周佳洁 季文明 王劲松 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司 摘要：介绍了永磁耦合调速驱动方式在给煤机领域的应用，填补了永磁耦合调速技术在电厂给煤机这个调速范围大、调速要求高的产业领域的技术空白。同时，在不增加设备的前提下具备高低电压穿越能力。此项目的研制及应用，可进一步拓展永磁耦合调速技术在火电领域的应用范围，其良好的调速特性和抗输入电源电压波动能力具有广泛的使用前景及价值。 关键词：给煤机；永磁耦合调速驱动装置给煤机；高低电压穿越能力 1.概况给煤机作为火力发电厂锅炉制粉系统中与磨煤机相匹配的输煤设备，实现了为磨煤机连续、准确及均匀的给煤。为满足锅炉负荷，给煤机具有自动调节电机转速，调速范围大，调速响应时间短，转速偏差小等苛刻的要求。近年来，永磁耦合调速驱动技术在大型火力发电站的水泵、风机等大功率电机驱动领域已有了相关应用。为了推广其应用领域，实施用永磁耦合调速驱动装置替代给煤机原变频驱动方式研究，研制永磁耦合调速驱动装置给煤机。 2.关键技术和解决方法永磁耦合调速驱动装置给煤机由永磁电机、永磁耦合调速器、调速控制柜以及给煤机系统组成。永磁耦合调速器是一种转差调速装置，由本体和控制器两部分组成。本体上有两个轴，分别装有永磁磁铁和线圈绕组。驱动电机与永磁体连在一起，电机转动时带动其永磁转子旋转产生旋转磁场，在另一个轴上的绕组切割旋转磁场磁力线产生感应电流，进而产生感应磁场。该感应磁场与旋转磁场相互作用传递转矩，通过控制器控制绕组转子的电流大小来控制其传递转矩的大小以适应转速要求，从而实现调速功能。 永磁耦合调速器结构的原理如图1.1所示。
图1.1-永磁耦合调速器结构的原理图 永磁耦合调速驱动装置给煤机的控制系统的原理是：电机转动时，永磁耦合调速电机输出轴侧的线圈产生的感应电通过三相整流桥模块，将交流电转换成直流电，然后通过IGBT脉宽调制电路实现感应电流大小的控制，从而实现控制力矩传递磁场的大小，达到度控制要求。IGBT脉宽输入由PID运算后输出，其PID的给定是给煤机速度指令，反馈是永磁耦合调速器输出轴上安装的测速装置所提供的实际输出转速信号。 调速控制装置的调速原理如图1.2所示。
图1.2-调速控制装置的调速原理图 调速控制装置可接收给煤机控制系统发出启动命令和4-20mA调速信号，并与测速部分发出的速度反馈信号比较后，根据偏差输出PID调节信号至信号转换板，控制IGBT导通的脉宽值，去改变感应电流大小即矩传递磁场的大小，实现了永磁耦合调速器方式下的给煤机系统速度调节，整个系统响应迅速准确，达到了给煤机速度控制要求。 永磁耦合调速驱动装置给煤机电机为一体化安装设备，自带输出测速装置并与给煤机减速机法兰的接口尺寸和安装方式完全一致。可非常方便地进行现场替换和改造。 设备改造后如图1.3所示。
图1.3-设备改造后照片 3.主要技术参数 3.1绕组永磁一体化调速电机 （1）电机额定参数： 额定电压：380V，额定电流：6.3A，额定频率：50Hz； 额定功率：3kW，额定转矩：19.1N.m； （2）电机控制参数：最大电压：138V，额定电流：13A； （3）电机调速范围： 调速范围（空载）：100～1420r/min，调速范围（满载）：100～1365r/min； （4）电机堵转转矩倍数2.3倍，零速起动转矩倍数：1.7倍； （5）重量：110Kg，噪声：65dB； （6）绝缘等级：F级设计B级考核，防护等级：IP54； （7）环境温度：-10℃～+40℃ ； 3.2绕组永磁调速控制器 （1）控制电源需求： 输入控制电源：AC380V、50Hz、700W；UPS AC220V、150W（自带或外供）； （2）系统响应时间：小于10s ； （3）调速范围（空载）：100～1420r/min，调速范围（满载）：100～1365r/min； （4）系统调速稳态转速误差：不大于±5rpm； （5）环境温度：-10℃～ +40℃ ，防护等级：IP54。 3.3给煤机运行指标 （1）给煤机定度的偏差应小于±0.2%； （2）给煤机砝码计量准确度应满足小于±0.5%。 4.工程应用 上海成套院自主研制的永磁耦合调速驱动装置给煤机设备2020年9月27日在谏壁发电厂#11号机组E给煤机上完成了相关安装改造及调试，包括产品的设计、完善、产品定型、样机生产、样机投入试运行，且通过机械工业火电设备产品质量监督检测中心性能测试，整体设备的性能指标及功能满足给煤机原使用要求及相关标准，设备运行达到良好的稳定性及可靠性。 