上海市能效中心 劉洋 秦宏波

0 前言

電動機廣泛應用于工業(yè)、建筑等領域，其耗電量占全國總用電量的60%左右，占工業(yè)系統(tǒng)用電量的75%左右。由于電機自身能效低且系統(tǒng)匹配不合理，導致我國電機系統(tǒng)運行效率比發(fā)達國家低10%～20%[1]，尤其是化纖產(chǎn)品制造行業(yè)，其固有的運行特點，節(jié)能空間將更大。

1 化纖行業(yè)電機使用特點

在化纖工業(yè)生產(chǎn)中，聚酯切片干燥設備--轉(zhuǎn)鼓（圖1）是主要加工設備，其加工過程為：加料之后，電機轉(zhuǎn)矩通過減速機傳遞給轉(zhuǎn)鼓，帶動轉(zhuǎn)鼓以3.5r/min的轉(zhuǎn)速運行，其運行周期一般在12h以上。啟動時，聚酯切片在轉(zhuǎn)鼓的底部，為使轉(zhuǎn)鼓能夠順利起動，常按轉(zhuǎn)鼓最大負荷來選配電動機，而正常運行時負荷率僅在30%左右。

我國轉(zhuǎn)鼓設備中普遍使用的是Y系列三相異步電動機，由于轉(zhuǎn)鼓負荷的特殊性，為了滿足設備啟動需要，“大馬拉小車”現(xiàn)象成為必然。因此，運行過程中電機一直處在低效率狀態(tài)，造成了能源的浪費。

2 電機系統(tǒng)節(jié)能改造原理

稀土永磁是一種高性能的功能材料，它的高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積等優(yōu)異磁性能特別適合于制造電動機[2]。充磁后，無需外加能量就能在電機內(nèi)部建立進行機電能量轉(zhuǎn)換所必需的磁場，用它制成的高效永磁同步電動機與異步電動機相比，不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)，甚至使功率因數(shù)接近1；在穩(wěn)定運行時，轉(zhuǎn)子與定子磁場同步運行,轉(zhuǎn)子中無感應電流，所以不存在轉(zhuǎn)子電阻損耗，進而降低電機的溫升，減小風扇以減少風摩損耗，進一步提高電機效率。

3 電機系統(tǒng)節(jié)能改造方案

根據(jù)轉(zhuǎn)鼓設備及負載用能特點，對某化纖公司的兩臺轉(zhuǎn)鼓設備實施了電機節(jié)能改造工程。主要將原有三相異步電動機改造為高效三相永磁同步電動機，額定數(shù)據(jù)如表1所示。

對于異步電動機來說，負載率不同，電機的效率和功率因數(shù)變化很大，負載率越低，電機的效率和功率因數(shù)隨之降低。對稀土永磁同步電動機而言，在輕載條件下仍能夠保持較高的效率和功率因數(shù)，同時，在相同負載率下，效率較異步電動機要高得多。

表1 三相異步電機與高效永磁同步電機額定數(shù)據(jù)對比

為了驗證永磁同步電動機和三相異步電動機的運行效率，特對兩臺三相永磁同步電動機產(chǎn)品和兩臺原有三相異步電動機的性能按國家標準《三相異步電動機試驗方法》（GB/T 1032-2005）進行效率測試，效率曲線和功率因數(shù)曲線見圖2、圖3所示。

從電機的測試結果來看，與三相異步電動機相比，永磁同步電動機不僅在額定狀態(tài)下具有較高的效率和功率因數(shù)，而且在輕載時具有較高的效率和功率因數(shù)，即電動機具有高的且相對平坦的工作特性曲線，解決了三相異步電動機在輕載時效率和功率因數(shù)低的突出問題。所測得的額定運行時的效率和功率因數(shù)見表2。

圖2 電機效率曲線對比

圖3 電機功率因數(shù)曲線對比

表2 1#電機效率和功率因數(shù)的測試值

表3 1#電機用能測試數(shù)據(jù)

4 經(jīng)濟性分析

本電機系統(tǒng)改造節(jié)電率用對比測定法進行分析，試驗分別在配有三相異步電動機和永磁同步電動機在轉(zhuǎn)鼓上進行，兩臺轉(zhuǎn)鼓運行工況完全一致，測試周期為3.5h。表3為三相異步電動機和永磁同步電動機在相同時間內(nèi)測得的數(shù)據(jù)。

1）有功節(jié)電率計算

式中：W1—異步電動機有功電量;

W2—稀土永磁電動機有功電量;

2）無功節(jié)電率計算

式中：Q1—異步電動機無功電量；

Q2—稀土永磁電動機無功電量；

3）年節(jié)電費用

表4 1#電動機改造經(jīng)濟性分析

電機以每年運行6000h，電價為0.68元/kWh計算，則年節(jié)電費用為：

年節(jié)電費用=電機功率×電機負載率×有功節(jié)電率×年運行時間×電價=5.5×26.5%×21.6%×6000×0.68＝1284（元）

綜上，聚酯切片干燥設備電機節(jié)能改造經(jīng)濟性分析如表4所示[4][5],即本改造項目在沒有任何政策補貼的情況下，投資回收期約2.5年；考慮到目前國家和上海市對高效電機的補貼以及舊電機的價值，投資回收期可降為1.6年，節(jié)能經(jīng)濟性顯著。

5 結論

稀土永磁同步電動機是一種新型高效節(jié)能的產(chǎn)品，其效率和功率因數(shù)在輕載時較三相異步電動機高很多。在啟動力矩要求高、運行負載低的場合節(jié)能效果明顯，對類似負載的節(jié)能改造投資回收期較短，充分運用國家和地方的鼓勵政策后投資經(jīng)濟性顯著，可在行業(yè)中普遍推廣。

[1]周勝 趙凱.《電機系統(tǒng)節(jié)能實用指南》.機械工業(yè)出版社.2009.9

[2]王秀和等.《永磁電機》（第二版）.中國電力出版社.2011.1

[3]《三相異步電動機試驗方法》（GB/T 1032-2005）

[4]財政部 國家發(fā)展改革委.《關于做好2011年高效電機推廣工作的通知》財建〔2011〕62號

[5]上海市人民政府辦公廳.《上海市加快高效電機推廣促進高效電機再制造工作方案》滬府辦發(fā)〔2011〕62 號