永磁同步電動機替換異步電動機的應用與節(jié)能分析

安振華

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

供用電

永磁同步電動機替換異步電動機的應用與節(jié)能分析

安振華

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

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

永磁同步電動機；節(jié)能率；電費；穩(wěn)定

1 高效高壓永磁同步電動機簡介

高效高壓永磁同步電動機是新一代節(jié)能降耗電動機，是將永磁技術運用到電動機領域的新技術，它具有以下主要特點：

1.1 高效率

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

1.2 高功率因數(shù)

在永磁同步電動機中，轉(zhuǎn)子無感應電流勵磁，定子繞組呈阻性負載特性，電機的功率因數(shù)接近于1，而且在20%～120%額定負載范圍內(nèi)，均可保持較高的功率因數(shù)與效率，使輕載運行時節(jié)能效果更為顯著，額定負載運行時，功率因數(shù)≥0.98。

1.3 啟動轉(zhuǎn)矩大

由于采用實心永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁同步電動機具有較大的啟動轉(zhuǎn)矩，一般異步電動機的啟動轉(zhuǎn)矩為1.8～2.2倍,而永磁電動機的啟動轉(zhuǎn)矩可達到3.5～4.3范圍之內(nèi)，縮短電機啟動時間。

1.4 體積小，重量輕

與同功率電機相比，體積減少40%，重量減輕16.19%。

永磁電動機還具有如下特征：

（1）運行壽命長；

（2）維護成本低；

（3）磁場強度恒定，無明顯退磁現(xiàn)象。

由此可見永磁電動機電壓等級高、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、運行溫度低、有較寬的經(jīng)濟運行范圍，是現(xiàn)有電磁式異步電動機不能比擬的。

該電機廣泛應用于冶金、化工、礦山、石油、電力、給排水、建材等領域，在電力系統(tǒng)將創(chuàng)造出可觀的價值。

2 永磁電動機的節(jié)能降耗技術要點

通過一臺355 kW永磁同步電動機實際的工業(yè)性試用，經(jīng)過實際計量的電量數(shù)據(jù)可以看出永磁同步電動機與異步電動機比較，具有非常明顯的技術特征：

（1）355 kW異步電動機實際運行電流22.8 A，無功功率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永磁同步電動機實際運行電流18.8 A，無功功率2.2 kvar，有功功率333 kW，空載電流3.3 A，功率因數(shù)0.999。

（3）兩臺電動機非常明顯的差別表現(xiàn)在實際運行電流和空載電流，運行電流相差4 A，空載電流相差6.6 A，無功功率相差227.8 kvar，功率因數(shù)相差0.17。

通過上述實際數(shù)據(jù)特征我們可以看到，永磁同步電動機表現(xiàn)出了明顯的節(jié)能降耗技術要點：

（1）應用永磁同步電動機可大幅度降低無功功率損耗。

（2）應用永磁同步電動機可有效的提高系統(tǒng)功率因數(shù)。

（3）應用永磁同步電動機可有效的提高運行效率。

（4）應用永磁同步電動機可有效的降低綜合有功能耗。

（5）應用永磁同步電動機可降低運行成本。

3 永磁同步電動機替換異步電動機經(jīng)濟運行可行性理論計算

3.1 永磁電動機經(jīng)濟運行理論計算

3.1.1 電動機帶負載時的輸出功率P2

式中，I1——電流表實測電流；

IN——電動機額定電流；

I0——電動機空載電流；

PN——電動機額定功率。

3.1.2 電動機負載率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——電動機額定效率；

PN——電動機額定功率；

P0——電動機空載功率。

3.1.4 空載時需要的無功功率Q0

3.1.5 額定負載時需要的無功功率QN

3.1.6 無功功率折算有功損耗ΔP2

3.1.7 電動機總損耗ΣP

3.1.8 總的電動機輸入功率

3.1.9 同步轉(zhuǎn)速時總的電動機輸入功率

3.2 異步電動機經(jīng)濟運行理論計算

3.2.1 電動機帶負載時的輸出功率P2

式中，I1——電流表實測電流；

IN——電動機額定電流；

I0——電動機空載電流；

PN——電動機額定功率。

3.2.2 電動機負載率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——電動機額定效率；

PN——電動機額定功率；

P0——電動機空載功率。

3.2.4 空載時需要的無功功率Q0

3.2.5 額定負載時需要的無功功率QN

3.1.6 無功功率折算有功損耗ΔP2

3.1.7 電動機總損耗ΣP

3.1.8 總的電動機輸入功率

3.1.9 同步轉(zhuǎn)速時總的電動機輸入功率

3.2 異步電動機經(jīng)濟運行理論計算

3.2.1 電動機帶負載時的輸出功率P2

式中，I1——電流表實測電流；

IN——電動機額定電流；

I0——電動機空載電流；

PN——電動機額定功率。

3.2.2 電動機負載率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——電動機額定效率；

PN——電動機額定功率；

P0——電動機空載功率。

3.2.4 空載時需要的無功功率Q0

3.2.5 額定負載時需要的無功功率QN

3.2.6 無功功率這算有功損耗ΔP2

3.2.7 電動機總損耗ΣP

3.2.8 電動機總的輸入功率P1

永磁電動機替換異步電動機理論綜合節(jié)電率ΣE：

上述是根據(jù)實際實驗數(shù)據(jù)做出的理論計算，理論計算證明永磁同步電動機的綜合節(jié)電率可達到10.6%，但是由于電度表實際電量計量是根據(jù)如下公式計算得到：電量E=1.732×額定電壓×實際運行電流×功率因數(shù)×T，對此實際運行中雖然永磁電動機與異步電動機之間有4 A的運行電流差，但是由于永磁電動機的功率因數(shù)大于異步電動機0.17，造成了永磁同步電動機與異步電動機實際輸入功率在計量中得到的數(shù)值相差不大，從實際計量數(shù)據(jù)上無法清楚地看到永磁電動機的實際節(jié)能效果。根據(jù)實際計量的有關數(shù)據(jù)如下：

