淺談稀土釹鐵硼永磁電機在鐵路電力驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用

李寶文

(蘭州鐵路局計統(tǒng)處，甘肅蘭州 730000)

1 背景

國際能源署電動機工作組報告指出:全世界工業(yè)用電動機消耗了總發(fā)電量的30% ～40%，其系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能潛力可達到30% ～60%。我國“十二五”十大重點節(jié)能工程，電動機系統(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)能電動機、稀土釹鐵硼永磁電動機等;更新淘汰低效電動機及高耗電設(shè)備。高效率、高功率因數(shù)、高起動轉(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機是電動機中有較高技術(shù)含量的產(chǎn)品，是國家“863”計劃中重大專項。充分發(fā)揮我國稀土資源豐富的優(yōu)勢，大力研究和推廣應(yīng)用以稀土釹鐵硼永磁電機為代表的各種永磁同步電機，對我國企業(yè)節(jié)能減排具有重要的意義。

目前，稀土釹鐵硼永磁電機在國內(nèi)礦山、鋼鐵、石油等行業(yè)已有應(yīng)用，但鐵路電力驅(qū)動系統(tǒng)還沒有普遍使用。鐵路系統(tǒng)電力拖動負(fù)載的常規(guī)三相異步電機功率因數(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)動設(shè)備耗電1.04億kW·h，占66.8%。其中耗電較大的動力設(shè)備主要有空壓機、鼓引風(fēng)機、水泵、機床、起重機械設(shè)備等。對大功率電力驅(qū)動設(shè)備采取節(jié)能措施，對全局節(jié)能減排、降低成本支出意義重大。

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

2 永磁同步電動機的節(jié)能原理

永磁同步電動機在其轉(zhuǎn)子磁路中嵌入稀土釹鐵硼的永磁材料，保留鼠籠繞組，使得永磁同步電動機能夠在額定電壓、額定頻率下直接異步起動運行。電機運行時，由永磁體的永久磁能提供勵磁，無需由電網(wǎng)汲取無功勵磁電流，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

為建立稀土釹鐵硼永磁電機與常規(guī)三相異步電機相同條件下的對比實驗環(huán)境，確定科學(xué)研究實驗采集數(shù)據(jù)分析的具體內(nèi)容，本課題項目研究試點選在蘭西工務(wù)段沙金坪采石場，采用稀土釹鐵硼永磁同步電機系統(tǒng)替代原有異步電動機驅(qū)動的破碎機(兩臺電機運行工況完全相同，見圖1)，對比分析改造前后的有關(guān)數(shù)據(jù)(電壓、電流、有功功率、無功功率)。

圖1 蘭西工務(wù)段采石場同樣工況設(shè)備示意圖

3.2 測試方法

使用進口高精度功率測試儀，對比測試永磁同步電動機，三相異步電動機。對有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電壓、電流的平均值、最大值、最小值、累計值完整記錄。測量接線見圖2。

圖2 測量接線圖

3.3 計算方法

按圖3所示的三角法計算。

圖3 功率三角法

4 試驗效果分析

4.1 試驗數(shù)據(jù)分析

2012年8月22日至9月26日期間運行228 h，對蘭西工務(wù)段沙金坪采石場永磁電機對比實際測量計算。對比結(jié)果見表1。

表1 蘭西工務(wù)段沙金坪采石場電機對比實驗

注:1.永磁同步電動機的有功功率2244 kW·h比異步電動機2009 kW·h高的原因是:破碎機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，永磁同步電動機帶動的大飛輪由于慣性有發(fā)電能力，電能通過電度表向電網(wǎng)反饋電能。由于現(xiàn)在的數(shù)字式電度表是以脈沖計量的，無論用電與發(fā)電都計量為消耗電能;而異步電動機沒有發(fā)電能力，所以計量的有功功率反而小。

2.力調(diào)比值=無功電量/有功電量，即將當(dāng)月實用無功電量與倒送的無供電量兩者的絕對值之和，除以當(dāng)月的有功電量所得數(shù)值。即可按照國家電網(wǎng)公司《關(guān)于印發(fā)〈國家電網(wǎng)公司業(yè)擴報裝工作規(guī)范(試行)〉和〈國家電網(wǎng)公司業(yè)擴供電方案編制導(dǎo)則〉的通知》(國家電網(wǎng)營銷［2010］1247號)11.6《功率因數(shù)調(diào)整電費增減查對表》，查找當(dāng)月功率因數(shù)(力率)、力率標(biāo)準(zhǔn)及電費增減百分率，電價為0.85元 kW·h。

4.2 運行費用節(jié)約率分析計算

(1)三相異步電動機電費=單價*有功電量*力率標(biāo)準(zhǔn)

(2)永磁同步電動機電費=單價*有功電量*力率標(biāo)準(zhǔn)

(3)節(jié)約電費=3125－1893=1232元

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

4.3 效率和功率因數(shù)分析

永磁電機與異步電機效率和功率因數(shù)對比見圖4。

圖4 普通三相異步電動機與高效永磁同步電動機的效率、功率因數(shù)對比圖

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

4.3.2 許多工作場所由于負(fù)荷波動大，在設(shè)計之初就必須將電動機設(shè)計成較高功率，以防止負(fù)荷波動到最大時不能正常運行。而上述電動機普遍運行在額定負(fù)載的60%左右。從圖4對比中可以查到永磁同步電動機的效率仍高于94%，功率因數(shù)仍高于0.95。而三相異步電動機的效率低于70%，功率因數(shù)低于0.7。

4.3.3 采用永磁同步電動機后，由于功率因數(shù)的提高，不需要投入無功補償就可以減小工作電流，進而降低了輸電線路上的功率損失，節(jié)能效果非常顯著。

5 結(jié)論

5.1 稀土釹鐵硼永磁電動機與異步電動機相比更具經(jīng)濟性

通過實驗數(shù)據(jù)對比分析，在相同工況、相同功率的條件下，永磁電動機與異步電動機相比，電費節(jié)約率一般能達到39.4%左右。目前，蘭州局共有主要機械動力設(shè)備10 836臺、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，年節(jié)約電費3 000多萬元，投資回收期約2年。

5.2 適宜鐵路系統(tǒng)的各類電力驅(qū)動設(shè)備安裝使用

近一年的連續(xù)運行中，稀土釹鐵硼永磁電機沒有出現(xiàn)任何故障。稀土釹鐵硼永磁電機的工作環(huán)境溫度為:－35℃ ＜t＜40℃。稀土釹鐵硼永磁電機比普通異步電動機提高效率2% ～8%，功率因數(shù)接近1.0，無需無功補償。配電線路損耗降低。能效曲線在25%～120%負(fù)載范圍內(nèi)保持高值、變化平緩。起動轉(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)各類電力驅(qū)動設(shè)備安裝使用。

5.3 設(shè)備改造簡單易行

由于永磁電機與三相異步電機外形尺寸、重量等基本相同，對既有電力驅(qū)動設(shè)備改造，只需把原三相異步電機拆除，將同功率永磁同步電機對接安裝即可使用，無需新增占地面積、電力負(fù)荷及配套設(shè)備，對原有生產(chǎn)工藝沒有影響。同時，由于永磁電機功率因數(shù)較高，改造使用永磁電機可減少三相異步電機配套的電力補償設(shè)備。