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      永磁同步電動機發(fā)展及在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的前景

      2017-03-23 11:24:43王慶文
      科學(xué)與財富 2016年34期
      關(guān)鍵詞:同步電機勵磁三相

      王慶文

      (國家電投集團貴州遵義產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司務(wù)川氧化鋁分公司 貴州 遵義 564300)

      摘 要:永磁同步電動機采用永磁體生成磁場,無需勵磁線圈,也無需勵磁電流,與常規(guī)的異步電動機相比,具有效率高,結(jié)構(gòu)簡單的特點。隨著高性能永磁材料的問世和控制技術(shù)的發(fā)展,以及低碳經(jīng)濟的到來和國家節(jié)能減排政策的實施,永磁同步電動機的應(yīng)用將會在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域得到極其廣泛的應(yīng)用。

      一、超高效永磁同步電動機簡介

      1.概述

      電動機從勵磁的來源可以分為兩大類:永磁電動機、電勵磁電動機。永磁電動機就是由永磁體產(chǎn)生勵磁磁場的電動機。

      現(xiàn)階段工業(yè)和民用最廣泛應(yīng)用的三相異步電動機,如Y系列、Y2系列、YX3系列、YR系列、YB系列、YB2系列等皆屬于電勵磁電動機。

      2.歷史

      19世紀20年代世界上第一臺電動機就是永磁電動機。但受制于天然永磁材料磁性的限制,不久被電勵磁電動機所取代。

      隨著80年代第三代稀土永磁材料——釹鐵硼的發(fā)明,特別是90年代以來釹鐵硼熱穩(wěn)定性改善、價格逐步降低,永磁同步電動機成本顯著下降,在工業(yè)和民用電動機上獲得越來越廣泛的運用。

      3.在我國發(fā)展現(xiàn)狀

      如今,經(jīng)濟發(fā)展的環(huán)境和資源壓力巨大,節(jié)能減排勢在必行。永磁同步電動機可以達到常規(guī)電勵磁電動機難以企及的超高效率,且我國是“稀土王國”,因此永磁節(jié)能技術(shù)非常適合我國高效節(jié)能電機發(fā)展趨勢。

      二、超高效永磁同步電動機的特點

      1.結(jié)構(gòu)特點

      永磁同步電動機的外形和安裝尺寸符合相關(guān)國標(biāo)、IEC標(biāo)準(zhǔn),與同規(guī)格三相異步電動機完全相同。

      永磁同步電動機與三相異步電動機的區(qū)別在內(nèi)部結(jié)構(gòu),

      最顯著的結(jié)構(gòu)特點就是:轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌高性能永磁材料。

      2.性能特點

      額定效率高,高效運行的負載范圍寬

      可達最新國標(biāo)的I級效率(最高標(biāo)準(zhǔn)),比三相異步電動機提高3%~5%以上,低負載時效率提高更顯著。

      功率因數(shù)高

      功率因數(shù)0.96以上,甚至呈容性負載,不需無功補償。

      電流小

      較三相異步電動機,電流降低10%以上。

      溫升低

      較三相異步電動機溫升降低20K,設(shè)計溫升相同時可以做成更小的體積、更大的功率。

      高啟動轉(zhuǎn)矩、高過載能力

      根據(jù)需要,可以設(shè)計成高啟動轉(zhuǎn)矩(3-5倍)、高過載能力。

      控制性能優(yōu)良

      永磁同步電動機控制方便,動態(tài)響應(yīng)性能好。

      節(jié)能回報高

      一般工業(yè)領(lǐng)域,替代低壓(380/660/1140V)高效異步電動機,系統(tǒng)節(jié)能5%~10%;替代高壓(6kV/10kV)高效異步電動機,系統(tǒng)節(jié)能3%~5%。

