摘 要：本文主要論述了永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理以及相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并簡(jiǎn)析了永磁電動(dòng)機(jī)在火電廠中的應(yīng)用。永磁同步電動(dòng)機(jī)是一種高效低耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電動(dòng)機(jī)，是火力發(fā)電廠設(shè)備工程的一次良好升級(jí)。

關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī)；火電廠；應(yīng)用分析；效率

前言

在新時(shí)代，中國(guó)對(duì)于節(jié)約能源的重視程度越來(lái)越高，節(jié)能已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略方案，既能帶來(lái)較大的社會(huì)效應(yīng)和自然效應(yīng)，又具有一定的復(fù)雜性和緊迫性。近些年來(lái)，電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能被列為國(guó)家的重點(diǎn)工程。我國(guó)各種電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行效率比國(guó)外的電動(dòng)機(jī)相對(duì)較低，但是我國(guó)的耗電量是非常高的，這就使得我們必須發(fā)展高效節(jié)能的電動(dòng)機(jī)（比如永磁電動(dòng)機(jī)）。永磁同步電動(dòng)機(jī)的使用能夠讓火力發(fā)電廠節(jié)省很多的設(shè)備成本和能量損耗，并且在一定程度上（比如輕載荷情況）提高設(shè)備的工作效率。

1、永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理

1.1永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

永磁同步電動(dòng)機(jī)（permanent magnet synchronous motor，即PMSM）主要是由端蓋、定子和轉(zhuǎn)子等多個(gè)部件構(gòu)成，與異步電動(dòng)機(jī)最大的不同就是永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上放置有永磁體磁極，磁極的質(zhì)量比較高。永磁體磁極的放置位置和放置方式對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響非常顯著，根據(jù)轉(zhuǎn)子的安放位置可以將永磁同步電動(dòng)機(jī)分為內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其中表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體磁極位于轉(zhuǎn)子鐵芯外表面，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、異步轉(zhuǎn)矩小的特點(diǎn)，通常運(yùn)用于啟動(dòng)要求低的情況；內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與表面式不同，其永磁體磁極放置在鼠籠導(dǎo)條與轉(zhuǎn)軸之間的鐵芯內(nèi)，具有啟動(dòng)性能好的特點(diǎn)。鑒于內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相對(duì)突出的優(yōu)勢(shì)，目前大多數(shù)的永磁同步電動(dòng)機(jī)都采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

2.永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)

永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作一般是由定子繞組、永磁體磁極、轉(zhuǎn)子繞組這三個(gè)結(jié)構(gòu)完成，在工作過(guò)程中，這三個(gè)結(jié)構(gòu)相互作用、相互影響形成穩(wěn)定的磁場(chǎng)。永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理主要是：首先，向定子繞組中通入一定的三項(xiàng)對(duì)稱電流并在定子繞組中產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)又在轉(zhuǎn)子繞組中相對(duì)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)用進(jìn)而形成電流，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速通常情況下是不相同的，會(huì)產(chǎn)生一定的交變轉(zhuǎn)矩，并且相互作用使得轉(zhuǎn)子在異步轉(zhuǎn)矩的促進(jìn)下從靜止?fàn)顟B(tài)逐漸開(kāi)始加速轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)子的速度不斷增大，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度不斷接近，當(dāng)轉(zhuǎn)子速度增大到同步轉(zhuǎn)速附近時(shí)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度一般稍稍大于永磁磁場(chǎng)，這種情況下，定子旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使得轉(zhuǎn)子進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)。在同步運(yùn)行狀態(tài)下，定子旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度非常接近，轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)中也幾乎不會(huì)再產(chǎn)生電流，只有永磁體磁極產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)并且與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在永磁同步電動(dòng)機(jī)的整個(gè)工作過(guò)程中，轉(zhuǎn)子繞組的異步轉(zhuǎn)矩是啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的主要原理，并且轉(zhuǎn)子繞組只在啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的時(shí)候發(fā)揮作用，啟動(dòng)之后，永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行主要是靠永磁體磁極和定子繞組的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩支持。

2.1永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

1）功率因數(shù)高

永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率因素相較于普通異步電動(dòng)機(jī)具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，其功率因數(shù)高且不受電動(dòng)機(jī)級(jí)數(shù)的影響，并且當(dāng)電動(dòng)機(jī)滿負(fù)載的時(shí)候其功率系數(shù)更接近于1（普通異步電動(dòng)機(jī)在這種情況下的功率因數(shù)一般在0.85左右）。在高功率因數(shù)的影響下，電動(dòng)機(jī)配套的變壓器（電源）容量可以相應(yīng)的有所降低，還能夠降低相關(guān)設(shè)備的規(guī)格參數(shù)（比如開(kāi)關(guān)設(shè)備、電線等）。此外，永磁同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)電流相對(duì)較小，因此電動(dòng)機(jī)的定子銅耗較少，效率更高。永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作效率非常高，并且高效率運(yùn)行的范圍也比較寬（比如在輕度載荷條件下，永磁同步電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)在百分之二十五到百分之一百二十的范圍內(nèi)工作效率達(dá)到百分之九十以上）。永磁同步電動(dòng)機(jī)的額定效率可以達(dá)到國(guó)標(biāo)的1級(jí)要求，具有良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和節(jié)能效應(yīng)，這是永磁同步電動(dòng)機(jī)相對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)突出優(yōu)勢(shì)。

