安振華

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司能源與環(huán)境部，河北唐山063200）

供用電

永磁同步電動(dòng)機(jī)替換異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用與節(jié)能分析

安振華

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司能源與環(huán)境部，河北唐山063200）

介紹了永磁同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用及節(jié)能降耗作用，分析了對(duì)系統(tǒng)的影響和穩(wěn)定性，給出了具體的節(jié)能降耗數(shù)據(jù)。

永磁同步電動(dòng)機(jī)；節(jié)能率；電費(fèi)；穩(wěn)定

1 高效高壓永磁同步電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介

高效高壓永磁同步電動(dòng)機(jī)是新一代節(jié)能降耗電動(dòng)機(jī)，是將永磁技術(shù)運(yùn)用到電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的新技術(shù)，它具有以下主要特點(diǎn)：

1.1 高效率

轉(zhuǎn)子改用永磁材料后，不需要無(wú)功勵(lì)磁電流，永磁體提供的磁通取代電勵(lì)磁，減少了定子電流和定子電阻損耗；在正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)同步運(yùn)行，轉(zhuǎn)子無(wú)感應(yīng)電流，不存在轉(zhuǎn)子電阻損耗和磁滯損耗，提高電機(jī)效率。額定運(yùn)行時(shí)，電機(jī)效率大于96%，在30%～80%輕負(fù)載運(yùn)行范圍內(nèi)，電機(jī)依然具有較高的效率。

1.2 高功率因數(shù)

在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子無(wú)感應(yīng)電流勵(lì)磁，定子繞組呈阻性負(fù)載特性，電機(jī)的功率因數(shù)接近于1，而且在20%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)，均可保持較高的功率因數(shù)與效率，使輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更為顯著，額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，功率因數(shù)≥0.98。

1.3 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大

由于采用實(shí)心永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁同步電動(dòng)機(jī)具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，一般異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為1.8～2.2倍,而永磁電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)到3.5～4.3范圍之內(nèi)，縮短電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間。

1.4 體積小，重量輕

與同功率電機(jī)相比，體積減少40%，重量減輕16.19%。

永磁電動(dòng)機(jī)還具有如下特征：

（1）運(yùn)行壽命長(zhǎng)；

（2）維護(hù)成本低；

（3）磁場(chǎng)強(qiáng)度恒定，無(wú)明顯退磁現(xiàn)象。

由此可見(jiàn)永磁電動(dòng)機(jī)電壓等級(jí)高、容量大、功率因數(shù)高、輸出扭矩大、工作效率高，而且體積小、重量輕、運(yùn)行溫度低、有較寬的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍，是現(xiàn)有電磁式異步電動(dòng)機(jī)不能比擬的。

該電機(jī)廣泛應(yīng)用于冶金、化工、礦山、石油、電力、給排水、建材等領(lǐng)域，在電力系統(tǒng)將創(chuàng)造出可觀的價(jià)值。

2 永磁電動(dòng)機(jī)的節(jié)能降耗技術(shù)要點(diǎn)

通過(guò)一臺(tái)355 kW永磁同步電動(dòng)機(jī)實(shí)際的工業(yè)性試用，經(jīng)過(guò)實(shí)際計(jì)量的電量數(shù)據(jù)可以看出永磁同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)比較，具有非常明顯的技術(shù)特征：

（1）355 kW異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流22.8 A，無(wú)功功率230 kvar,有功功率341 kW，空載電流9.9 A，功率因數(shù)0.829。

（2）355 kW永磁同步電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流18.8 A，無(wú)功功率2.2 kvar，有功功率333 kW，空載電流3.3 A，功率因數(shù)0.999。

（3）兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)非常明顯的差別表現(xiàn)在實(shí)際運(yùn)行電流和空載電流，運(yùn)行電流相差4 A，空載電流相差6.6 A，無(wú)功功率相差227.8 kvar，功率因數(shù)相差0.17。

通過(guò)上述實(shí)際數(shù)據(jù)特征我們可以看到，永磁同步電動(dòng)機(jī)表現(xiàn)出了明顯的節(jié)能降耗技術(shù)要點(diǎn)：