永磁耦合调速驱动装置给煤机是为了满足给煤机相关技术性能而研发的，是目前国内第一台用于给煤机的永磁耦合调速装置，填补了永磁耦合调速技术在电厂给煤机这个调速范围大、调速要求高的产业领域的技术空白。同时，在不增加设备的前提下具备高低电压穿越能力。 主要性能指标及测试数据如下表4.1所示。 给煤机主要性能指标及高低电压测试数据表 | 一．给煤机性能指标测试数据 | 1.电机调速性能 | 序号 | 名称 | 转速给定值 （rpm） | 转速实测值 （rpm） | 检测结果 | 1 | 电机转速 | 100 | 99-101 | 转速偏差小于 ±5rpm | 2 | 电机转速 | 120 | 118-121 | 转速偏差小于 ±5rpm | 3 | 电机转速 | 200 | 198-201 | 转速偏差小于 ±5rpm | 4 | 电机转速 | 500 | 499-500 | 转速偏差小于 ±5rpm | 5 | 电机转速 | 800 | 799-801 | 转速偏差小于 ±5rpm | 6 | 电机转速 | 1000 | 999-1000 | 转速偏差小于 ±5rpm | 7 | 电机转速 | 1100 | 1099-1100 | 转速偏差小于 ±5rpm | 8 | 电机转速 | 1400 | 1296-1399 | 转速偏差小于 ±5rpm | 2.控制线性度校验 | 序号 | 输入信号 (mA) | 给定给煤率 (t/h) | 实际给煤率 (t/h) | 电机转速 (rpm) | 1 | 4 | 6.0 | 6.01 | 176 | 2 | 8 | 15.0 | 15.03 | 447 | 3 | 12 | 30.0 | 30.03 | 711 | 4 | 16 | 45.0 | 45.07 | 1246 | 5 | 20 | 60.0 | 60.07 | 1421 | 3.砝码称重校验 | 砝码重量（kg） | 称重重量（kg） | 误差% | 200 | 200.49 | 0.25 | 二．高低电压穿越能力测试数据 | 1.电压暂降至20%额定电压76(V) | 穿越时间 (s) | 0.5 | 0.5 | 给定给煤率 (t/hr) | 20.46 | 25.29 | 实际给煤率 (t/hr) | 21.02 | 24.9 | 电机转速 (rpm) | 403 | 471 | 2.电压暂降至60%额定电压228(V) | 穿越时间 (s) | 6 | 6 | 给定给煤率 (t/hr) | 20.46 | 25.29 | 实际给煤率 (t/hr) | 20.43 | 25.32 | 电机转速 (rpm) | 384 | 475 | 3.电压暂降至90%额定电压342(V) | 穿越时间 (s) | 10 | 10 | 给定给煤率 (t/hr) | 20.46 | 25.29 | 实际给煤率 (t/hr) | 20.43 | 25.27 | 电机转速 (rpm) | 385 | 476 | 4.电压暂升至130%额定电压494(V) | 穿越时间 (s) | 0.5 | 0.5 | 给定给煤率 (t/hr) | 20.46 | 25.29 | 实际给煤率 (t/hr) | 20.47 | 25.36 | 电机转速 (rpm) | 389 | 478 | | | | | | | | | | |
表4.1-主要性能指标及测试数据 高低电压穿越能力的检测选取了20.46t/h、25.29t/h两档给煤率实煤运行，由于受现场条件约束，采用人工手动降压的方法检测，两档给煤率实煤检测都严格按技术规范控制时间。高低电压穿越能力试验结果如表所示，给煤率波动较小或无波动，具备高低电压穿越能力。 6.结论 给煤机永磁耦合调速驱动装置具有更强的抗电网电源波动干扰特性，可克服采用变频器调速时由于输入电源电压瞬时变化时的故障死机引起的跳闸现象，提高了给煤机系统运行的可靠性。装置采用电机输出轴和负载之间独特的柔性连接方式，而不是通常的同轴的硬连接，通过转差调节和软启动可避免机械卡涩引起的电机电流大幅升高及设备过力矩引起的损坏，从而进一步提高了给煤机设备使用的安全性。同时，在不增加设备的前提下具备高低电压穿越能力。 永磁耦合调速驱动装置给煤机是为了满足给煤机相关技术性能而研发的，目前是国内第一台用于给煤机的永磁耦合调速装置，填补了永磁耦合调速技术在电厂给煤机这个调速范围大、调速要求高的产业领域的技术空白。此项目的研制，可进一步拓展永磁耦合调速技术在火电领域的应用范围，目前其良好的调速特性和抗输入电源电压波动能力具有广泛的使用前景及价值。 |