在這里需要注意的是，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中，其運(yùn)行工作基本不會(huì)再滿功率的情況下運(yùn)行，主要原因有：

（1）在選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)時(shí)，相關(guān)工作設(shè)計(jì)人員為了保證電動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性和安全性，主要使根據(jù)負(fù)載等工況的極限狀態(tài)來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)的功率。在實(shí)際工作中，這種極限工作狀態(tài)很少發(fā)生，工作人員這樣選擇電動(dòng)機(jī)功率的目的是為電動(dòng)機(jī)保留一定的功率裕量，防止電動(dòng)機(jī)的燒壞、損傷的發(fā)生。

（2）除了滿足電動(dòng)機(jī)的極限工況，設(shè)計(jì)人員還會(huì)在用戶要求的基礎(chǔ)上再留一定的功率裕量，從而增強(qiáng)電動(dòng)機(jī)的可靠性。

因此，電動(dòng)機(jī)通常情況下是在輕載條件下工作，很多電動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作效率在額定功率的70%以下，比如火力發(fā)電廠的泵體結(jié)構(gòu)等。在這種前提條件下，永磁同步電動(dòng)機(jī)的輕載工作效率能夠保持非常高的水平，相對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

2）損耗低、溫升低

一方面，永磁同步電動(dòng)機(jī)的永磁體磁極產(chǎn)生磁場(chǎng)，相對(duì)于其它通過(guò)勵(lì)磁電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的電動(dòng)機(jī)，有效的避免了勵(lì)磁損耗即銅耗。另一方面，在永磁同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后轉(zhuǎn)子不參與工作，并且轉(zhuǎn)子的運(yùn)行沒(méi)有電流，這就能夠有效地降低永磁同步電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)的溫度上升現(xiàn)象。

3）其他

除了上述突出優(yōu)點(diǎn)以外，永磁同步電動(dòng)機(jī)還具有啟動(dòng)時(shí)間快、過(guò)載能力高等特點(diǎn)。永磁同步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際控制和管理比較方便，工作的效率比較穩(wěn)定，不隨電動(dòng)機(jī)級(jí)數(shù)、電壓和負(fù)載的變化而發(fā)生較大波動(dòng)，并且永磁同步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能比較好，非常適合變頻控制。此外，由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的大范圍高功率，可以適當(dāng)?shù)亟档碗妱?dòng)機(jī)的裝機(jī)容量，這樣既能節(jié)約能源又能減少電動(dòng)機(jī)的投資成本，帶來(lái)非常良好的工作效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3、永磁同步電動(dòng)機(jī)在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用

在火力發(fā)電廠中采用永磁同步電動(dòng)機(jī)需要著重考慮永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)以及設(shè)計(jì)制造的價(jià)格因素，選擇合適的設(shè)備能夠給相關(guān)工程設(shè)計(jì)帶來(lái)很多的好處，選擇相關(guān)設(shè)備主要遵從的原則主要有：

（1）重視永磁同步電動(dòng)機(jī)工程的運(yùn)行壽命，選擇合適的參數(shù)指標(biāo)，比如年運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、負(fù)荷變化率等因素。

（2）重視永磁同步電動(dòng)機(jī)工程的電壓等級(jí)、火力電廠電消耗等因素。隨著現(xiàn)代電力技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對(duì)于電力電能需求不斷上升的背景下，高壓輔機(jī)的電量總消耗占據(jù)了非常大的部分，因此正確地選用永磁同步電動(dòng)機(jī)是降低火力發(fā)電廠耗電量、用電率等因素的關(guān)鍵。

（3）在選擇火力發(fā)電廠永磁同步電動(dòng)機(jī)的型號(hào)時(shí)，一定要計(jì)算工程的投資和回收期。主要的測(cè)算原理就是：規(guī)定年利用周期為5500個(gè)小時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)煤耗為275g/kWh，價(jià)格為400元/噸或者700元/噸，永磁同步電動(dòng)機(jī)的成本價(jià)格按照相同型號(hào)異步電動(dòng)機(jī)的1.5倍為準(zhǔn)。在這樣的條件下進(jìn)行計(jì)算，選擇運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、年運(yùn)行小時(shí)多的電動(dòng)機(jī)。在測(cè)算的過(guò)程中可以明顯地發(fā)現(xiàn)，永磁同步電動(dòng)機(jī)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益比異步電動(dòng)機(jī)要大很多。

4、結(jié)束語(yǔ)

永磁同步電動(dòng)機(jī)已經(jīng)在多個(gè)行業(yè)得到廣泛的使用，比如橡膠行業(yè)、冶金行業(yè)、紡織行業(yè)等，在這些領(lǐng)域運(yùn)用累積得到的設(shè)計(jì)和工作經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)橛来磐诫妱?dòng)機(jī)在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用提供豐富的參考。隨著設(shè)備技術(shù)的不斷提高，我國(guó)制造業(yè)的制造水平不斷上升，制造的效率不斷提高，而設(shè)備銷售的價(jià)格不斷下降。新時(shí)代，永磁同步電動(dòng)機(jī)作為降低火力發(fā)電廠耗電量等因素的重要技術(shù)，在制造業(yè)不斷升級(jí)的背景，一定會(huì)有越來(lái)越光明的應(yīng)用前途。

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作者簡(jiǎn)介：

祝茹龍（1983.6——）男，哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院，電氣工程及其自動(dòng)化大專學(xué)歷，主要從事電氣專業(yè)運(yùn)行工作。