（1）永磁電動機的實測輸入功率P=333 kW，cosφ=0.999，I=18.8 A，Q=2.2 kvar；

（2）異步電動機的實測輸入功率P=341 kW，cosφ=0.829，I=22.8 A，Q=230 kvar。

那么根據(jù)計量的實際值可以看到，永磁電動機確實表現(xiàn)不是很突出，經(jīng)過實際計算綜合節(jié)電率只有2.3%。根本體現(xiàn)不出由于永磁同步電動機基本沒有無功功率的消耗所帶給系統(tǒng)的有效節(jié)能效果。

上述計算完全忽略電動機在啟動過程中啟動電流的差別，由于永磁電動機啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動速度快，啟動電流小等特點，現(xiàn)有的異步電動機是無法比擬的。

4 應用永磁同步電動機提高功率因數(shù)、降低無功損耗的效益分析

異步電動機的應用很廣泛，但是其自然功率因數(shù)很低，約0.7～0.8左右，因此對異步電動機或供電系統(tǒng)進行無功補償，提高功率因數(shù)，節(jié)約電能是很有必要的。

如果更換一臺355 kW的永磁同步電動機替換同功率的異步電動機，那就等于減少了233 kvar的無功功率，根據(jù)無功當量在三級變壓系統(tǒng)取值0.1計算，每年按6000 h運行，節(jié)約的無功折合有功就等于ΔP=KQQH=0.1×230×6000=138000 kW·h，一臺永磁電動機就可因非常低的無功功率消耗，6000 h可降低138000 kW·h的有功損耗，電費按0.52元/kW·h，那就是71760元，這樣直接就通過永磁電動機很好的完成了無功功率的補償，可見到實際效益，而且無需再考慮安裝無功補償裝置了，一舉兩得。

根據(jù)我們10 kV系統(tǒng),如果實際完成無功總量的30%補償，那將得到非?？捎^的效益。我們現(xiàn)有10 kV系統(tǒng)總的無功量大約有270000 kvar，如果我們按照總無功量的30%進行補償，ΔP=KQQH=0.1× 270000×30%×6000=48600000 kW·h，實際有功功率就可降低48600000 kW·h，如果利用永磁電動機替換異步電動機，對270000 kvar無功補償30%就可降低81000 kvar，折合有功功率為8100 kW，如果按一臺355 kW異步電動機的實際運行無功量230 kvar計算，8100 kW÷355 kW/臺=22.8臺，安裝23臺355 kW永磁電動機就可以有效地降低無功損耗81000 kvar。這樣還能解決無功補償裝置在實際應用中存在著諸多問題，例如電容器容易出現(xiàn)的問題，造成過補，過電壓，補償裝置投入和退出因電流的問題造成設備損壞等等問題。

所以說利用永磁同步電動機解決無功補償?shù)膯栴}確實是一個好方法，利用永磁電動機是實實在在地減少無功功率的發(fā)生，使得系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，電壓質(zhì)量高，而異步電動機由于大量可變無功的發(fā)生，占用變壓器容量，造成系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定，進而影響系統(tǒng)穩(wěn)定。如果大量安裝使用永磁電動機，就能一舉兩得地解決無功補償問題和系統(tǒng)穩(wěn)定問題。這樣作為發(fā)電系統(tǒng)只需向系統(tǒng)補充少量的無功就可以了，用以維持其他電感性負載運行。而且這只是單一對異步電動機而言。然而在其他方面還有很好的表現(xiàn)，可以為企業(yè)帶來客觀的經(jīng)濟效益。

5 應用條件

（1）永磁高效節(jié)能電動機應用在老廠高耗能電動機的改造，會直接見到客觀的效益。

（2）永磁高效節(jié)能電動機應用在新工程項目可以有效地實現(xiàn)節(jié)能目標，可以考慮無功補償?shù)膶嵱眯?，避免重復性投資無功補償裝置。

6 永磁同步電動機應用的方向和前景

永磁同步電動機如果作為技術節(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)應用，作為一臺用戶十分關心的實際計量數(shù)字而言那無疑是困難重重，再加上價格高于異步電動機幾倍的現(xiàn)實，很難讓用戶下決心投入大量的資金換取很長時間的投資回收期，再加上更換下來的異步電動機如何處理等，顯然存在著諸多問題需要有效地解決，否則很難以替換的形式讓用戶接受。

但是，根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)的理論計算和實際運行結(jié)果看，實際電量計量數(shù)據(jù)的反映和永磁同步電動機的節(jié)能降耗技術特征，作為降低系統(tǒng)無功功率的有效技術手段，利用永磁同步電動機的技術特性，提高功率因數(shù)，降低無功功率，對于各個領域如果能夠有效地安裝使用永磁同步電動機意在提高系統(tǒng)功率因數(shù)、降低無功損耗、提高發(fā)電機和變壓器的有功出力，那將非常有價值，帶給企業(yè)的將是大幅度運營成本的減少，供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，不要單純地追求計量數(shù)字體現(xiàn)的有形價值，更要追求大比例的無形價值，那樣永磁電動機的應用就能很好地體現(xiàn)出它它的真正實用價值。

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化專業(yè)，高級工程師，現(xiàn)從事電氣設備管理及技術工作。