（1）應(yīng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)可大幅度降低無(wú)功功率損耗。

（2）應(yīng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)可有效的提高系統(tǒng)功率因數(shù)。

（3）應(yīng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)可有效的提高運(yùn)行效率。

（4）應(yīng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)可有效的降低綜合有功能耗。

（5）應(yīng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)可降低運(yùn)行成本。

3 永磁同步電動(dòng)機(jī)替換異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行可行性理論計(jì)算

3.1 永磁電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行理論計(jì)算

3.1.1 電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載時(shí)的輸出功率P2

式中，I1——電流表實(shí)測(cè)電流；

IN——電動(dòng)機(jī)額定電流；

I0——電動(dòng)機(jī)空載電流；

PN——電動(dòng)機(jī)額定功率。

3.1.2 電動(dòng)機(jī)負(fù)載率β2

3.1.3 有功損耗

空載功率：P0=×UN×I0×cosφ

=1.732×10.24×3.3×0.085=4.98 kW

式中：ηN——電動(dòng)機(jī)額定效率；

PN——電動(dòng)機(jī)額定功率；

P0——電動(dòng)機(jī)空載功率。

3.1.4 空載時(shí)需要的無(wú)功功率Q0

3.1.5 額定負(fù)載時(shí)需要的無(wú)功功率QN

3.1.6 無(wú)功功率折算有功損耗ΔP2

3.1.7 電動(dòng)機(jī)總損耗ΣP

3.1.8 總的電動(dòng)機(jī)輸入功率

3.1.9 同步轉(zhuǎn)速時(shí)總的電動(dòng)機(jī)輸入功率

3.2 異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行理論計(jì)算

3.2.1 電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載時(shí)的輸出功率P2

式中，I1——電流表實(shí)測(cè)電流；

IN——電動(dòng)機(jī)額定電流；

I0——電動(dòng)機(jī)空載電流；

PN——電動(dòng)機(jī)額定功率。

3.2.2 電動(dòng)機(jī)負(fù)載率β2

3.2.3 有功損耗

空載功率：P0=■3×U×I0×cosφ

=1.732×10.24×9.9×0.2=35.12 kW

式中，ηN——電動(dòng)機(jī)額定效率；

PN——電動(dòng)機(jī)額定功率；

P0——電動(dòng)機(jī)空載功率。

3.2.4 空載時(shí)需要的無(wú)功功率Q0

3.2.5 額定負(fù)載時(shí)需要的無(wú)功功率QN

3.1.6 無(wú)功功率折算有功損耗ΔP2

3.1.7 電動(dòng)機(jī)總損耗ΣP

3.1.8 總的電動(dòng)機(jī)輸入功率

3.1.9 同步轉(zhuǎn)速時(shí)總的電動(dòng)機(jī)輸入功率

3.2 異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行理論計(jì)算

3.2.1 電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載時(shí)的輸出功率P2

式中，I1——電流表實(shí)測(cè)電流；

IN——電動(dòng)機(jī)額定電流；

I0——電動(dòng)機(jī)空載電流；

PN——電動(dòng)機(jī)額定功率。

3.2.2 電動(dòng)機(jī)負(fù)載率β2

3.2.3 有功損耗

空載功率：P0=■3×U×I0×cosφ

=1.732×10.24×9.9×0.2=35.12 kW

式中，ηN——電動(dòng)機(jī)額定效率；

PN——電動(dòng)機(jī)額定功率；

P0——電動(dòng)機(jī)空載功率。

3.2.4 空載時(shí)需要的無(wú)功功率Q0

3.2.5 額定負(fù)載時(shí)需要的無(wú)功功率QN

3.2.6 無(wú)功功率這算有功損耗ΔP2

3.2.7 電動(dòng)機(jī)總損耗ΣP

3.2.8 電動(dòng)機(jī)總的輸入功率P1

永磁電動(dòng)機(jī)替換異步電動(dòng)機(jī)理論綜合節(jié)電率ΣE：