      三、永磁同步電動機節(jié)能原理

      永磁同步電動機節(jié)能根源在于使用了高性能的磁性材料,原理如下圖所示。

      1.內(nèi)嵌高性能磁材

      永磁同步電動機內(nèi)嵌磁材為第三代稀土永磁材料——釹鐵硼,

      具有超高的磁性和抗去磁能力。且耐高溫、抗腐蝕(鍍鋅或鎳+環(huán)氧)。

      結(jié)構(gòu)的設(shè)計對發(fā)揮材料性能至關(guān)重要,右圖是一種典型的磁鋼布置形式。

      2.永磁體勵磁

      轉(zhuǎn)子內(nèi)的高性能永磁材料,會在電動機內(nèi)部形成高強度磁場。當(dāng)電動機穩(wěn)態(tài)運行時,該勵磁磁場與定子繞組的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用,電動機被牽入同步,轉(zhuǎn)子外圈籠條基本無電流。

      三相異步電動機不同,三相異步電動機有轉(zhuǎn)差,轉(zhuǎn)子外圈籠條有電流,依靠氣隙磁場切割籠條內(nèi)電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

      3.穩(wěn)態(tài)損耗分析

      永磁同步電動機比三相異步電動機損耗小。下表比較了永磁同步電動機和三相異步電動機損耗的大小,從損耗構(gòu)成上分析了永磁電機損耗小的原理。

      永磁同步電動機與三相異步電動機損耗對比

      損耗項目:定子繞組銅耗Pcu1,損耗來源:電阻發(fā)熱損耗,永磁電動機特點:功率因數(shù)高、電流顯著減小,損耗比較:顯著減?。?/p>

      損耗項目:定子鐵耗Pfe1,損耗來源:渦流損耗、磁滯損耗,永磁電動機特點:合理設(shè)計,可控,損耗比較:并不增大,或有減小;

      損耗項目:轉(zhuǎn)子繞組銅耗Pcu2,損耗來源:電阻發(fā)熱損耗,永磁電動機特點:運行時轉(zhuǎn)子繞組幾乎沒有電流,損耗比較:損耗約等于0,顯著減?。?/p>

      損耗項目:轉(zhuǎn)子鐵耗Pfe2,損耗來源:渦流損耗、磁滯損耗,永磁電動機特點:轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和勵磁磁場同步,損耗比較:損耗幾乎為0,顯著減?。?/p>

      損耗項目:機械損耗Pm,損耗來源:風(fēng)阻損耗、軸承損耗,永磁電動機特點:發(fā)熱小,冷卻風(fēng)扇減小,損耗比較:風(fēng)阻損耗減小,損耗有所減??;

      損耗項目:雜散損耗Ps,損耗來源:諧波等的附加損耗,永磁電動機特點:合理設(shè)計,可控,損耗比較:并不增大,或有減小。

      備注:電動機運行時,從電源輸入電功率P1,轉(zhuǎn)軸上輸出機械功率P2,中間發(fā)生了上述中6大部分損耗,下圖說明了功率和損耗的分配關(guān)系。

      4.提高效率

      由上述損耗分析可見,永磁電動機各損耗均減小,總損耗減小,效率提高。

      四、永磁同步電動機在工廠的應(yīng)用情況

      永磁電動機在有色金屬、冶金、煤炭、機械裝備、石油化工、電力、橡膠、紡織等行業(yè)都有大量的使用業(yè)績,并且節(jié)能效果明顯。下面是國內(nèi)一家永磁電動機產(chǎn)品在某公司各工序使用技術(shù)參數(shù)及節(jié)能效果。

      永磁同步電機在某公司使用技術(shù)指標(biāo)

      從統(tǒng)計的數(shù)據(jù)來看,功率因數(shù)達到0.97左右,在不投無功補償裝置的情況下,滿足電網(wǎng)要求功率因數(shù)不低于0.95的要求。

      五、國家對永磁同步電動機的相關(guān)政策

      1、2013年6月10日,工業(yè)和信息化部、國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于組織實施電機能效提升計劃(2013-2015年)的通知》,其中重點對Y1、Y2系列電機淘汰做出了明確的時間要求,國家將重點支持和推廣永磁同步電機在內(nèi)的高效電機。

