高压永磁同步电动机应用与研究

高压永磁同步电动机应用与研究
目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。

为实现中、大功率电动机高效节能目标，高效永磁同步电动机的研发和应用已成为国内外发展的必然趋势。

高效永磁同步电动机理论分析、实验室试验和国家权威机构检测成功后，对现场应用尚无完整的试验研究数据，缺少通过试验和监测手段对高效永磁同步电动机进行经济效益分析。

本文通过在张家口发电厂首次应用，并通过严格试验得出相关研究数据和分析结果。

标签：高效永磁同步电动机现场方案试验研究结果分析
引言
在工业、建筑以及公用设施领域中电动机是重要的原动力设备，也是电能消耗的最大用户，和节电潜力的最大用户。

2012年我国各类电动机总装机容量约为5亿千瓦，其中异步电动机的装机容量占全国电动机装机容量的90%，约占全国用电量的60%，占工业用量的75%，系统用电效率比国外先进水平低5%-15%，相当于每年浪费电能约1500亿千瓦时。

目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。

而高效永磁同步电动机能否达到高效节能目标，现场应用前景如何，已经引起国内各大企业关注。

2013年工业和信息化部印发（2013年工业节能与绿色发展专项行动实施方案）提出，选择电机在能效提升和绿色发展方面要取得突破。

本文将通过在张家口发电厂首次应用和现场试验进行分析。

为企业应用永磁同步电动机提供参考。

一、高压永磁同步电动机概述
1.高压永磁同步电动机的发展历程
电机属于电磁装置，其工作原理是通过磁场实现电能与机械能间的不断转换。

在电机的工作过程中，气息磁场是必不可少的。

获得磁场的方法有两种，其中一种是通过电流得到。

该种电机叫做电励磁电机，这种电机需要具备专门用来产生电流磁场的绕组，同时，为了保证电流的正常流动还需要为电机提供不间断的能量供应。

另一种方法是通过永磁体来获得磁场，这可以大大简化电机的结构，同时，因为永磁体一旦磁化（充磁）之后就永久具有磁性，不再需要外界供给能量，这也大大的减少了能量的损耗。

高压永磁同步电动机就是通过永磁体获得磁场的电动机，永磁体材料的发展促进了此种电动机的发展。

稀土钴和钕铁硼永磁分别在20世纪60年代和80年代出现，这两种永磁材料的出现极大的促进的电动机的发展，因为这两种材料具有特别适用于电机装置的特性，包括高剩磁密度、高矫顽力、线性退磁曲线以及高磁能积。

我国专家学者自主开发的高效高压永磁同步电动机，采用实心转子磁极铁芯和启动笼复合结构，消弱了齿谐波，减少了转子表面损耗，提高了电机效率。

同时，非均匀气隙和优化通风散热，有效的控制了电机温升。

该种电机同异步电机相比各项指标显著提供，额定负载效率大于96%，功率因数大于0.98，综合节电率在8%-15%。

2.高压永磁同步电动机的优点
2.1高效率
使用永磁材料产生磁场，代替了原有的电流装置，一定程度上减少了定子电流及其电阻损耗。

此外，当电机正常工作时，工作效率因为没有了转子的电阻损耗和磁滞损耗而得到提高。

当电机额定工作时，电机的效率在96%以上，低负载工作时，该电机仍然具有相对较高的工作效率，宽幅的高效运行区为负载在不同负荷段运行提供了良好的节电效果。

2.2高功率因数
该种新型永磁电机的转子使用的是永磁材料，不需要感应电流来产生磁场，定子绕组具有阻性负载的特点，这使得该种电机的功率因数在1附近。

此外，当电机在20%～120%额定负载范围工作时，电机的功率因数和工作效率都会处于一种相对较高的水平。

具体说来，当电机负载较小，即轻载工作时，该种新型电机可以大大的节约能量消耗，而当电机在额定负载工作时，其功率因数是大于0.98的。

2.3启动转矩大
该种永磁电机的转子采用的是一种实心的永磁材料，这使得该种电机的启动转矩明显增大，达到了3.5～4.3范围内，而相同功率的一般电机的启动转矩仅为1.8～2.2倍。

2.4体积小，重量轻
和相同功率的一般电机相比，该种电机的体积约是一般电机的60%，体积明显减少，重量约是一般电机的83%，减轻了约16%。

2.5永磁电动机还具有如下特征：
2.5.1运行时间明显增加；
2.5.2工作过程中的维护费用降低；
2.5.3磁场强度很稳定，不会出现显而易见的退磁现象；
2.5.4电机振动小；
综上所述，新型的永磁电动机较异步电动机相比具有容量大、功率因数高、工作效率高等特点。

二、高压永磁同步电动機的应用分析
1.应用原理
高效高压永磁同步电动机启动时依靠定子旋转磁场与笼型转子相互作用产生的异步转矩实现启动；运行时由转子内嵌的永磁体提供磁场结合定子旋转来维持电动机同步运行。