上述是根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出的理論計(jì)算，理論計(jì)算證明永磁同步電動(dòng)機(jī)的綜合節(jié)電率可達(dá)到10.6%，但是由于電度表實(shí)際電量計(jì)量是根據(jù)如下公式計(jì)算得到：電量E=1.732×額定電壓×實(shí)際運(yùn)行電流×功率因數(shù)×T，對(duì)此實(shí)際運(yùn)行中雖然永磁電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)之間有4 A的運(yùn)行電流差，但是由于永磁電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)大于異步電動(dòng)機(jī)0.17，造成了永磁同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸入功率在計(jì)量中得到的數(shù)值相差不大，從實(shí)際計(jì)量數(shù)據(jù)上無(wú)法清楚地看到永磁電動(dòng)機(jī)的實(shí)際節(jié)能效果。根據(jù)實(shí)際計(jì)量的有關(guān)數(shù)據(jù)如下：

（1）永磁電動(dòng)機(jī)的實(shí)測(cè)輸入功率P=333 kW，cosφ=0.999，I=18.8 A，Q=2.2 kvar；

（2）異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)測(cè)輸入功率P=341 kW，cosφ=0.829，I=22.8 A，Q=230 kvar。

那么根據(jù)計(jì)量的實(shí)際值可以看到，永磁電動(dòng)機(jī)確實(shí)表現(xiàn)不是很突出，經(jīng)過(guò)實(shí)際計(jì)算綜合節(jié)電率只有2.3%。根本體現(xiàn)不出由于永磁同步電動(dòng)機(jī)基本沒(méi)有無(wú)功功率的消耗所帶給系統(tǒng)的有效節(jié)能效果。

上述計(jì)算完全忽略電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中啟動(dòng)電流的差別，由于永磁電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)速度快，啟動(dòng)電流小等特點(diǎn)，現(xiàn)有的異步電動(dòng)機(jī)是無(wú)法比擬的。

4 應(yīng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)提高功率因數(shù)、降低無(wú)功損耗的效益分析

異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用很廣泛，但是其自然功率因數(shù)很低，約0.7～0.8左右，因此對(duì)異步電動(dòng)機(jī)或供電系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)，節(jié)約電能是很有必要的。

如果更換一臺(tái)355 kW的永磁同步電動(dòng)機(jī)替換同功率的異步電動(dòng)機(jī)，那就等于減少了233 kvar的無(wú)功功率，根據(jù)無(wú)功當(dāng)量在三級(jí)變壓系統(tǒng)取值0.1計(jì)算，每年按6000 h運(yùn)行，節(jié)約的無(wú)功折合有功就等于ΔP=KQQH=0.1×230×6000=138000 kW·h，一臺(tái)永磁電動(dòng)機(jī)就可因非常低的無(wú)功功率消耗，6000 h可降低138000 kW·h的有功損耗，電費(fèi)按0.52元/kW·h，那就是71760元，這樣直接就通過(guò)永磁電動(dòng)機(jī)很好的完成了無(wú)功功率的補(bǔ)償，可見(jiàn)到實(shí)際效益，而且無(wú)需再考慮安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置了，一舉兩得。

根據(jù)我們10 kV系統(tǒng),如果實(shí)際完成無(wú)功總量的30%補(bǔ)償，那將得到非常可觀的效益。我們現(xiàn)有10 kV系統(tǒng)總的無(wú)功量大約有270000 kvar，如果我們按照總無(wú)功量的30%進(jìn)行補(bǔ)償，ΔP=KQQH=0.1× 270000×30%×6000=48600000 kW·h，實(shí)際有功功率就可降低48600000 kW·h，如果利用永磁電動(dòng)機(jī)替換異步電動(dòng)機(jī)，對(duì)270000 kvar無(wú)功補(bǔ)償30%就可降低81000 kvar，折合有功功率為8100 kW，如果按一臺(tái)355 kW異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行無(wú)功量230 kvar計(jì)算，8100 kW÷355 kW/臺(tái)=22.8臺(tái)，安裝23臺(tái)355 kW永磁電動(dòng)機(jī)就可以有效地降低無(wú)功損耗81000 kvar。這樣還能解決無(wú)功補(bǔ)償裝置在實(shí)際應(yīng)用中存在著諸多問(wèn)題，例如電容器容易出現(xiàn)的問(wèn)題，造成過(guò)補(bǔ)，過(guò)電壓，補(bǔ)償裝置投入和退出因電流的問(wèn)題造成設(shè)備損壞等等問(wèn)題。

