
由图1可知，两种电机变频启动下均启动电流小，启动速度平稳。永磁同步电机启动电流比异步电机较大，这是因为永磁同步电机在启动时采用了异步启动方式，以保障合理的启动转矩，提高其启动性能。
永磁同步电机运行时其电机线圈温度低于异步电机。由于异步电机工作时，转子绕组中有电流通过，产生大量的热量，使电机的温度升高，影响了电机的使用寿命；而永磁同步电机运行时，其转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中较少或几乎不存在无功电流，使电机温升低[7-10]。较低的电机温度，拥有较长的使用寿命。
同时，采用永磁同步电机可以改善电网品质因数，减小电网负荷。这是因为异步电机的功率因数低，电机要从电网中吸收大量的无功电流，造成电网中存有无功电流，进而使电网的品质因数下降，加重了电网的负荷，降低了电网效率。
空冷风机电机电流的大小与机组负荷和大气温度相关。机组负荷越高，空冷电机电流越大；大气温度越低，空冷电机电流越小。同时，在凝汽器真空相同、大气温度相等以及空冷风机转速相同的条件下，高温天气，永磁同步电机的运行电流和频率均在额定范围内；异步电机运行时频率多次超过额定值（频率允许超过额定范围10%），尤其是机组负荷240MW以上、大气温度超过25℃、真空设定在-77Pa以下时，异步电机运行电流接近额定值甚至超过额定值，频率超出额度范围10%。通过以上分析可以得出：经过电机改造，解决了在特定凝汽器真空下空冷风机电机高温天气运行时电流和频率超限的问题；高温天气，永磁同步电机在安全运行的前提下，可以维持真空度较高的凝汽器真空。
3.2经济性分析
通过DCS系统采集两台空冷风机在同等出力且机组运行状态相同的条件下，两种电机分别在常温天气、低温天气和高温天气全天候运行的电流参数，可以看出，在空冷风机转速相同的条件下，永磁同步电机在各工况下的运行电流明显小于异步电机。
两台电机运行时电压均为380V，永磁同步电机功率因数为1，异步电机功率因数为0.85，现对两台电机在常温天气、低温天气和高温天气运行时全天候耗电量进行计算，计算可得：永磁同步电机在常温天气、低温天气和高温天气运行时全天候耗电量分别为572.06kW.h、521.49kW.h和1403.27kW.h，异步电机在常温天气、低温天气和高温天气运行时全天候耗电量分别为870.01kW.h、748.98kW.h和1525.49kW.h。由此可见永磁同步电机的节能效果明显优于异步电机。
现估算两种电机全年度平均日耗电量，由于空冷风机出力受自然天气的影响，现取常温天气、低温天气和高温天气的加权系数分别为0.5、0.25和0.25。计算得永磁同步电机和异步电机全年日平均耗电量分别约为767.22kW.h和1003.62kW.h。
由于机组消缺等情况，年平均停机天数约为25天；异步电机所配减速机每年返厂维修台数为4～6台，维修周期约为1个月。若将一期60台空冷风机电机全部更换，则永磁同步电机年运行天数340天，运行台数60台；异步电机其中55台运行天数340天，其余5台运行天数325天（一般在机组检修时，送减速机返厂维修）。电价按0.36元/kW.h计，则计算得出永磁同步电机年耗电量电费约为563.45万元，异步电机年耗电量电费约为734.35万元。
永磁同步电机变频控制系统驱动电机直接输出扭矩，中间无齿轮箱连接，简化传动链等复杂部件，体积小，降低了使用维护成本，使系统可靠性提高.
减速机维修费用5万/台，年维修量4～6台，电机改造后每年仅减速机维修费用可节省约20～30万。
4结论
通过对比分析可以得出以下结论：
相比于异步电机，永磁同步电机启动状态良好，运行时电机线圈温度低，同时改善了电网品质因数。
高温天气，永磁同步电机在安全运行的前提下，可以维持真空度较高的凝汽器真空。
空冷风机出力相同时，永磁同步电机的节能效果明显优于异步电机，全年日平均耗电量可节省236.4kW.h/台。
一期60台空冷风机全部进行电机改造，年运行、维护及检修费用可节省约206万元，10年可收回改造成本。
参考文献
[1]董建华.变频技术在大型火电厂直接空冷系统中的应用[J].电力通用机械,2009,7:54-58.
[2]邢英迈.发电厂直接空冷系统采用变频控制应用问题[J].应用技术,2012,11:127-128.
[3]李景涛,毕明波等.600MW直接空冷机组空冷系统低频干扰问题分析与处理[J].内蒙古电力技术,2013,31(4):89-96.