大唐国际张家口发电厂共有8台30万千瓦机组，装机容量240万千瓦，电厂自用电量占发电量的5%左右，其中电动机是电厂用电的主要设备。

通过首次使用山西北方机械制造有限责任公司生产的高效永磁同步电动机，有必要对其经济性、可靠性进行验证。

该公司生产的高效永磁同步电动机，通过了理论分析、实验室试验和国家权威机构检测。

但该产品在生产现场应用中缺乏大量的实践数据支持，针对发电企业没有进行试验应用案列，对现场系统、设备没有建立直观理论和实际体系，无法通过试验和监测手段对高效永磁同步电动机进行经济效益分析。

本次现场试验，是TYC4002-6型高效永磁同步电动机首次在生产现场进行运行经济性、安全性、可靠性试验，并和原异步电动机进行比较鉴定。

2.试验方案研究与分析
通过设备筛选和系统可靠性分析，决定在排浆泵的驱动电机进行试用，并成立课题小组进行跟踪、试验、分析，以验证其节电、环保性能指标，为节能技术改造奠定基础。

原排浆泵驱动电机为JS148-6三相异步电动机，更换电机为山西北方机械制造有限责任公司生产的TYC4003-6（6kV315kW）高效高压永磁同步电动机。

2.1电机试验方案确定
电机安装地点确定后，我们对现场系统和设备进行规划和调整：
2.1.1确认了用缓冲水箱容积变化来计量系统出力的精确测试方案；
2.1.2将原排浆泵出口阻力不匹配的并列管道进行改进，对排桨泵叶轮、轴封、调整门进行检查更换，对电机地基进行检查，对电测仪表（电压、电流、功率因数、总功率、有功功率、无功功率、有功用电量、无功用电量）进行检验；
2.1.3对S148-6三相异步电动机和TYC4003-6高效永磁同步电动机的技术指标、参数、特性做分析对比；对排浆泵系统、电测系统、轴封水系统、补水系统、水箱结构、监测表计等进行分析评价。

2.2设备主要技术参数
二单元3组一级排桨泵驱动原电机是兰州电机厂生产的JS148-6三相异步电动机额定，代替的高效永磁同步电动机是采用TYC4003-6，在不改变工况和电机控制系统的情况下，进行试验（试用），其电机的主要参数对比如下：
2.3参数收集及试验系统：
试验中电机电压、电流、有功功率、功率因数、有功用电量、无功用电量的数据，均取自配电控制柜电测仪表记录的实际数值。

流量是通过标尺测量缓冲水箱水位的变化。

3.应用情况
3.1 TYC4003-6高效高压永磁同步电动机与JS148-6三相异步电动机试验比较发现，在输出有功功率满足现场使用条件下，电机输入功率得到减低，功率因数得到了大幅度的提高达到0.997，永磁同步电动机电流降低了13.65%，无功功率降低了82.89%，节电效果明显。

3.2在同等工况下，高压永磁同步电动机带动的排浆泵比三相异步电动机带动的排浆泵出力明显上升，流量多出18%，即多做功。

3.3电机通过气隙、风道和轴流风扇的优化设计，提高了通风散热效果，有效降低了电机温升。

3.4采用实心磁极和启动笼的复合转子结构，提高了电动机的启动性能。

同时因转子表面损耗和杂散损耗的减少，提高了电动机效率。

3.5由于大量无功损耗的降低，使得系统电压稳定，电压质量提高，能够降低变压器的负载率，提高供电系统的经济运行水平，为企业产生间接的经济效益。

同时，电机转速升高，对泵或风机的效率产生影响，因出力增加通过对系统调整节电效果显著。

3.6永磁电机绕组温度低比异步电机偏低10多度，前、后轴承温度正常。

3.7永磁电机运行振动小、噪音低，运行平稳。

四、永磁同步电动机应用的方向和前景
将永磁同步电动机在大范围内替换现有的异步电动机还是有诸多困难：
1.永磁同步电动机是一种技術节能新产品，而现有的工艺系统已经很成熟；
2.该新型电动机的价格远高于异步电动机的价格，用户需要投入大量的资金，而获得收益的时间则较长；
3.怎样处理更换下的异步电动机也是一个有待于解决的问题。

但是，根据永磁同步电动机的实际运行和对运行数据的计算结果来看，新型的永磁电动机可以减少能量损耗，同时还可以提高功率因数，进而减少无功功率，尤其在降低无功损耗的领域有着广泛的应用前景，可以大大减少企业的运营成本，减低供电系统的安全隐患。

永磁同步电动机在电力行业目前已经应用在磨煤机、氧化风机上，结合该电机的特点，认为在负荷调整范围较大的磨煤机和送风机上应用效果会更理想。

五、结束语
与传统的异步电动机相比，高压大功率永磁同步电动机减少了能量损耗，节电效果良好。

高压永磁电动机的广泛应用将会使其在电机行业占据重要重要位置，因此，研究高压永磁电动机是很有必要也是非常重要的。

高效高压永磁同步电动机创新性强，产品节能效果显著，符合国家节能减排政策，能有效提降低设备能耗，提高企业经济效益，具有推广和应用价值。

参考文献
[1]黄明星.新型永磁电机的设计、分析与应用研究[D].博士学位论文：浙江大学，2008.
[2]赵清.中型高效永磁同步电动机设计关键技术研究[D].博士学位论文：沈阳工业大学，2006.
[3]唐任远.现代永磁电机理论设计[M].北京：机械工业出版社，2000.
作者简介：王海滨：男，工程师，大唐国际张家口发电厂，在火电厂从事节能研究工作。