齊日昊

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200）

隨著我國“碳達峰、碳中和”政策的深入推進，鋼鐵行業(yè)低碳、綠色、高效冶煉技術(shù)得到廣泛聚焦，提升高爐富氧率作為增強冶煉強度的低碳技術(shù)正處于高速發(fā)展階段。而隨著科技技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，新的理論和技術(shù)得以應(yīng)用，因此變壓吸附制氧技術(shù)應(yīng)用而生。通過變壓吸附制氧技術(shù)的應(yīng)用可以在低成本的條件下極大地提高爐的富氧率，而只有采用高速永磁同步電機才能滿足變壓吸附制氧系統(tǒng)頻繁加載調(diào)節(jié)的技術(shù)要求，達到減排降耗、高效節(jié)能的最終目的。

1 變壓吸附制氧系統(tǒng)簡介

變壓吸附制氧系統(tǒng)是集智能化、集成化、無人化控制技術(shù)為一體，完美匹配氣體溫差變化，系統(tǒng)始終保持高效穩(wěn)定運行，實現(xiàn)了安全的無人化控制。在國際上首次將永磁高速同步電機和采用多相變頻控制系統(tǒng)的離心鼓風(fēng)機、離心真空泵應(yīng)用于變壓吸附裝置，與傳統(tǒng)電機和控制方式相比，能耗大幅降低。采用永磁同步、高速直驅(qū)、多繞組低壓、多相變變頻驅(qū)動的高效高速永磁同步電機，配套二極管整流電路，多電機公用直流母線變頻調(diào)速形式的變頻器，匹配高速電機直驅(qū)、脈沖式變轉(zhuǎn)速設(shè)計、脈沖可調(diào)擴壓器、多變量控制的離心式鼓風(fēng)機和真空泵，搭載專利技術(shù)的三塔吸附工藝，實現(xiàn)完美契合VPSA工藝流程及工況要求，以使系統(tǒng)產(chǎn)量、機組運行效率、運行壽命等達到極致能效。

該系統(tǒng)可以實現(xiàn)與高爐鼓風(fēng)機、深冷制氧的聯(lián)動高效協(xié)同調(diào)節(jié)，能夠在30分鐘內(nèi)實現(xiàn)快速啟停，實現(xiàn)高爐短時間檢修過程中的同啟同停，同時負荷調(diào)節(jié)方便快捷，能夠更加及時、精準(zhǔn)地滿足高爐的冶煉的富氧使用需求。

2 高速永磁同步電機的應(yīng)用背景

目前常見的離心壓縮機驅(qū)動方式主要有汽輪機驅(qū)動方式和普通異步電機增速器驅(qū)動。對于大多數(shù)中小型離心壓縮機的驅(qū)動裝置，采用電驅(qū)動較多，主要原因包括以下幾點；一是電驅(qū)動啟動響應(yīng)高，可以快速完成壓縮機的啟動；二是體積小，造價同汽輪機驅(qū)動相比明顯降低；三是由于采用增速器，可以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速運行，提高了壓縮機的工作效率。

但是，同樣存在以下問題。

（1）由于需使用聯(lián)軸器、電機及齒輪組，可能會引入一些不平衡力和外部激振力，長期運行會導(dǎo)致壓縮機轉(zhuǎn)軸發(fā)生震蕩。

（2）由于采用多級傳動，傳動鏈較長，增速器傳動效率較低。

（3）由于增速器傳動比的限制，不能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的實時調(diào)整，動態(tài)調(diào)節(jié)性較差。

3 高速永磁同步電機的技術(shù)特點

變壓吸附制氧系統(tǒng)采用高速永磁同步電機驅(qū)動方式，相比普通異步電機具備高效率高、穩(wěn)定性好、體積小等優(yōu)勢，可以更好地匹配變壓吸附頻繁變動工況。高速永磁同步電機所具備的技術(shù)特點如下。

3.1 永磁

高效率：永磁電機相對感應(yīng)電機無轉(zhuǎn)子損耗，且負載電流較小，這使得永磁電機在全部工況下效率都高于同功率設(shè)計的感應(yīng)電機。而我司采用高牌號稀土永磁材料，除了獲得更好的性能外，耐溫等級達到250℃以上。

高功率因數(shù)：相對感應(yīng)電機永磁電機利用永磁體勵磁，無須額外的勵磁電流，減少無功功率消耗。

高的功率密度：永磁電機相對感應(yīng)電機電路結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，永磁體磁能積密度大，較小的體積可產(chǎn)生較大的磁場，同時發(fā)熱更小，無須復(fù)雜的散熱結(jié)構(gòu)，因此可以實現(xiàn)更高的功率密度。

轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)更快：感應(yīng)電機電磁特性是非線性的，鐵性磁通隨著負載變化而變化,而轉(zhuǎn)子磁場是通過定子勵磁電流產(chǎn)生，從而會影響電機的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)。永磁電機的轉(zhuǎn)子磁性固定，不受定子電流的影響，從而可以快速響應(yīng)負載變化。

穩(wěn)態(tài)性能更好：永磁電機轉(zhuǎn)子磁場穩(wěn)定，受外界影響較小，特別適合速度負載頻繁變動的工況，同時轉(zhuǎn)子發(fā)熱較小，動平衡穩(wěn)定。而感應(yīng)電機受轉(zhuǎn)子發(fā)熱的影響，冷熱太動平衡變化較大，導(dǎo)致電機振動較大。

3.2 高速直驅(qū)

體積?。焊咚僦彬?qū)電機可以實現(xiàn)高速運轉(zhuǎn)，提高功率密度，減小體積。這對于工業(yè)設(shè)備的輕量化和緊湊化設(shè)計非常有利，普通電機則存在轉(zhuǎn)速限制，無法實現(xiàn)高速運轉(zhuǎn)。

響應(yīng)速度快：高速電機轉(zhuǎn)子體積要遠小于同功率普通電機轉(zhuǎn)子，所以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量小，可以大幅度縮短加減速的響應(yīng)時間,有利于變頻器的穩(wěn)定控制。

傳動效率高：普通電機難以達到高轉(zhuǎn)速,需要配合齒輪箱增速才能滿足高轉(zhuǎn)速要求，傳統(tǒng)的齒輪箱會有一定的傳動損耗，而高速電機由于其本身高強度轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計可直接連接葉輪,從而去除中間耗能的傳動環(huán)節(jié)，提升傳動效率。

可靠性高：高速直驅(qū)電機方案減少了機械齒輪傳動部分，因此機械故障的概率相對較低，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

維護成本低：高速直驅(qū)電機方案不需要齒輪箱，因此，在機械部件的維護和更換上相對簡單，且維護成本較低。

3.3 多相設(shè)計

低諧波：一方面，多相電機相比三相電機，空間諧波最低次數(shù)增大，含量減小，減小電機的發(fā)熱。另一方面，轉(zhuǎn)矩脈動的最低次數(shù)也增大，幅值也減小，從而降低電機的振動和噪音。

提高可靠性：多相電機可以看作由多個單元電機組成，每個單元電機都可以相互單獨運行，所以當(dāng)出現(xiàn)一相或幾相發(fā)生故障時，電機仍然可以短期過載或長期降容使用，提高了容錯率。

過載能力：同體積下多相電機每安培輸出轉(zhuǎn)矩要高于三相電機，因此，多相電機可以獲得更大的過載能力。

3.4 低壓設(shè)計

安全性更高：電機采用690V低壓作為輸入電壓，低壓電機的電壓等級較低，因此在使用過程中安全性更高。

效率高：低壓電機的絕緣結(jié)構(gòu)簡單，材料利用率更高，對比同功率的高壓電機效率高出2.5%。

體積?。焊邏弘姍C采用成型線圈,繞組端部長度一般為低壓電機端部長度的1.5～2倍，而低壓電機不但端部長度小，而且絕緣薄，散熱更好，對散熱結(jié)構(gòu)的尺寸要求更小，所以電機的體積更小。

驅(qū)動器適配性好：低壓電機的電壓等級較低，與市面現(xiàn)有的變頻器匹配度更高，尤其對于永磁電機，低壓變頻器的選擇多，適配成本也更低，方案也比高壓更成熟。

3.5 直噴油冷

散熱效率高：電機油冷屬于直接冷卻,相較其他冷卻方式，能夠更加有效地將熱量從電機中排出，最大限度地降低電機溫度。多用于高功率密度的應(yīng)用場合，例如，高性能新能源汽車馬達、航空馬達等鄰域。