所以說(shuō)利用永磁同步電動(dòng)機(jī)解決無(wú)功補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題確實(shí)是一個(gè)好方法，利用永磁電動(dòng)機(jī)是實(shí)實(shí)在在地減少無(wú)功功率的發(fā)生，使得系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，電壓質(zhì)量高，而異步電動(dòng)機(jī)由于大量可變無(wú)功的發(fā)生，占用變壓器容量，造成系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定，進(jìn)而影響系統(tǒng)穩(wěn)定。如果大量安裝使用永磁電動(dòng)機(jī)，就能一舉兩得地解決無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題和系統(tǒng)穩(wěn)定問(wèn)題。這樣作為發(fā)電系統(tǒng)只需向系統(tǒng)補(bǔ)充少量的無(wú)功就可以了，用以維持其他電感性負(fù)載運(yùn)行。而且這只是單一對(duì)異步電動(dòng)機(jī)而言。然而在其他方面還有很好的表現(xiàn)，可以為企業(yè)帶來(lái)客觀的經(jīng)濟(jì)效益。

5 應(yīng)用條件

（1）永磁高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)應(yīng)用在老廠高耗能電動(dòng)機(jī)的改造，會(huì)直接見(jiàn)到客觀的效益。

（2）永磁高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)應(yīng)用在新工程項(xiàng)目可以有效地實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，可以考慮無(wú)功補(bǔ)償?shù)膶?shí)用性，避免重復(fù)性投資無(wú)功補(bǔ)償裝置。

6 永磁同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的方向和前景

永磁同步電動(dòng)機(jī)如果作為技術(shù)節(jié)能產(chǎn)品，在已配置完成的工藝系統(tǒng)中以替換的方式要求用戶大范圍內(nèi)應(yīng)用，作為一臺(tái)用戶十分關(guān)心的實(shí)際計(jì)量數(shù)字而言那無(wú)疑是困難重重，再加上價(jià)格高于異步電動(dòng)機(jī)幾倍的現(xiàn)實(shí)，很難讓用戶下決心投入大量的資金換取很長(zhǎng)時(shí)間的投資回收期，再加上更換下來(lái)的異步電動(dòng)機(jī)如何處理等，顯然存在著諸多問(wèn)題需要有效地解決，否則很難以替換的形式讓用戶接受。

但是，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的理論計(jì)算和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果看，實(shí)際電量計(jì)量數(shù)據(jù)的反映和永磁同步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能降耗技術(shù)特征，作為降低系統(tǒng)無(wú)功功率的有效技術(shù)手段，利用永磁同步電動(dòng)機(jī)的技術(shù)特性，提高功率因數(shù)，降低無(wú)功功率，對(duì)于各個(gè)領(lǐng)域如果能夠有效地安裝使用永磁同步電動(dòng)機(jī)意在提高系統(tǒng)功率因數(shù)、降低無(wú)功損耗、提高發(fā)電機(jī)和變壓器的有功出力，那將非常有價(jià)值，帶給企業(yè)的將是大幅度運(yùn)營(yíng)成本的減少，供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，不要單純地追求計(jì)量數(shù)字體現(xiàn)的有形價(jià)值，更要追求大比例的無(wú)形價(jià)值，那樣永磁電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用就能很好地體現(xiàn)出它它的真正實(shí)用價(jià)值。

Application of Replacing Asynchronous Motor with Permanent Magnet Synchronous Motor and Energy Saving Analysis

AN Zhenhua
(Energy&Environment Dept.of Shougang Jingtang United Iron&Steel Co.,Ltd,Tangshan,Hebei 063200,China)

The application of permanent magnet synchronous motor and its energy saving and consumption reduction effect are introduced,effect on the system and its stability are analyzed and concrete data on energy saving and consumption reduction are provided as well.

permanent magnet synchronous motor;energy saving rate;electricity cost; stable

TM341

B

1006-6764(2014)05-0001-03

2013－11－19

安振華（1955-），男，1975年畢業(yè)于北京鋼校工企自動(dòng)化專業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事電氣設(shè)備管理及技術(shù)工作。