      2、2013年9月12日,國家發(fā)展與改革委員會、財政部聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于組織推薦節(jié)能產(chǎn)品惠民工程、高效電機推廣目錄的通知》,對入選該目錄中的永磁同步電機生產(chǎn)企業(yè),購買其永磁電機,國家給予使用單位按100元/千瓦給予補貼,這是目前國家對高效電機最高的補貼政策。

      六、永磁電動機投資收益分析

      1、永磁電動機屬于國家一級能效指標(biāo)的產(chǎn)品,國家對各級能效指標(biāo)產(chǎn)品、節(jié)電率規(guī)定如下:

      根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB18613-2012規(guī)定,可以證明永磁電動機比YX3電機綜合能效提高4%。從永磁電動機的市場價格看,永磁電機比YX3系列電機價格高約25%左右,采用永磁電動機增加的投資可在2年左右的時間收回。

      七、超高效永磁同步電動機在新項目選用的優(yōu)勢

      永磁電動機相對異步電動機具有發(fā)熱量低、運行電流小、無功損耗低、運行效率高等優(yōu)點。超高效永磁同步電動機對比國內(nèi)中小電機廠家生產(chǎn)的YX3系列電機來說,價格稍微偏高,但是如果與上電、湘電、ABB、西門子等大型電機品牌而言,價格相差并不大。如果在新項目上選用永磁同步電動機,具有以下幾方面優(yōu)點:

      1、電機節(jié)電效果明顯,相比YX3異步電機而言,平均節(jié)電率不低于4%。

      2、功率因素較高,由于永磁電機屬于同步電機,而同步電機本身具有無功補償?shù)膬?yōu)點,如果在一定規(guī)模上使用永磁同步電動機,可以對企業(yè)的無功有很大的補償,因此可以節(jié)約另外購買無功補償裝置的費用。

      3、降低變壓器的容量,永磁同步電機功率因素高,無功較少或沒有,電流小的優(yōu)點,因此規(guī)模使用永磁電動機,可以在變壓器選型上進行優(yōu)化。

      4、電纜可以選小,由于永磁同步電動機具有電流小的特點,因此電纜的線載電流小,如果規(guī)模使用永磁電機,可以優(yōu)化電纜選型。

      八、超高效永磁同步電機在實際應(yīng)用中面臨的問題

      1、永磁同步電動機的價格較異步電動機價格貴25%左右,會比較明顯的增加工程建設(shè)的一次投資。國內(nèi)各個企業(yè)由于控制投資,采用永磁同步電動機的積極性不高。

      2、如果永磁電動機設(shè)計或使用不當(dāng),在高溫、化學(xué)腐蝕、機械振動以及沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)等因素作用下,電機內(nèi)永磁體容易產(chǎn)生不可逆失磁,使電機的性能急劇下降,甚至可能導(dǎo)致電機停轉(zhuǎn)或燒毀。

      3、永磁同步電動機損壞或失磁后,對檢修和維護要求較高,使工業(yè)用戶存在顧慮。

      九、結(jié)論

      永磁同步電動機具有效率高,結(jié)構(gòu)簡單的特點,在同等用電負荷下,變壓器容量、供電電纜等電氣設(shè)備較采用常規(guī)異步電動機顯著減小,同時可省去無功補償裝置,在新建工業(yè)項目中,綜合投資增加并不多。隨著永磁同步電動機新材料的研發(fā)和設(shè)備廠家技術(shù)制造水平的提高,國家節(jié)能減排惠民工程政策的實施,永磁同步電動機將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。

      參考文獻

      [1]超高效永磁同步電動機研究開發(fā).安忠良-沈陽工業(yè)大學(xué)-2006-被引量:28.

      [2]中型高效永磁同步電動機設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究.趙清-《沈陽工業(yè)大學(xué)》-2006-被引量:23.

      [3]釹鐵硼永磁電機防高溫失磁技術(shù)的研究.林巖-《沈陽工業(yè)大學(xué)》-2006-被引量:20.

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