低噪音：由于無散熱風(fēng)扇，電機油冷相對風(fēng)冷更加安靜。

安全性：冷卻油是一種不含有毒有害物質(zhì)（乙二醇，丙二醇）的不可燃燒阻燃液體，相對其他冷卻方式，避免了氣蝕、水垢、電解等腐蝕傷害。

提高電機壽命：靈敏的熱平衡能力，超寬的溫度工作區(qū)間，不但能夠冷卻電機的線圈和鐵芯，同時保障軸承處于最佳工作溫度，大幅度提高電機的壽命。

3.6 多相變頻驅(qū)動

低諧波：采用六相和九相電機搭載多相變頻驅(qū)動技術(shù)，多套繞組間錯開30°相位角進行控制，電流諧波遠低于三相變頻驅(qū)動，能夠有效地降低電網(wǎng)和電機的諧波干擾和損害。

大功率輸出更穩(wěn)定：主副變頻器均可獨立使用,具備更高的過載能力和更寬的工作范圍，可以保證電機在高負荷和高速運行時的穩(wěn)定性和可靠性。

控制精度：多相驅(qū)動技術(shù)對變頻器的要求較高，因此需要配套高精度的變頻器控制單元，結(jié)合優(yōu)秀的軟件算法可以提供更加精確的轉(zhuǎn)矩控制和速度控制，從而可以滿足更高的運行要求和控制精度要求，適用于一些高精度運動控制或速度功率變化較大的應(yīng)用場景。

3.7 轉(zhuǎn)子溫度在線測量系統(tǒng)

永磁電機與普通異步感應(yīng)電機不同的是轉(zhuǎn)子磁場依靠永磁體提供，由于材料本身的特性，當(dāng)永磁體溫度過高且超過某一臨界溫度時，轉(zhuǎn)子磁鋼將會發(fā)生不可逆的退磁現(xiàn)象，因此永磁電機轉(zhuǎn)子溫度的在線監(jiān)測對于判斷電機的運行狀態(tài)以及對電機做失磁保護有著重要的意義。所以，變壓吸附制氧系統(tǒng)所使用的高速永磁同步電機均配備了轉(zhuǎn)子溫度在線監(jiān)測與保護裝置，可以實時顯示轉(zhuǎn)子溫度,根據(jù)需要設(shè)定報警值，可在單獨使用，也可將信號接入DCS做連鎖保護，還可以上傳數(shù)據(jù)到云端顯示和記錄，能夠提供有效保護的同時，也方便遇到故障后調(diào)用數(shù)據(jù)排查分析。

4 高速永磁同步電機與常規(guī)電機在系統(tǒng)中的應(yīng)用對比

在設(shè)備選型階段，我們針對整個系統(tǒng)的技術(shù)特性，對高速永磁同步電機與普通異步感應(yīng)電機在系統(tǒng)應(yīng)用中做了詳細對比，對比結(jié)果如表1。

表1 高速永磁同步電機與異步感應(yīng)電機應(yīng)用對比

5 高速永磁同步電機的優(yōu)勢

通過上述對高速永磁同步電機特點的研究以及與普通異步電機的對比分析，高速永磁同步電機相較普通異步電機在多個方面都表現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢。首先，采用高速直驅(qū)永磁電機設(shè)計使得空分設(shè)備不僅具備更高的效率、更輕便的體積，還能減少設(shè)備的故障率和維護成本。其次，多相電機及其多相驅(qū)動技術(shù)相較三相電機不僅在諧波控制與最大輸出能力方面更加穩(wěn)定，而且提高了設(shè)備的容錯率。此外，低壓設(shè)計，油冷卻，轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)控既能夠降低能耗，又增加了功率密度,還可以減少潛在的安全隱患，提高了設(shè)備的使用安全性。最后，空分設(shè)備因其特殊的工藝要求需要電機在高速運轉(zhuǎn)下實現(xiàn)循環(huán)極加減速，這無論是對絕緣系統(tǒng)的抗沖擊性還是對轉(zhuǎn)動部件的抗疲勞性都是一個巨大的挑戰(zhàn)，普通異步電機無法滿足此類要求。

6 結(jié)語

變壓吸附制氧系統(tǒng)專用的高速永磁同步電機相較普通異步電機在效率、安全性、穩(wěn)定性方面都擁有明顯的優(yōu)勢，而在可靠性方面更加展現(xiàn)出絕對的優(yōu)勢。因此，在變壓吸附制氧系統(tǒng)中采用高速永磁同步電機，不僅能夠提高生產(chǎn)效率，還能夠減少潛在的安全隱患，大幅提升設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，保證了整個系統(tǒng)的高效節(jié)能運行，為高爐冶煉提供了穩(wěn)定的富氧供應(yīng)，為實現(xiàn)低碳冶煉、綠色冶煉提供了穩(wěn)固的基礎(chǔ)和強大助力。