李寶文

(蘭州鐵路局計(jì)統(tǒng)處，甘肅蘭州 730000)

1 背景

國(guó)際能源署電動(dòng)機(jī)工作組報(bào)告指出:全世界工業(yè)用電動(dòng)機(jī)消耗了總發(fā)電量的30% ～40%，其系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能潛力可達(dá)到30% ～60%。我國(guó)“十二五”十大重點(diǎn)節(jié)能工程，電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程是其中之一。該工程的主要內(nèi)容是:推廣高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)、稀土釹鐵硼永磁電動(dòng)機(jī)等;更新淘汰低效電動(dòng)機(jī)及高耗電設(shè)備。高效率、高功率因數(shù)、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高功率密度、高互換性、低溫升稀土釹鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)機(jī)中有較高技術(shù)含量的產(chǎn)品，是國(guó)家“863”計(jì)劃中重大專(zhuān)項(xiàng)。充分發(fā)揮我國(guó)稀土資源豐富的優(yōu)勢(shì)，大力研究和推廣應(yīng)用以稀土釹鐵硼永磁電機(jī)為代表的各種永磁同步電機(jī)，對(duì)我國(guó)企業(yè)節(jié)能減排具有重要的意義。

目前，稀土釹鐵硼永磁電機(jī)在國(guó)內(nèi)礦山、鋼鐵、石油等行業(yè)已有應(yīng)用，但鐵路電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還沒(méi)有普遍使用。鐵路系統(tǒng)電力拖動(dòng)負(fù)載的常規(guī)三相異步電機(jī)功率因數(shù)和使用效率較低。2012年蘭州局生產(chǎn)生活電力消耗1.56億kW·h，主要電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備耗電1.04億kW·h，占66.8%。其中耗電較大的動(dòng)力設(shè)備主要有空壓機(jī)、鼓引風(fēng)機(jī)、水泵、機(jī)床、起重機(jī)械設(shè)備等。對(duì)大功率電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備采取節(jié)能措施，對(duì)全局節(jié)能減排、降低成本支出意義重大。

本文對(duì)稀土釹鐵硼永磁電機(jī)與常規(guī)三相異步電機(jī)的對(duì)比試驗(yàn)研究，通過(guò)同等條件下試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析稀土釹鐵硼永磁電機(jī)與常規(guī)電機(jī)的能效比，以及所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用價(jià)值，為下一步在較大范圍內(nèi)使用稀土釹鐵硼永磁電機(jī)提供科學(xué)依據(jù)，為節(jié)能降耗找到新的突破口。

2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能原理

永磁同步電動(dòng)機(jī)在其轉(zhuǎn)子磁路中嵌入稀土釹鐵硼的永磁材料，保留鼠籠繞組，使得永磁同步電動(dòng)機(jī)能夠在額定電壓、額定頻率下直接異步起動(dòng)運(yùn)行。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由永磁體的永久磁能提供勵(lì)磁，無(wú)需由電網(wǎng)汲取無(wú)功勵(lì)磁電流，故而功率因數(shù)高，在保證同樣輸出功率的條件下，降低了能耗。

3 研究方法

3.1 技術(shù)路線(xiàn)

為建立稀土釹鐵硼永磁電機(jī)與常規(guī)三相異步電機(jī)相同條件下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)環(huán)境，確定科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)分析的具體內(nèi)容，本課題項(xiàng)目研究試點(diǎn)選在蘭西工務(wù)段沙金坪采石場(chǎng)，采用稀土釹鐵硼永磁同步電機(jī)系統(tǒng)替代原有異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的破碎機(jī)(兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行工況完全相同，見(jiàn)圖1)，對(duì)比分析改造前后的有關(guān)數(shù)據(jù)(電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率)。

圖1 蘭西工務(wù)段采石場(chǎng)同樣工況設(shè)備示意圖

3.2 測(cè)試方法

使用進(jìn)口高精度功率測(cè)試儀，對(duì)比測(cè)試永磁同步電動(dòng)機(jī)，三相異步電動(dòng)機(jī)。對(duì)有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、電壓、電流的平均值、最大值、最小值、累計(jì)值完整記錄。測(cè)量接線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)量接線(xiàn)圖

3.3 計(jì)算方法

按圖3所示的三角法計(jì)算。

圖3 功率三角法

4 試驗(yàn)效果分析

4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2012年8月22日至9月26日期間運(yùn)行228 h，對(duì)蘭西工務(wù)段沙金坪采石場(chǎng)永磁電機(jī)對(duì)比實(shí)際測(cè)量計(jì)算。對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 蘭西工務(wù)段沙金坪采石場(chǎng)電機(jī)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

注:1.永磁同步電動(dòng)機(jī)的有功功率2244 kW·h比異步電動(dòng)機(jī)2009 kW·h高的原因是:破碎機(jī)帶的大飛輪在石料由大變小或者從有石料到?jīng)]有石料的變化后，永磁同步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的大飛輪由于慣性有發(fā)電能力，電能通過(guò)電度表向電網(wǎng)反饋電能。由于現(xiàn)在的數(shù)字式電度表是以脈沖計(jì)量的，無(wú)論用電與發(fā)電都計(jì)量為消耗電能;而異步電動(dòng)機(jī)沒(méi)有發(fā)電能力，所以計(jì)量的有功功率反而小。

2.力調(diào)比值=無(wú)功電量/有功電量，即將當(dāng)月實(shí)用無(wú)功電量與倒送的無(wú)供電量?jī)烧叩慕^對(duì)值之和，除以當(dāng)月的有功電量所得數(shù)值。即可按照國(guó)家電網(wǎng)公司《關(guān)于印發(fā)〈國(guó)家電網(wǎng)公司業(yè)擴(kuò)報(bào)裝工作規(guī)范(試行)〉和〈國(guó)家電網(wǎng)公司業(yè)擴(kuò)供電方案編制導(dǎo)則〉的通知》(國(guó)家電網(wǎng)營(yíng)銷(xiāo)［2010］1247號(hào))11.6《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)增減查對(duì)表》，查找當(dāng)月功率因數(shù)(力率)、力率標(biāo)準(zhǔn)及電費(fèi)增減百分率，電價(jià)為0.85元 kW·h。

4.2 運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約率分析計(jì)算

(1)三相異步電動(dòng)機(jī)電費(fèi)=單價(jià)*有功電量*力率標(biāo)準(zhǔn)

(2)永磁同步電動(dòng)機(jī)電費(fèi)=單價(jià)*有功電量*力率標(biāo)準(zhǔn)

(3)節(jié)約電費(fèi)=3125－1893=1232元

(4)電費(fèi)節(jié)約率=(1－1893/3125)*100%=39.4%

4.3 效率和功率因數(shù)分析

永磁電機(jī)與異步電機(jī)效率和功率因數(shù)對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 普通三相異步電動(dòng)機(jī)與高效永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率、功率因數(shù)對(duì)比圖

4.3.1 由圖4可以看到普通三相異步電動(dòng)機(jī)(感應(yīng)電機(jī))運(yùn)行在額定負(fù)荷的80% ～100%時(shí)效率與功率因數(shù)可以分別達(dá)到80%、0.8以上。但當(dāng)負(fù)荷運(yùn)行到低于額定負(fù)荷的70%以下時(shí)效率與功率因數(shù)急劇下降。

4.3.2 許多工作場(chǎng)所由于負(fù)荷波動(dòng)大，在設(shè)計(jì)之初就必須將電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)成較高功率，以防止負(fù)荷波動(dòng)到最大時(shí)不能正常運(yùn)行。而上述電動(dòng)機(jī)普遍運(yùn)行在額定負(fù)載的60%左右。從圖4對(duì)比中可以查到永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率仍高于94%，功率因數(shù)仍高于0.95。而三相異步電動(dòng)機(jī)的效率低于70%，功率因數(shù)低于0.7。

4.3.3 采用永磁同步電動(dòng)機(jī)后，由于功率因數(shù)的提高，不需要投入無(wú)功補(bǔ)償就可以減小工作電流，進(jìn)而降低了輸電線(xiàn)路上的功率損失，節(jié)能效果非常顯著。

5 結(jié)論

5.1 稀土釹鐵硼永磁電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)相比更具經(jīng)濟(jì)性

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，在相同工況、相同功率的條件下，永磁電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)相比，電費(fèi)節(jié)約率一般能達(dá)到39.4%左右。目前，蘭州局共有主要機(jī)械動(dòng)力設(shè)備10 836臺(tái)、總功率68 831 kW，年耗電1億kW·h左右，若全部更換為永磁電機(jī)，年節(jié)約電費(fèi)3 000多萬(wàn)元，投資回收期約2年。

5.2 適宜鐵路系統(tǒng)的各類(lèi)電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備安裝使用

近一年的連續(xù)運(yùn)行中，稀土釹鐵硼永磁電機(jī)沒(méi)有出現(xiàn)任何故障。稀土釹鐵硼永磁電機(jī)的工作環(huán)境溫度為:－35℃ ＜t＜40℃。稀土釹鐵硼永磁電機(jī)比普通異步電動(dòng)機(jī)提高效率2% ～8%，功率因數(shù)接近1.0，無(wú)需無(wú)功補(bǔ)償。配電線(xiàn)路損耗降低。能效曲線(xiàn)在25%～120%負(fù)載范圍內(nèi)保持高值、變化平緩。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高。轉(zhuǎn)速與電源頻率保持嚴(yán)格的同步關(guān)系、便于控制。非常適合鐵路行業(yè)各類(lèi)電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備安裝使用。

5.3 設(shè)備改造簡(jiǎn)單易行

由于永磁電機(jī)與三相異步電機(jī)外形尺寸、重量等基本相同，對(duì)既有電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備改造，只需把原三相異步電機(jī)拆除，將同功率永磁同步電機(jī)對(duì)接安裝即可使用，無(wú)需新增占地面積、電力負(fù)荷及配套設(shè)備，對(duì)原有生產(chǎn)工藝沒(méi)有影響。同時(shí)，由于永磁電機(jī)功率因數(shù)較高，改造使用永磁電機(jī)可減少三相異步電機(jī)配套的電力補(bǔ)償設(shè)備。